Bioinformatik II: Phylogenetik

Transkript

1 Bioinformatik II: Phylogenetik

2 phylogenetisch Phylai: griechische Klans phylum: der Stamm phylogenetisch: die Stammesgeschichte von Lebewesen betreffend Hierarchien der Klassifikation: Domäne: Eukaryonten Reich: Gewebetiere Stamm: Wirbeltiere Klasse: Säugetiere Ordnung: Primaten Familie: Menschenaffen Gattung: Menschen Art: Homo Sapiens

3 Phylogenetische Vergleiche

4 Stammbäume Charles Darwin (1859): The Origin of Species by Means of Natural Selection

5 Baum des Lebens Doolittle, W. F. (1999): Science 284,

6 Busch des Lebens Doolittle, W. F. (1999): Science 284,

7 Orthologe und Paraloge gemeinsamer Vorläufer Genduplikation Organismus -evolution Sequenzevolution Orthologes Gen (Protein hat gleiche Funktion) Paraloges Gen (Protein hat verwandte, aber andere Funktion) Pseudogen (funktionsloses Gen, kein Protein)

8 Die COG-Datenbank COG: cluster of orthologous groups The current method to classify orthologous sequences from different genomes is the construction of COGs Roman Tatusov Eugene Koonin David Lipman

9 Voraussetzung: komplette Genome reverse forward RNA Arcanobacterium haemolyticum GC-content GC-skew

10 III: Sequenzvergleiche alles mit allem

11 II: Ermitteln aller best hits (BeTs) Gene aus Genom 1 BeTs in genome 2 BeTs in genome 1 Genes aus Genom 2

12 III: Bestimmung aller minimaler COGs

13 IV: Zusammenführen aller minimaler COGs

14 V: Trennen von COGs mit Genfusionen Cluster aus Proteinsequenzen Cluster aus Proteindomänen

15 Cluster of orthologous Groups (COG) Proteinsequenzen kategorisiert nach ihrer Funktion

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17 Beispiel eines typischen COGs

18 Vorhersage funktioneller Verbindungen I: Genfusionen rosetta stone sequence

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20 Vorhersage funktioneller Verbindungen II: Genetische Umgebung

21 Vorhersage funktioneller Verbindungen II: Genetische Umgebung

22 Multifunktionales Enzym: Tryptophan Synthase

23 Vorhersage funktioneller Verbindungen II: Genetische Umgebung

24 Vorhersage funktioneller Verbindungen II: Genetische Umgebung

25 Vorhersage funktioneller Verbindungen III: Physikalische Interaktion

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27 Proteine, die mit ras interagieren

28 Yeast two hybrid screen

29 Reaktion der β-galaktosidase

30 Vorhersage funktioneller Verbindungen III: Vorkommen yes yes yes yes yes yes yes yes yes no no yes yes yes no yes no yes no yes no yes no no yes yes yes yes yes yes no no no yes no no

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32 Phylogenetisches Muster: Tryptophan Biosynthese

33 Phylogenetisches Muster: Thermophile

34 Phylogenetisches Muster: thermophilenspezifische Proteine Anzahl der mesophilen Organismen im COG (von 53) Anzahl der thermophilen Organismen im COG (von 13) COG1980 COG1581 COG1350 COG1888 COG1909 COG1110 COG1318 COG1630 COG2250 COG1618 COG3635 COG1355 COG1371 COG2078 COG1144 COG1730 COG1503 COG1820 COG1867 Einzige Zelle, die ohne Ausnahmen analysiert würde

35 Phylogenetisches Muster: COG ranking

36 Phylogenetisches Muster: COG ranking Zuordnung der Organismen entweder zur Gruppe A (A) oder zur gruppe B (B) oder oder zu keiner Gruppe (I) Für jedes COG wird durch die Software ein Spezifitätsindex berechnet. Dies ist ein Maß für die Eigenschaft eines COGs, ausschließlich Proteine aus Organismen der Gruppe A zu enthalten. Alle COGs werden gemäß ihrer Spezifitätsindices gerankt

37 Der Spezifitätsindex wird für jeden COG wie folgt berechnet: Addieren einer Konstanten A für jedes Protein aus einem Organismus der Gruppe A (Belohnung) und Subtraktion einer Konstanten B für jedes Protein aus einem Organismus der Gruppe B (Strafe) wobei A = B = A ges B ges B ges A ges A tot : Anzahl aller Organismen in Gruppe A B tot : Anzahl aller Organismen in Gruppe B Danach werden alle S-Werte auf Werte zwischen 0 und 1 Normalisiert

38 Beispiel I: Archaeae-spezifische COGs

39 Beispiel I: Ergebnis

40 Beispiel II: Atmungskette Komplex I Untereinheit 1

41 Ergebnis: Atmungskettenproteine

42 Beispiel III: Thermophilenspezifisch

43 Ergebnis: Thermophilenspezifische Proteine (THEPs)

44 Vorhersage funktioneller Verbindungen V: Koexpression Expression: Northern Blot

45 Vorhersage funktioneller Verbindungen V: Koexpression

46 Microarray I: printing

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48 Microarray III: Auswertung

49 Vorhersage funktioneller Verbindungen V: Koexpression