Kapitel 4: Genom-Datenbanken
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- Berndt Böhler
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1 Kapitel 4: Genom-Datenbanken n Nukleotidsequenz-Datenbanken Ausgangsproblematik Beispieldatenbanken n Kartierungs-Datenbanken Genomkarten Beispieldatenbanken n Genexpressions-Datenbanken Ausgangsproblematik Beispieldatenbanken Projekt GeWare, Universität Leipzig (E. Rahm et al.): Data warehouse design and implementation to support gene expression analysis Nukleotidsequenz: Rohdaten n Daten über den Sequenzierprozess Geräterohdaten (Spektren, Sequenzen) Benutzte Programme Labordaten (Maschinen, Personal, Datum,...) n NCBI Trace File Archive n Viele Sequenzier-Center Sanger University of Washington Celera... (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-1 (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-2 Sequenzdaten n Technische Herkunft: Wer, wann, wie, Methode,... n Biologische Herkunft: Clone, Organismus, Linie,... n Literaturreferenzen n Fehlerraten n Sequenz als Kerninformation n Informationen (Features) zu Sequenzteilen Location: Start -Ende, Genau -Ungenau Key: CDS (Coding Sequence(s)), Repeat, RNA-Strukturen, homologe Sequenzen, Marker, Exon/ Intron Boundaries, Funktion, Motiv, Polymorphismus,... Qualifier: Ergänzungen, z.b. kodiertes Protein, Regulationsmechanismen,... Nukleotidsequenz-Datenbanken: Beispiel-Datenbanken n European Molecular Biology Laboratory (EMBL) am European Bioinformatics Institute (EBI) n Los Alamos National Laboratory seit 1979; GenBank am NCBI (National Center f Biotech. Information) n DNA Data Bank of Japan: 1986; DDBJ am NIG (National Inst. of Genetics) n Zusammenschluss in der "International Nucleotide Sequence Database Collaboration" (seit 1988) Täglicher Datenaustausch Lokale Datenbank jeweils verantwortlich für eingebrachte Sequenzen (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-3 (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-4
2 EMBL-Datenbank n Erste (seit 1982) und derzeit größte europäische DNA-Sequenzdatenbank (am European Molecular Biology Laboratory in Hinxton, England) * n Datenquellen Lokale Forschergruppen Überregionale Sequezierungsprojekte n Verfügbarkeit (als vierteljährlich publizierte Releases) Flatfile SRS (Sequence Retrieval System mit proprietärem EBML- Format) XML (BSML = Bioinformatic Sequence Markup Language) Oracle Dump Files EMBL Heidelberg Hamburg Grenoble Monterotondo Hinxton European Bioinformatics Institute EBI Service Programme EBI Research Programme EBI Industry Programme n Release 76 (Sep. 2003) n Stand Nov ,389,602,205 Basen in 32,049,770 Records Über Spezies vertreten EMBL: Größe (Gigabase = 10 9 Basen) * (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-5 (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-6 EMBL: Spezies (Verteilung) EMBL: Spezies (Beispiele) (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-7 (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-8
3 EMBL: Beispieleintrag (Entry-Model) EMBL: UML-Modell (Ausschnitt) Global identifier Accession id Local identifier & version Description: free Keyword: free Taxonomy: ctrl! References: redundant X-Ref: free Comment: free Feature: partly ctrl Sequence ID HSIGHAF standard; RNA; HUM; 1089 BP. AC J00231; NI g DT 17-DEC-1994 (Rel. 42, Last updated, Version 6) DE Human Ig gamma3 heavy chain disease OMM protein mrna. KW C-region; gamma heavy chain disease protein; OC Eukaryota; Metazoa; Chordata; Vertebrata; Mammalia; Eutheria; Primates; RN [1] RP RX MEDLINE; DR GDB; ; IGHG3. DR GDB; G CC The protein isolated from patient OMM is a gamma heavy chain FH FT CDS FT /codon_start=1 FT " SQ Sequence 1089 BP; 240 A; 358 C; 271 G; 176 T; 44 other; CCTGGACCTC CTGTGCAAGA ACATGAAACA NCTGTGGTTC TTCCTTCTCC TGGTGGCAGC 60 TCCCAGATGG GTCCTGTCCC AGGTGCACCT GCAGGAGTCG GGCCCAGGAC TGGGGAAGCC (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-9 (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-10 EMBL: Architektur EMBL: E-Service-Architektur UDDI Broker Find Deploy Web Service Requester SOAP Bind WSDL Web Service Provider (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-11 (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-12
4 EMBL: Sequence Retrieval System GenBank Clients WWWServer Automated Analysis Data Viewers n NCBI-Datenbank n Derzeit (Nov. 2003) über 20 * 10 9 Basen Wrappers C++ Java CORBA Python Perl n Modell in ASN.1 n Zugriff über "Entrez" Meta-Level Icarus Databanks Applications Object Loaders Viewer adapters Ähnlich SRS bei EBML Keine Joins SRS core "Neighbours" "Related Documents" Click-And-Browse Resources DBMS Flat File XML Blast Clustal (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-13 (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-14 GenBank: Beispieleintrag Weitere Nukleotid-Datenbanken n UniGene, dbest, RZPD,... n Vielzahl von Datenbanken für spezifische Aspekte Organismen (Hefe, Fliege, Maus, HIV,...) Ribosomen, Immunsystem Motifs: Transskriptionsfaktoren, Promotoren,... n Terminologie-Datenbanken GeneOntology (> 7000 Begriffe: Funktion, Prozess, Zelllokation) NCBI TaxonomyDatabase ( Organismen) (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-15 (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-16
5 n Motivation n The Genome Database (GDB) n egenome Kartierungs-Datenbanken Motivation n Bestimmung der Gen-Loci: Welches Gen liegt an welcher Position (in welchen Modifikationen) auf welchem Chromosom? n Medizinische Relevanz: Numerische und strukturelle Chromosomen-Abberationen, Lokalisation von medizinisch relevanten Punktmutationen n LocusLink n dbsnp (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-17 (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-18 Gen-Loci OMG Standard für Genome Maps n Gen-Locus: Ein "Ort" auf einem Chromosom n Enthält z.b. Gene oder Genfragmente DNA-Marker (Eindeutige Gen-identifizierende Sequenzen mit durchschnittlicher Länge von Basenpaare) Polymorphe Strukturen (Unterschiedliche Allele vorhanden) Telomer p der kurze Arm Centromere q der lange Arm 1..1 MapElement positionprecision mappedobj onmap 1..* Point Marker crossreferences 0..* Mappable MapObject species database chromosome name type id getmaps() Segment length unit Map Clone getnrofelements() getallelements() getrangebetweenobjects() getelementsinsegment() 1..1 Telomer IntervalPosition PointPosition RangePosition leftend frameworkelement leftflankingobj rightend position rightflankingobj OrderedPosition VaguePosition rank LinearMap maxcoordinate mincoordinate getscalarrange() getaround() Bin CytogeneticElement rank getsuperelement() getsubelements() getsiblings() (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-19 (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-20
6 Genome Database: GDB GDB: Interface n Jahrelang Standarddatenbank für Kartierungs-Daten des Humane Genome Projects n Anzahl Objekte Gene mit Position DNA-Marker n Verfahren der Integration Submission-based Idee der "Community Curation" Chromosome Editors n Implementierung OPM, Sybase OPM-Datenschema mit ca. 75 Klassen Sybase-Implementierung mit ca. 140 Tabellen (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-21 (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-22 GDB: MapViewer GDB: Bewertung n Sehr technisch orientiert n Modell ähnlich zu OMG-Standard (OPM) n Komplizierte Search-Forms kaum benutzt n Community Curation kaum benutzt n Relativ langsam (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-23 (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-24
7 n Kartierungsdatenbank egenome egenome: Beispiel n Z.Z. mehr als DNA-Marker (Nov. 2003) n Technische Realisierung Abpspeicherung der Daten in CompDB, einer Oracle-Datenbank Export als Flatfiles verfügbar (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-25 (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-26 egenome: Beispiel (2) LocusLink [ n Repository von Genen und "some non Genes" Vielfältige Informationen über Position hinaus Proteine, Funktionen, RNA, Phänotypen, Gene n Technische Implementierung NCBI: Entrez Search Interface Tab-delimited Files (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-27 (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-28
8 LocusLink: Integrationsworkflow n Mischung aus manueller und automatischer Bearbeitung n Objektstatus: Provisional - Reviewed n Kein Releasekonzept, keine Versionierung dbsnp n Single Nucleotide Polymorphism Database * n SNP ("snip"): Kleinste genetische Variation auf dem Level einer einzelnen Base Beispiel: Variation des DNA-Segments von AAGGTTA zu ATGGTTA Ca SNP s im menschlichen Genom Viele SNP s ohne phänotypische Auswirkung n Bestimmte SNPs führen aber zu veränderten Stoffwechselkompetenz ihrer Träger Allergische Reaktionen Langsamerer Abbau von Medikamenten Prädisposition für bestimmte Krankheiten n Zielsetzung von dbsnp: Speicherung aller bekannten "snips", ihrer Genlokalisationen und ggf. medizinischen Relevanz * (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-29 (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-30 dbsnp: E/R-Modell (Auszug) dbsnp: Beispiel (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-31 (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-32
9 dbsnp: Beispiel (2) dbsnp: Beispiel (3) (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-33 (C) Prof. R. Müller, Prof. E. Rahm 4-34
Kapitel 4: Genom-Datenbanken
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