Datenbanken in der Bioinformatik

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1 Datenbanken in der Bioinformatik Kapitel 1 Grundlagen Institut für Informatik Vorläufiges Inhaltsverzeichnis 1. Grundlagen 2. Klassifizierung von BioDB, Überblick 3. Spezialanwendungen 4. Datenmodelle und Anfragesprachen 5. Modellierungsalternativen 6. Versionierung von Datenbeständen 7. Annotationskonzept 8. Datenintegration: Ansätze und Systeme 9. Matching: Ontologien, Schema, Objekte 10. Scientific Computing 1

2 Lernziele Überblick zu den wichtigsten biomedizinischen Begriffen und deren Zusammenhang Entitäten: Spezies, Gen, DNA, RNA, Protein Prozesse: Transkription und Translation Entstehende Daten und deren Verwendung in der Bioinformatik Gliederung Spezies und Organismus Genom und molekular-biologiche Grundlagen Proteine Transkription und Translation Stoffwechsel 2

3 Taxonomie der Spezies Verschiedene Definitionen Spezies: Klasse von Organismen, die einen einheitlichen "Genpool" besitzen Fuzzy: "einheitlich"! Exakte Abgrenzung unter kontroverser Diskussion Hierarchische Ordnung von Spezies Ebenen der Ordnung, spezifischen Begriffen Entdeckung und Einordnung Erst Beschreibung, dann Namenszuordnung Heute: Überprüfung anhand genetischer Merkmale Neuordnung Übergroße Anzahl an Spezies Mio (identifiziert+unindentifiziert) Bildquelle: Wikipedia Tree of Life Systematische Ordnung anhand von Pfade im Baum Innere Knoten = zeitliche Auftrennung einer Spezies in Unterarten Länge der Äste = evolutionären Distanzen Bildquelle: 3

4 Zellen als kleinste funktionelle Einheit Organismus besteht aus Zelle(n) Unterteilung in Prokaryoten & Eukaryoten Bildquelle: Von der Zelle zur DNA G ATGC TACG T C A 4

5 Genom: Chromosome Humanes Genom 46 Chromosome (23 Paare) Ca. drei Milliarden Basenpaare Verteilung von Genen und Basenanzahl pro Chromosom (aktuelle Datenlage) Bildquelle: Genome verschiedener Spezies Anzahl der Gene 100% ~ % ~ ~ > 95% 100% ~ % ~ ~ > 80% 100% 100% = vollständig? 5

6 Genom: Nukleinsäuren (DNA, RNA) DNA (DNS): Desoxyribonucleinacid (... säure) RNA (RNS): Ribonucleinacid (... säure) Endgültige Strukturaufschlüsselung der DNA durch Watson & Crick 1953 (nach Vorarbeiten von Chargaff und Wilkins & Franklin), 1962 Nobelpreis Feste Basenpaare DNA: A-T, G-C RNA: A-U, G-C Universaler Codierungs- Mechanismus in allen Spezies A T C G U Nucleobasen (Purine, Pyrimidine) Zucker (Desoxyribose) Phosphat Zucker (Ribose) Genom: Gen Keine abschließend geklärte Definition für "Gen" Allgemein: Gene sind Einheiten in der DNA, die Vererbungsinformation tragen "locatable region of genomic sequence, corresponding to a unit of inheritance, which is associated with regulatory regions, transcribed regions, and or other functional sequence regions" [Pearson, 2006, Nature] Typische Charakteristik ca Basenpaare lang ca Gene im humanen Genom nur ca. 28% des Genoms beinhalten Gene (also sogenannte Coding Sequence(s) - CDS) 6

7 Proteine Zentrale Elemente des Stoffwechsels (als Enzyme) Produkt eines oder mehrerer Gene nach Transkription und Translation Lineare Abfolge von Aminosäuren Sequenzierung eines Proteins am Stück schwierig (bereits Länge von 20 Aminosäuren nicht-trivial), daher oft Sequenzierung des zugehörigen Gens Proteine: Aminosäuren Grundlegende Struktureinheiten von Proteinen 20 Aminosäuren Bildung aus RNA in Translation Codon: Abfolge von 3 Nucleotiden Start und Stop-Codons Anzahl Kombinationen: 4 3 =64 Stärkere Gewichtung der ersten beiden Nucleotide im Codon Unterschiedliche Häufigkeit von Codons pro Aminosäure Bildquelle: 7

8 Proteine: Struktur Verschiedene Strukturebenen: Primär-... Quartärstruktur Primärstruktur: Aminosäuresequenz (1D) Sekundärstruktur: Faltung und Helixbildung in 2D Tertiärstruktur: räumliche Anordnung der Sek.-stru. Quartärstruktur: Bindung zwischen Proteinen Proteinkomplexen Goldene Regel der Molekulargenetik Umsetzung der genetischen Informationen Gen Transkription Translation 8

9 Transkription Übertragung eines DNA Abschnitts in RNA Aufspaltung der Doppelhelix unter Nutzung der "Polymerase Chain Reaction" (PCR) Erstellung der cdna und gleichzeitige Paarung mit DNA Abschnitt Nutzung der cdna zur Erstellung eines komplementären Abschnittes Kopie zur Ausgangs-DNA Erstellung pre-mrna und mrna Nucleotide A, C, G werden unverändert überschrieben Nutzung des Nucleotids U (Uracil) statt T (Thymin) Zucker: Ribose statt Desoxyribose Splicing Splicing: Entfernen (Spleißen) von Stücken, die keine Erbinformation tragen (Introns), aus der Boten-RNS (mrns) Zusammensetzung der codierenden Teile (Exons) zu sogenannter reifer Boten-RNS (mature messenger RNA) 9

10 Translation mrna enthält genetische Information über den Aufbau eines Proteins und wird vom Zellkern zum Ribosom transportiert Proteinsynthese in den Ribosomen Verwendung der mrna sowie weiterer RNA-Arten, z.b. trna und weitere Unterarten Condon-weise Umsetzung in Aminosäuren Proteom/Proteomik Mutation Unterschiedlichkeit der Organismen innerhalb einer Spezies, z.b. Hauttyp, Haarfarbe Einfluss auf die Transkription & Translation und damit auf die Proteinbildung erblich bedingte Krankheitsmerkmale Unterschiedliche Typen: Substitution, Deletion, Insertion Veränderung des Leserahmens bei I & D Punktmutation vs. Intervallmutation Single Nucleotide Polymorphism (SNP) Mutation ganzer Bereiche, z.b. Trisonomie 21 10

11 Phänotyp vs. Genotyp Stammbaumanalyse: Analyse der auf Verwandtschaft beruhende genetischen Beziehungen zwischen Individuen Phänotyp: beobachtetes Merkmal für einen Organismus (Haarfarbe, Blutgruppe, ) Genotyp: einem Phänotyp zugrunde liegende genetische Information Allele: unterschiedliche Formen der genetischen Info Diploide Organismen: bei 2 Allelen 3 Formen Heterozygoter Zustand: dominant Nur homozygoter Zustand: rezessiv Stoffwechsel Gesamtheit aller für einen Organismus notwendigen biochemischen Umwandlungsprozesse Hauptsteuerung durch als Enzyme (Katalysatoren) agierende Proteine Pathway: Folge von biochemischen Reaktionen (meist einer oder mehreren Funktion(en) im Organismus zugeordnet) Grobeinteilung der Pathways in Stoffwechselwege (metabolic pathways) Regulatorische Pfade (regulatory pathways) 11

12 Stoffwechsel: Metabolische Netzwerke Metabolismus: Gesamtheit aller lebensnotwendigen biochemischen Vorgänge beim Aufbau, Abbau und Umbau eines Organismus sowie seinem Austausch mit der Umwelt 2 grundlegende Stoffwechselvorgänge Assimilation/Anabolismus (z.b. Photosynthese) Dissimilation/Katabolismus (z.b. Atmung, Gärung) Beispiel Glykolyse Stoffwechsel: Regulatorische Netzwerke Regulation der Genexpression (genetic networks, genetic-regulatory pathways) Signalwege (signalling pathways, signaltransduction cascades) Beispiel: p53-signalweg Funktion: Terminieren des Zellzyklus im Falle von beschädigter DNA p53 mutiert in fast allen Tumoren vorhanden 12

13 Zusammenfassung Spezies und Organismus Genom, Proteine DNA, RNA Transkription und Translation Stoffwechsel Noch Fragen? 13