Bioinformatik II: Phylogenetik

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Aufgabe 6: Distanzbasierte Phylogenie: Hierarchisches Clustering. Ulf Leser Wissensmanagement in der Bioinformatik

Transkript:

Bioinformatik II: Phylogenetik

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

Phylogenetische Vergleiche

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

Baum des Lebens Doolittle, W. F. (1999): Science 284, 2124-2128

Busch des Lebens Doolittle, W. F. (1999): Science 284, 2124-2128

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)

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

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

III: Sequenzvergleiche alles mit allem

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

III: Bestimmung aller minimaler COGs

IV: Zusammenführen aller minimaler COGs

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

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

Beispiel eines typischen COGs

Vorhersage funktioneller Verbindungen I: Genfusionen rosetta stone sequence

Vorhersage funktioneller Verbindungen II: Genetische Umgebung

Vorhersage funktioneller Verbindungen II: Genetische Umgebung

Multifunktionales Enzym: Tryptophan Synthase

Vorhersage funktioneller Verbindungen II: Genetische Umgebung

Vorhersage funktioneller Verbindungen II: Genetische Umgebung

Vorhersage funktioneller Verbindungen III: Physikalische Interaktion

Proteine, die mit ras interagieren

Yeast two hybrid screen

Reaktion der β-galaktosidase

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

Phylogenetisches Muster: Tryptophan Biosynthese

Phylogenetisches Muster: Thermophile

Phylogenetisches Muster: thermophilenspezifische Proteine Anzahl der mesophilen Organismen im COG (von 53) Anzahl der thermophilen Organismen im COG (von 13) 13 12 11 10 9 0 1 2 3 4 5 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

Phylogenetisches Muster: COG ranking

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

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

Beispiel I: Archaeae-spezifische COGs

Beispiel I: Ergebnis

Beispiel II: Atmungskette Komplex I Untereinheit 1

Ergebnis: Atmungskettenproteine

Beispiel III: Thermophilenspezifisch

Ergebnis: Thermophilenspezifische Proteine (THEPs)

Vorhersage funktioneller Verbindungen V: Koexpression Expression: Northern Blot

Vorhersage funktioneller Verbindungen V: Koexpression

Microarray I: printing

Microarray III: Auswertung

Vorhersage funktioneller Verbindungen V: Koexpression