1.1 研究動機
核醣核酸(RNA)在生命體中扮演很重要的角色，其中最為人知的信使核醣核 酸(mRNA)傳遞核醣核酸的資訊到核糖體，合成所需要的蛋白質。其他常見的還 有轉錄核醣核酸(tRNA)、核糖體核醣核酸(rRNA)、微核醣核酸(microRNA)等。這 些 RNA 會褶疊成特定的形狀來輔助生命機制，如催化化學反應及調控基因表現 等等。
從已知的生物知識可知，褶疊形狀相似的核醣核酸很有可能也會有相似的功 能。因此，若能由已知的核醣核酸序列來預測其褶疊而成的二級結構，進而猜測 其功能，將能更迅速的瞭解生命運作的機制。
然而，在生物實驗室裡進行實驗來決定一個核醣核酸的結構是很費時的，單 用人工的方式實驗非常沒有效率。因此，我們希望利用已知序列上的資訊，加入 能量預測二級結構的資訊，藉由電腦的輔助以提供一個快速的方法，希望能預測 出核醣核酸的結構，更進一步的從一個家族的核醣核酸序列中，預測出他們的共 同結構元(motif)，因為這些共同的結構在生物演化上可能是有意義的，他們可能 控制著一種重要的生物機能，所以在經過長時間的演化之後，這些結構仍然保留 至今。
研究核醣核酸二級結構預測(RNA secondary structure prediction)的方法有很 多，例如使用動態程式規劃(dynamic programming)的方法尋找化學上能量最為穩 定的結構；或是以排比(alignment)的方式，利用一條已知二級結構核醣核酸序列 上的資訊，去預測另外一條結構未知的相關核醣核酸序列；以及用基因演算法 (genetic algorithm)的方式尋找二級結構和摺疊路徑(folding pathway)等。以上的方法 都是只針對單一條核醣核酸序列提供唯一的最佳二級結構預測結果，或是包含多 個次佳解的結果。
近年來，對於核醣核酸二級結構的研究主題多在預測同一核醣核酸家族的共 同結構元，目前常見的方法有三大類[Paul PG et al., 2004]：
(1)先對所有核醣核酸序列做多重排比(multiple sequence alignment)，再將 排比好的序列利用單一核醣核酸序列的二級結構預測系統進行摺疊 (folding)，最後所得的摺疊結構即為該家族的預測共同結構元。
(2)以 Sankoff algorithm 為基礎，使用動態程式規劃同時考慮序列排比與 摺疊的資訊來預測同一家族序列的共同結構元。
(3)利用單一核醣核酸序列的二級結構預測系統，對此家族的每一條核醣 核酸序列各自進行單一序列的摺疊，再對所有產生的結構進行結構排 比(structure alignment)。
本研究與上述的第三類方法有點相似，在前半段使用單一核醣核酸序列的二級結 構預測系統作為前處理器，來預測單一核醣核酸序列的完整二級結構。然而在後 半段，也是最主要的核心部分，我們並非只是對其產生的結構進行排比，而是將 其預測的結構轉換成圖形表示語言，再利用基因規劃法(genetic programming)預測 出此家族序列的共同結構元。
1.2 研究假設
關於核醣核酸二級結構的預測，本研究設定了兩個合理的基本假設：
假設一：同一家族的核醣核酸序列有共同的二級結構。
一群核醣核酸序列之所以會被視為同一家族，就是因為他們有類似的功能。
由化學的角度來看，當結構有些許改變就很有可能影響分子結合的能力，因而影 響其功能，所以我們認為，一群功能相同的核醣核酸序列行使功能之區域，其二 級結構必定極為相似。
本研究假設一群被歸類為同一家族的相關核醣核酸序列中，從在某些共同的 結構，而這些共同的結構則是決定此家族核醣核酸所行使的功能。
假設二：行使功能的共同結構元不容易出現在隨機產生的序列中。
本研究要尋找的共同結構應該具有演化上的意義，在演化的過程中，核醣核 酸的序列及結構可能會經過多次的突變，但是其重要結構仍被保留下來，表示這 些結構在演化的過程中必定扮演很重要的假設。
因此我們假設這樣的結構應該不是偶然形成，也就是說在我們隨機產生的核 醣核酸結構中不應該會經常出現。
1.3 研究目的
在過去的研究中，預測核醣核酸二級結構的共同結構元用到許多不同的方 法，包含動態程式規劃、隱藏式馬可夫模型(Hidden Markov Model)、序列排比、
圖論方法以及演化式計算等等。每一個研究所切入的角度都不太一樣，對於不同 的家族的共同結構元預測能力也不太相同，但目前的系統大多只能預測出長度較 短的共同結構元。
而在本研究中，我們同樣使用基因規劃法，試圖找出同一家族的共同結構 元，加入能量的資訊縮小搜尋空間以節省搜尋時間，而資料結構的表示法則以圖 形(graph)的概念表示，希望可以藉此找出較長或者是更複雜的共同結構元。
1.4 論文架構
本篇論文包含六個章節：
第一章為前言，介紹本研究的動機、背景、此研究所使用的方法及其基本假設，
以及主要的研究目的。
第二章為文獻探討，將介紹核醣核酸的背景知識，以及此研究過去的發展。
第三章為研究方法，是本篇論文的核心，詳細介紹本研究設計的方法流程與細節。
第四章為實驗結果，整理所有實驗的內容與實驗的結果。
第五章為結論與討論，分析本實驗的優缺點。
第六章參考文獻，則列出本研究參考的相關文獻。