Algorithmen und Anwendungen zur Kartierung von Genomen

Transkript

1 Algorithmen und Anwendungen zur Kartierung von Genomen Dr. Dominik Grimm Probelehrveranstaltung Wissenschaftszentrum Straubing Hochschule Weihenstephan-Triesdorf Straubing, 14. Juli Juli 2017 Kartierung von Genomen 1

2 Inhalte & Lernziele dieser Vorlesung Was versteht man unter einer Kartierung des Genoms? Welche Arten von Kartierungen gibt es? Methoden zur Erstellung von physikalischen Karten Anwendung zur Kartierung von Genomen Zusammenfassung des Vorlesungsinhalts und Ausblick 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 2

3 Was versteht man unter einer Kartierung des Genoms? Motivation Finde den Weg von Haus A zu Haus B 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 3

4 Was versteht man unter einer Kartierung des Genoms? Motivation Füge Orientierungspunkte zur Karte hinzu 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 4

5 Was versteht man unter einer Kartierung des Genoms? Motivation Füge Orientierungspunkte zur Karte hinzu 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 5

6 Was versteht man unter einer Kartierung des Genoms? Motivation Hm ca. 50min ca. 20min ca. 40min 2 km 3 km 1.5 km Karten werden mit der Zeit und neueren Kartierungsmethoden immer detaillierter 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 6

7 Was versteht man unter einer Kartierung des Genoms? Arten der Genomkartierung Genetische Karte cm 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 7

8 Was versteht man unter einer Kartierung des Genoms? Arten der Genomkartierung Genetische Karte cm Zytogentische Karte 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 8

9 Was versteht man unter einer Kartierung des Genoms? Arten der Genomkartierung Genetische Karte cm Zytogentische Karte Physikalische Karte kb 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 9

10 Was versteht man unter einer Kartierung des Genoms? Arten der Genomkartierung Genetische Karte cm Zytogentische Karte Physikalische Karte kb DNA-Sequenz...ATGCCCCAGTAAGAGAGCATATATACAA... Basen 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 10

11 Was versteht man unter einer Kartierung des Genoms? Arten der Genomkartierung Genetische Karte cm Zytogentische Karte Physikalische Karte kb DNA-Sequenz...ATGCCCCAGTAAGAGAGCATATATACAA... Basen 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 11

12 Erstellung physikalischer Karten Restriktionsstellen-Kartierung Verfahren beruht auf Restriktionsenzymen à Sind in der Lage DNA-Motive zu erkennen und die DNA an diesen Stellen zu schneiden. EcoRI 5' 3' G A A T T C C T T A A G EcoRI 3' 5' 5' G A A T T C 3' 3' C T T A A G 5' 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 12

13 Erstellung physikalischer Karten Restriktionsstellen-Kartierung Restriktionsenzym schneidet DNA in Stücke unterschiedlicher Länge EcoRI Schnittstelle EcoRI Schnittstelle EcoRI 5Mb 0.5 Mb 3 Mb 1.5 Mb 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 13

14 Erstellung physikalischer Karten Restriktionsstellen-Kartierung Restriktionsenzym schneidet DNA in Stücke unterschiedlicher Länge EcoRI Schnittstelle EcoRI Schnittstelle 5Mb Marker EcoRI Marker 0.5 Mb 3 Mb 1.5 Mb Restriktionsschnittstellen sind spezifisch für jedes Restriktionsenzym 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 14

15 Erstellung physikalischer Karten Restriktionsstellen-Kartierung EcoRI Fragmente 20, 100, 200, Juli 2017 Kartierung von Genomen 15

16 Erstellung physikalischer Karten Restriktionsstellen-Kartierung EcoRI Fragmente 20, 100, 200, Juli 2017 Kartierung von Genomen 16

17 Erstellung physikalischer Karten Restriktionsstellen-Kartierung EcoRI Fragmente 20, 100, 200, Juli 2017 Kartierung von Genomen 17

18 Erstellung physikalischer Karten Restriktionsstellen-Kartierung Es gibt 4! = 24 mögliche Anordnungen (Permutationen) 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 18

19 Erstellung physikalischer Karten Restriktionsstellen-Kartierung Es gibt 4! = 24 mögliche Anordnungen (Permutationen) Wie kann man anhand der Fragmente die Reihenfolge der Marker (Restriktionsschnittstellen) rekonstruieren? 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 19

20 Erstellung physikalischer Karten Restriktionsstellen-Kartierung durch Double Digest DNA Restriktionsenzym A Restriktionsenzym B Restriktionsenzym A+B Längenmessung Fragmente A Längenmessung Fragmente B Längenmessung Fragmente A+B 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 20

21 Erstellung physikalischer Karten Restriktionsstellen-Kartierung durch Double Digest Längenmessung Fragmente A 20, 100, 200, 400 Längenmessung Fragmente B 50, 150, 220, 250 Längenmessung Fragmente A + B 20, 30, 50, 50, 80, 150, 170, Juli 2017 Kartierung von Genomen 21

22 Erstellung physikalischer Karten Restriktionsstellen-Kartierung durch Double Digest Enzym A Enzym B Juli 2017 Kartierung von Genomen 22

23 Erstellung physikalischer Karten Restriktionsstellen-Kartierung durch Double Digest Enzym A Enzym B Schnittmenge A+B Juli 2017 Kartierung von Genomen 23

24 Erstellung physikalischer Karten Restriktionsstellen-Kartierung durch Double Digest Enzym A Enzym B Schnittmenge A+B Juli 2017 Kartierung von Genomen 24

25 Erstellung physikalischer Karten Restriktionsstellen-Kartierung durch Double Digest Schnittmenge A+B Vergleiche Distanzen der Schnittmenge mit Längen der Fragmente A +B Längenmessung Fragmente A + B 20, 30, 50, 50, 80, 150, 170, Juli 2017 Kartierung von Genomen 25

26 Erstellung physikalischer Karten Restriktionsstellen-Kartierung durch Double Digest Schnittmenge A+B Vergleiche Distanzen der Schnittmenge mit Längen der Fragmente A +B Längenmessung Fragmente A + B 20, 30, 50, 50, 80, 150, 170, , 30, 50, 70, 80, 100, 120, , 30, 50, 50, 80, 150, 170, Juli 2017 Kartierung von Genomen 26

27 Erstellung physikalischer Karten Restriktionsstellen-Kartierung durch Double Digest Teste alle möglichen Kombinationen der Permutationen von A und B bis die Schnittmenge gleich der Fragmentlängenmessung von A + B ist. (in unserem Beispiel: 4!*4! = 576 Tests) 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 27

28 Erstellung physikalischer Karten Zusammenfassung Restriktionsstellen-Kartierung Double Digest ist experimentell leicht durchführbar Laufzeit ist exponentiell Es gibt nicht nur eine eindeutige Lösung (mehrere Lösungen möglich) 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 28

29 Erstellung physikalischer Karten Zusammenfassung Restriktionsstellen-Kartierung Double Digest ist experimentell leicht durchführbar Laufzeit ist exponentiell Es gibt nicht nur eine eindeutige Lösung (mehrere Lösungen möglich) à Effizientere Lösung mittels Partial Digest (nicht Teil dieser Vorlesung) jedoch auf Kosten des experimentellen Designs à Beide Methoden funktionieren nicht für große DNA-Strings à Fehler in der Verdauung oder Längenmessung werden nicht betrachtet 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 29

30 Für was werden physikalische Karten benötigt? Rekonstruktion von DNA-Sequenzen Wetterstrand KA. DNA Sequencing Costs: Data from the NHGRI Genome Sequencing Program (GSP) Available at: Accessed July Juli 2017 Kartierung von Genomen 30

31 Für was werden physikalische Karten benötigt? Rekonstruktion von DNA-Sequenzen DNA Kopien Fragmentierung ATGCATGCACGACAAGT AAGTAGGTTCCAAATTTTAAATGCC Sequenzierung AAATGCCCAGATAGAGAGAGAGA AGAGAGGGTTTTTACAGATAAGAGAGAG 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 31

32 Für was werden physikalische Karten benötigt? Rekonstruktion von DNA-Sequenzen Finden überlappender Sequenzen ATGCATGCACGACAAGT AAGTAGGTTCCAAATTTTAAATGCC AAAAGGGAGATAGAGAGAGAGA AGAGAGGGTTTTTACAGATAAGAGAGAG 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 32

33 Für was werden physikalische Karten benötigt? Rekonstruktion von DNA-Sequenzen Contig 1 Contig Juli 2017 Kartierung von Genomen 33

34 Für was werden physikalische Karten benötigt? Rekonstruktion von DNA-Sequenzen Contig 1 Contig 2 Physikalische Karten können dabei helfen die Contigs richtig anzuordnen 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 34

35 Anwendungen zur Kartierung des Genoms Anwendungen zur Kartierung des Genoms Genetische Karte cm Zytogentische Karte Physikalische Karte kb DNA-Sequenz...ATGCCCCAGTAAGAGAGCATATATACAA... Basen 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 35

36 Anwendungen zur Kartierung des Genoms Genomweite Assoziationsstudien (GWAS) Biomasse von Pflanzen Komplexe Krankheiten Metabolom eines Organismus Eigenschaften von Bakterien 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 36

37 Anwendungen zur Kartierung des Genoms Genomweite Assoziationsstudien (GWAS) Plant 1 Plant 2 Plant 3 Plant 4 Plant 5 Finde Assoziation zwischen Markern und Phänotyp 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 37

38 Anwendungen zur Kartierung des Genoms Human GWAS Catalog (Juni, 2017) Brustkrebs SNP-Trait Assoziationen Schizophrenie Alkoholabhängigkeit Typ-2 Diabetes Parkinson 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 38

39 Ausblick auf die nächste Vorlesung Was kommt als Nächstes? Restriktionsstellen-Kartierung durch Partial Digest Erläuterung der Partial Digest Methode Implementierung des Algorithmus in Python Kartierung durch Hybridisierung Unterschiedliche Algorithmen zur Erstellung physikalischer Karten durch Hybridisierungsexperimente Implementierung der Algorithmen in Python 14. Juli 2017 Kartierung von Genomen 39

40 Danksagung Berufungsausschuss Folien und Code zur Vorlesung Icons made by Freepik from is licensed under CC BY 3.0 Allen Zuhörern und Zuhörerinnen Zusätzliche Referenzen Brown, Terence A. "Mapping genomes." (2002). Böckenhauer, H. J., & Bongartz, D. (2003). Algorithmische Grundlagen der Bioinformatik: Modelle, Methoden und Komplexität. Springer-Verlag. Welter, D., MacArthur, J., Morales, J., Burdett, T., Hall, P., Junkins, H.,... & Parkinson, H. (2013). The NHGRI GWAS Catalog, a curated resource of SNP-trait associations. Nucleic acids research, 42(D1), D1001-D Juli 2017 Kartierung von Genomen 40