Wichtige Themen aus der Vorlesung Bioinformatik II SS 2017

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1 I Universität des Saarlandes FR 6.2 Informatik Prof. Dr. Hans-Peter Lenhof M. Sc. Tim Kehl M. Sc. Lara Schneider Wichtige Themen aus der Vorlesung Bioinformatik II SS 2017 Hinweis: Dies ist eine stichpunktartige Liste der wichtigen Themen aus der Vorlesung. Diese Liste soll Ihnen als Anhaltspunkt für die Klausurvorbereitung dienen. Übungsblätter In der Klausur können Aufgaben, ähnlich derer auf den Übungsblättern, gestellt werden. Programmieraufgaben größeren Umfanges sind natürlich nicht dazu geeignet, in der Klausur geprüft zu werden. Sie sollten jedoch in der Lage sein, die zu Grunde liegenden Algorithmen in C++-ähnlichem Pseudocode wiederzugeben. Introduction to Protein Structures Wie sind Aminosäuren aufgebaut? (3 Elemente, Zeichnung) Wie viele natürliche Aminosäuren gibt es? Wie funktioniert der Genetische Code? Welche Charakterisierungen von Aminosäuren gibt es? (aromatisch, basisch,...) Beschreiben Sie schematisch die Peptidbindungsreaktion. Zeichnen Sie eine Peptidbindung. Was versteht man unter einem Backbone? Zeichnen Sie den Backbone einer Aminosäuresequenz der Länge drei. Was sind Primär-, Sekundär-, Supersekundär-, Tertiär- und Quartärstrukturen? Welche Supersekundärstrukturmotive gibt es? Was stellen Ramachandran Plots dar? Was versteht man unter Rotameren und Rotamerbibliotheken?

2 Welche Sekundärstrukturen existieren in Proteinen und wie sehen diese aus? Warum bilden sich diese Sekundärstrukturen? Charakterisieren Sie die drei Subtypen von Helices. Nennen und zeichnen Sie schematisch drei Supersekundärstrukturen. Was versteht man unter dem nativen Zustand und dem denaturierten Zustand eines Proteins? Definieren Sie vier Proteinstruktur stabilisierende Interaktionskräfte. Was versteht man unter dem Molten Globule State? Von welchen Proteinen wird der Faltungsprozess unterstützt? Nennen Sie drei verschiedene Faltungsklassen. (α-domain, α/β, β-helix, α+β,...) Secondary Structure Assignment Welche (sechs) Komponenten werden in molekular-mechanischen Kraftfeldern verwendet? Nennen Sie drei Beispiele für Kraftfelder. (AMBER, CHARMm, GROMOS) Skizzieren Sie ein Lennard-Jones-Potential. Geben Sie die sieben Modellierungsschritte zur Homologiebasierten Vorhersage von Strukturen an. Welche Algorithmen zur Zuweisung von Sekundärstrukturen kennen Sie? Beschreiben Sie diese Algorithmen schematisch. Secondary Structure Prediction Welche drei Generationen von Sekundärstruktur-Vorhersage-Algorithmen gibt es? Was kennzeichnet diese drei Generationen und wie unterscheiden sich diese voneinander? Nennen Sie Beispielalgorithmen zu jeder der drei Generationen. Wie ist die Chou-Fasman Propensity definiert? Wie funktioniert der Chou-Fasman Algorithmus? Was ist die biologische Idee hinter Neuronalen Netzen? Wie funktionieren Neuronale Netze? Was ist ein Vanilla Neural Net (VNN)?

3 Wie trainiert man ein Neuronales Netz? Wie sieht eine gängige Aktivierungsfunktion für Neuronale Netze aus? Nennen Sie andere Anwendungen für Neuronale Netze zur Vorhersage struktureller Eigenschaften. Protein Threading Was versteht man unter Fold Recognition? Geben Sie die Boltzmann-Gleichung an. Wie funktioniert der Inverse-Boltzmann-Ansatz? Was sind Contact Capacity Potentials? Geben Sie den Unterschied zwischen lokalen und globalen Kontakten an. Wie unterscheiden sich Contact Capacity Potentials von Secondary Structure Dependent Contact Capacity Potentials? Wie wird die Signifikanz der Struktur-Vorhersage geschätzt? (p-value, score gap percentiles) Geben Sie den Pseudo-Code zu Simulated Annealing an. Was sind Pair Potentials? Wie funktioniert die Strukturvorhersage mit Pair Potentials? Wie ist die Komplexität der Strukturvorhersage mit Pair Potentials? Was ist CASP? Wie funktioniert der ROSETTA-Algorithmus? Loop Prediction and Side-Chain Placement Wie funktioniert der in der Vorlesung vorgestellte SCWRL-Algorithmus zur Seitenkettenplatzierung? Was versteht man unter Dead-End-Elimination? (Formel, Beweis) Wie funktioniert die Multi-Greedy-Methode zur Vorhersage von Seitenketten? Wie funktioniert der ILP-basierte Lösungsansatz zur Vorhersage von Seitenketten? Sie sollten ein ILP zum Lösen einer gegebenen Problemstellung aufstellen können. Beschreiben Sie das Prinzip von Branch-and-Cut-Algorithmen. Was sind Connected Components und Biconnected Components? Geben Sie Algorithmen zur Berechnung von Connected Components und Biconnected Components an.

4 Molecular Superposition, Structure Alignment Was versteht man unter Rigid-body Superpositioning? Wie ist die Root Mean Square Deviation (RMSD) definiert? Geben Sie eine formale Beschreibung des Rigid-Body-Superpositionierungs-Optimierungs- Problems im vereinfachten Fall der rotationsfreien Transformation eines Moleküls A = (x 1,..., x L ) auf B = (y 1,..., y L ) an. Welche Eigenschaften muss eine Transformationsmatrix erfüllen? Was versteht man unter einem Structural Alignment? Welche Algorithmen zum Strukturalignment kennen Sie? Beschreiben Sie den Double Dynamic Programming-Ansatz. Berechnung der Scoringmatrizen Rekurrenzformel Laufzeit Was versteht man unter Geometric Hashing? Beschreiben Sie den Cliquensuche-Ansatz (Kompatibilitätsproduktgraph). Molecular Docking Was versteht man unter Protein-Protein Docking? Nennen Sie die drei grundlegenden Schritte des Docking. Was versteht man unter dem Schlüssel-Schloss-Prinzip? Was sind die besonderen Herausforderungen des Protein-Liganden Docking im Vergleich zum Protein-Protein Docking? Wie funktioniert das De-novo Design von Liganden? Was versteht man unter Ligand Superpositioning und wann wird es verwendet? Was sind die Grundideen und Basiskonzepte beim Rigid-Body Docking und welche algorithmischen Komponenten werden verwendet? Nennen Sie drei Docking-Algorithmen. Welche molekularen Oberflächen haben Sie in der Vorlesung kennengelernt? Wie werden diese berechnet? Welche Oberflächenrepräsentationen (sparse) haben Sie in der Vorlesung kennengelernt? Wie beschreibt der DOCK-Algorithmus die Bindungstasche?

5 Wie funktioniert der Katchalski-Katzir Algorithmus? Wozu wird dabei die Fast Fourier Transformation verwendet? Zeichnen Sie ein Morse Potential. Zeichnen Sie ein Harmonisches Potential. Was versteht man unter GRID-Methoden? Was sind deren Vor- und Nachteile? Was ist Hinge-Bending? Nennen Sie die Annahmen des Semi-Flexible Docking. Was misst man mit NMR? Welche vier Beiträge werden im Chemical Shift Vorhersagemodell von Kohlbacher et al. verwendet. (Random Coil, Ring Current, Magnetic Anisotropy, Electrostatic Potential) Wie kann die Vorhersage von NMR-Spektren helfen Dockingergebnisse zu verbessern? Nennen Sie die drei Schritte der von FlexX verwendeten inkrementellen Rekonstruktion! Drug Screening Beschreiben Sie den FlexS-Algorithmus. Wie ist der Tanimoto Coefficient definiert? Wie werden Feature Trees berechnet? Nach welchem Prinzip verläuft der Split-Search-Algorithmus? Welche geometrischen und chemischen Features werden in Feature Trees verwendet? High level analysis of Microarrays Was versteht man unter High-Level-Analyse von Microarrays? Was versteht man unter Feature Selection? Welche Methoden zur Feature Selection kennen Sie? (Fold change, t-test, wilcoxonrank sum statistic, F-statistic) Was ist ein Hypothesen-Test? Was versteht man unter dem Fehler 1. und 2. Art? Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen Fehler 1./2. Art, Signifikanz-Schranke und Teststatistik. Geben Sie die Definition des p-values an.

6 Hypothesis Testing Wie ist der Students t-test definiert und in welchen Bereichen findet er Anwendung? Teststatistiken (Formeln): t-statistik, z-score, χ 2 -Statistik. Linear Discriminant Analysis Was versteht man unter Supervised Learning? Was versteht man unter Unsupervised learning? Nenne Sie je Beispiele für Klassifikations- und Regressionsmethoden? (Artificial Neural Networks, Support Vector Machines, Linear Discriminant Analysis,...) Wie sind Trainings- und Testfehler definiert? Was versteht man unter der Linear Discriminant Analysis (LDA)? Auf welchem Modell beruht sie? Geben Sie die Definition der Formel von Bayes an. Was versteht man unter class priors und der conditional class input density? Wie wird die Formel von Bayes bei LDA eingesetzt? Clustering Was versteht man unter Clustering? Welche Clustering-Algorithmen gibt es? (K-Means, Hierarchical Clustering,...) Welche Ähnlichkeits-/Distanzmaße gibt es? (Euklidische-, Manhattan- und Korrelationsdistanz) Nennen und beschreiben Sie die zwei Arten von Hierarchischem Clustering. Was versteht man unter Between-cluster dissimilarity? Welche Arten gibt es? (single/- complete/average linkage) Was ist ein Dendrogramm? Wozu wird der Silhouette Score verwendet?

7 ORA and GSEA Grenzen Sie die Begriffe IGA, ORA, GSA, und GSEA gegeneinander ab. Beschreiben Sie die Gene Ontology. Was sind Gene Ontology-Kategorien? Beschreiben Sie die Voraussetzungen und den Ablauf einer ORA. Was ist die Hypergeometric distribution? Formel? Erklären Sie die Berechnung der Signifikanz-Werte mittels der Hypergeometrischen Verteilung (ORA). Beschreiben Sie den Unterschied zwichen ORA und GSEA. Beschreiben Sie die Berechnung und Eigenschaften einer running sum. Was beschreibt der Score einer running sum? Wann spricht man von Enrichment/Depletion? Welche Methoden für die Berechnung der Signifikanz-Werte von GSEA existieren? Was sind die Probleme von Permutationstests verglichen mit der exakten p-value Berechnung? Geben Sie den Dynamic Programming-Algorithmus für die Berechnung ungewichteter GSEA Signifikanz-Werte an. Welchen Laufzeit- und Speicherplatzbedarf hat der Dynamic Programming-Algorithmus für die Berechnung ungewichteter GSEA-Signifikanzwerte?