Bioinformatik: Schnittstelle zwischen Informatik und Life-Science

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Herta Stein
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1 Bioinformatik: Schnittstelle zwischen Informatik und Life-Science Andreas Zendler (PD Dr.rer.nat.Dr.phil.) GI / GChACM 12. ovember 2001

2 Inhaltsübersicht I. Einführung II. Bioinformatik III. Industrial Life Science Informatics Integration von Tools Organisation von Massendaten Informationsgewinnung IV. Bio Process Management System (BPMS) V. Ausblick

3 Einführung Was bedeutet DA? Gene Von der DA zum Protein Was ist ein Protein? Wie ist eine Proteinstruktur charakterisiert?

4 Was bedeutet DA? A = Adenin O DesoxyriboucleinSäure (DesoxyriboucleicAcid) Dies ist eine Detailansicht zweier komplementärer Und so sieht ucleotid-stränge: die Doppelhelix Träger im der Detail genetischen aus: Information T = Thymin G = Guanin O O Besteht aus ucleotidketten C = Cytosin O Es gibt 4 verschiedene ucleotid-basen: A, T, G, C Diese formen 2 charakteristische Paare: O O O A - T O G - C Charakteristische Doppelhelix-Struktur Zwei komplementäre ucleotid-stränge bilden nach Watson & Crick die DA

5 Gene Genetische Information...ACTGTGAACGATGGC... Abfolge (Sequenz) der ucleotide Gen Grundlage der Erbmerkmale Teilabschnitte der chromosomalen DA-Ketten Sitz der Information zur Ausbildung erblicher Merkmale Das Erbgut eines Organismus, seine DA, liegt in Form von Chromosomen vor. Der Mensch besitzt 46. Genom Erbgut, verkörpert durch DA (Sammlung von Genen)

6 Von der DA zum Protein... Ein Überblick über den gesamten Vorgang:

7 Ein Protein ist eine Abfolge von Aminosäuren, die über Peptidbindungen miteinander verknüpft sind. erste Aminosäure H H Was ist ein Protein? H O H H O C C C C X X zweite Aminosäure Proteine sind zusammengesetzt aus verschiedenen Aminosäuren. Alanin (A) Cystein (C) Aspartat (D) Glutaminsäure (E) Phenylalanin (F) Glycin (G) Histidin (H) Isoleucin (I) Lysin (K) Leucin (L) Methionin (M) Asparagin () Prolin (P) Glutamat (Q) Arginin (R) Serin (S) hier können Threonin (T) sich weitere Valin (V) Aminosäuren Tryptophan (W) anschließen Tyrosin (Y) Proteinlänge: normalerweise >50 Aminosäuren

8 Die Abfolge der Aminosäuren... Wie ist eine Proteinstruktur charakterisiert? (1 Aminosäure = 1 Buchstabe) Primär-Struktur...CGHFRRSETPEGGLDERQEAGDRAQLKTSMAQGF... Sekundär-Struktur Die 2D-Anordnung der Aminosäurenkette... Tertiär-Struktur Die 3D-Anordnung der Aminosäurenkette wie die verschiedenen Formen der Perlenkette auf einem Tisch.... vergleichbar mit einer... wie die Perlenkette. im (1 Raum Perle verknotet = 1 Buchstabe ist. = 1 Aminosäure)

9 Bioinformatik Bioinformatik (ursprünglich): Auswertung von Informationen, die in Biomolekülen (DA/RA, Proteinen) enthalten sind Bioinformatik (heute): Anwendung der Informatik auf molekularbiologische Daten (DA/RA, Proteine) Entwicklung/Einsatz von Datenbanken zur Repräsentation molekularbiologischer Daten Entwicklung/Einsatz von Algorithmen für die Auswertung molekularbiologischer Daten - Identifizierung - Verarbeitung - Modellierung - Vorhersage Entwicklung und Einsatz von Computerprogrammen für die Auswertung vonsequenzdaten Identifizierung, Verarbeitung, Modellierung, Vorhersage, Modellierung

10 Bioinformatik Typische Bioinformatikaufgaben (Stevens, R. et al A classification of tasks in bioinformatics. Bioinformatics, 17, 2, ) Ähnlichkeitssuche von Sequenzen - uleinsäure vs. ukleinsäuren - Protein vs. Protein Sequenzsuche in Datenbanken Multiples Alignment (Vergleich mehrerer Sequenzen) Vorhersage von Sekundär- und Tertiärstruktur Phylogenetische Analyse (Klassifikation) Literatursuche

11 Anwendungsbeispiel 1 GenBank von CBI (ational Center for Biotechnology Information) Überblick zum menschlichen Genom ( Basenpaare)

12 Anwendungsbeispiel 2 Frage: Wie lautet die Aminosäure-Sequenz des Proteins Haemoglobin beim Menschen? Und so sieht das Protein-Sequenzen Ergebnis aus: können über das Internet in der SWISS-PROT- Datenbank abgefragt werden. Hemoglobin human

13 Anwendungsbeispiel 3 Frage: Wie sieht die Struktur des Proteins Haemoglobin beim Menschen aus? Und das ist das Ergebnis der Suche: Die Struktur kann sofort im etz- Browser betrachtet werden. Protein-Strukturen können über das Internet in der PDB-Datenbank abgefragt werden. Hemoglobin

14 Ausgangsmaterial: lineares DA-Fragment Ziel Identifizierung von Protein/Proteinfamilien Zuordnung zu Poteinfamilien Funktionalität des Proteins Erklärung der Proteinfunktion Eingesetzte Bioinformatikaufgaben Suche in Primär-/Sekundär-/Klassifikationsdatenbanken Sequenzvergleich in Primär-/Sekundär-/Klassifikationsdatenbanken

15 Übersicht Six-Frame-Translation Analyse DA Fragment Identifizierungssuche/Primärdatenbanken Identenifizierungssuche/Primärdatenbank OWL = GenBank + SWISS-PROT + PIR + RL-3D Ähnlichkeitssuche/Primärdatenbank SWISS-PROT Mustersuche/Sekundärdatenbank PROSITE PRITS IDETITY Funktionale Interpretation Proteinstrukturklassifikation

16 1. Six-Frame-Translation DA-Fragment ccgt act acaact acgct ggt gcat t caag Input für Six-Frame-Translator (via Cut&Paste) Output von Six-Frame-Translator (Ergebnis zwschenspeichern) P=Prolin Y=Tyrosin =Asparagin A=Alanin G=Gylcin K=Lysin F=Phenylalanin

17 2. Identifizierungssuche/Primärdatenbank OWL (komposite Datenbank): GenBank + SWISS-PROT + PIR + RL-3 Input für OWL-Suche (via Cut&Paste) Output von OWL

18 2. Identifizierungssuche/Primärdatenbank Output von SWISS-PROT

19 3. Ähnlichkeitssuche in Primärdatenbank OWL (komposite Datenbank): GenBank + SWISS-PROT + PIR + RL-3 SWISS-PROT via BLASTp von CBI Input für SWISS-PROT-Suche (via Cut&Paste/Zwischenergebnis) Output von SWISS-PROT (Time-Lag)

20 3. Ähnlichkeitssuche in Primärdatenbank Output von SWISS-PROT (Time-Lag)

21 4. Mustersuche/Sekundärdatenbanken: PROSITE Output von SWISS-PROT (Time-Lag)

22 4. Mustersuche/Sekundärdatenbanken: PRITS Input via PRITS Search Output

23 4. Mustersuche/Sekundärdatenbanken: IDETITY Input via Sequenz

24 4. Mustersuche/Sekundärdatenbanken: Zusammenfassung Datenbank Diagnose SWISS-PROT Transferrin Sequenz PROSITE Transferrin Pattern PRITS Transferin Pattern IDETITY Transferin Pattern

25 5. Funktionale Interpretation: Dokumentation in PROSITE und PRITS PROSITE PRITS

26 6. Strukturklassifikation: SCOP (via Crossreferenz PROSITE)

27 6. Strukturklassifikation: CATH (via Crossreferenz PROSITE) Hier CATH-Bild für 1LFH

28 Folge von Schritten Direkte Eingabe Hyperlinks Copy & Paste Time-Delays

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