Bioinformatik - Oliver Kohlbacher

Bioinformatik
für Biochemiker
Oliver Kohlbacher
WS 2009/2010
1. Einleitung
Abt. Simulation biologischer Systeme
WSI/ZBIT, Eberhard Karls Universität Tübingen
Übersicht
•  Was ist Bioinformatik?
•  Inhalte der Vorlesung
–  Sequenzbasierte Bioinformatik
–  Strukturbasierte Bioinformatik
–  Datenintegration in der Bioinformatik
•  Inhalte der Übungen
•  Empfohlene Literatur
•  Externe Informationsquellen
2
2001 – Das Menschliche Genom
Science (2001), 291 (5507)
Nature (2001), 409 (6822)
http://www.nature.com/nature/journal/v405/n6790/pdf/405983.pdf
The Age of Bioinformatics
Bioinformatics as the
key enabler
BUSINESS BANTER / DR PRAVIN KINI INTERVIEW / ANIL URS
TIMES NEWS NETWORK [ SUNDAY, JANUARY 04, 2004 01:20:14 AM ]
What kind of work is being done in India in the field of
bioinformatics?
Bioinformatics work in India can be primarily divided into
research, products, solutions and services. Institutions like the
Indian Institute of Science (IISc) are conducting research in the
areas such as bio-MEMS and biological databases. Companies such
as CytoGenomics are providing products in highly specialized
areas such as microarray-based gene expression analysis.
Companies like Siri Technologies are providing advanced solutions
in the area of cancer diagnostics, by building complex 3D imaging
products and computer-assisted therapeutics. Companies like
Wipro BioMedical are providing custom services in the informatics
space.
[…]
Where does the Indian bioinformatics stand in terms of work
done?
Bioinformatics in India is one of the foremost sunrise industries
today. Bioinformatics encompasses a wide spectrum, ranging from
drug discovery research to clinical medicine. With the year 2004
being touted globally as the year of bioinformatics product
companies, India is well poised to be a serious player in the
international arena.
http://www.welt.de/daten/2001/02/13/0213ws222324.htx
http://economictimes.indiatimes.com/articleshow/msid-403376,prtpage-1.cms
Bioinformatik – Definition
Bioinformatik verwendet Methoden der
Mathematik, Statistik und Informatik
zur Analyse und Interpretation von
biologischen, biochemischen und
biophysikalischen Daten.
Bioinformatik – eine eigene Disziplin?
Mathematik,
Informatik
Lebenswissenschaften
Physik,
Chemie
Bioinformatik – Gebiete
•  Sequenzbasierte Bioinformatik
– 
– 
– 
– 
Genomassemblierung
Sequenzsuche/-vergleich
Comparative Genomics
....
•  Strukturelle Bioinformatik
–  Proteinstrukturvorhersage
–  Wirkstoffentwurf () Chemoinformatik)
–  ...
•  Biologische Informationssyteme
–  Datenintegration und biologische Datenbanksysteme
–  Modellierung biologischer Daten
–  …
•  Systembiologie
– 
– 
– 
– 
•  ...
Computational Proteomics
Metabolomics
Biologische Netzwerke
…
Worum geht es in dieser Vorlesung?
•  Theoretische Grundlagen
–  Überblick über die Bioinformatik
–  Ausgewählte Kapitel aus Sequenzanalyse und
Strukturbioinformatik
–  Einige Grundbegriffe der Informatik
•  Praktische Anwendung
–  Werkzeuge
–  Benutzung
–  Interpretation der Ergebnisse
•  Rechnerbedienung, Programmierung
–  Überblick und Grundlagen
–  Grundlagen von Python
–  Anwendungen zum Skripting, einfache Applikationen
Worum geht es hier NICHT?
•  Benutzung von Werkzeugen als „Black
Boxes“
•  Fertige „Rezepte“ zur Anwendung
•  Programmierkurs
•  Einführung in die Informatik
Inhalte
•  Einleitung und Überblick (heute)
•  Sequenzanalyse
– 
– 
– 
– 
– 
Strings, Sequenzen und Alignments
Dynamische Programmierung, Komplexität
Multiples Alignment
Software-Tools, Datenbanken
Phylogenien
•  Strukturbioinformatik
– 
– 
– 
– 
Proteinstruktur-Datenbanken
Sekundärstrukturvorhersage
Threading und Homologiemodellierung
Ab-initio Vorhersage
Strings und Sequenzen
•  Formale Definitionen
•  Sequenzdatenbanken
•  Einige Grundbegriffe
der Informatik
•  Alignments
–  Definition
–  Distanzfunktionen
–  Dotplots
Alignment mit Dyn. Programmierung
•  Alignmentalgorithmen
–  Trivial
–  Dyn. Programmierung
•  Scoringmatrizen
•  Begriff der Komplexität
•  Implementierung
•  Tools
–  Alignments
–  Dotplots
Merkl, Waack, Bioinformatik interaktiv
Sequenzdatenbanken und -suche
•  Sequenzdatenbanken
–  NCBI
–  Swiss-Prot
•  BLAST
–  Algorithmus
–  Parameter
–  Ausgabe
•  Werkzeuge
–  BLAST
–  BioPython
–  EMBOSS
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Genbank/genbankstats.html
Sequenzdatenbanken und -suche
•  Sequenzdatenbanken
–  NCBI
–  SWISS-Prot
•  BLAST
–  Algorithmus
–  Parameter
–  Ausgabe
•  Werkzeuge
–  BLAST
–  BioPython
–  EMBOSS
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Database/index.html
Multiple Alignments
•  Definition
•  Optimalität
–  Mathematisch
–  Biologisch
•  Heuristiken und
Approximationen
•  Tools
–  ClustalW
–  T-COFFEE
www.biomedcentral.com/ 1471-2105/4/47/figure/F8
Phylogenien
•  Interpretation
phylogenetischer
Bäume und
Netzwerke
•  Zugrunde liegende
Modelle
•  Algorithmen
•  Software-Tools
Proteinstrukturen
•  Visualisierung von
Strukturen
•  Strukturdatenbanken
–  PDB
–  CATH, SCOP
•  Dateiformate
Sekundärstrukturvorhersage
•  Nichtlokalität der
Sekundärstrukturvorhersage
•  Qualitätsmaße
•  Einfache Ansätze
KVYGRCELAAAMKRLGLDNYRGYSLGNWVC
AAKFESNFNTHATNRNTDGSTDYGILQINS
RWWCNDGRTPGSKNLCNIPCSALLSSDITA
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–  Chou-Fasman
–  GOR
•  Stand der Technik
–  PHD
–  CASP6
H1
H2
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1
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A
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2
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5
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10
15
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3
20
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4
25
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3
30
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35
40
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45
H5
50
H6
4
55
`
60
a H7
2
RWWCNDGR T P G S KN L CN I P C S A L L S S D I T A S VNCAKK I A S GGNGMNAWVAWRNR CKG T DV
65
`
70
75
80
1
HAW I RGC R L
125
Residue interactions:-
with ligand
85
90
95
100
105
110
115
120
1lzy
Threading, Homologiemodellierung
•  Begriffe
•  Threading
–  Paarpotenziale
–  Kontaktpotenziale
–  Komplexität
•  Homologiemodellierung
–  Seitenketten
–  Loops
•  Werkzeuge
–  123D
–  SWISS-Model
Ab-Initio-Strukturvorhersage
•  Modelle und
Algorithmen
•  ROSETTA
–  Algorithmus
–  Qualität der
Vorhersage
•  Stand der Technik
–  Wie geht man vor?
–  Wie gut sind die
Ergebnisse?
Empfohlene Software
•  Python und BioPython
–  Python: sehr leicht erlernbare, objekt-orientierte
Skriptsprache
–  BioPython: Erweiterung von Python für
Bioinformatik-Anwendungen
•  Verfügbarkeit
–  Für alle Betriebssysteme
–  Download von
www.python.org
www.biopython.org
–  Auf den Pool-Rechnern bereits vorinstalliert
Empfohlene Software
BALLView: Molecular-Modeling-Werkzeug
(Download von unserer Website, im Pool installiert)
www.ballview.org
Ablauf
•  Übungen in drei Gruppen im PCI-Schulungsraum (425C,
2. OG)
•  Mögliche Termine
–  Mo, 08:00 - 09:00 und 9:00 – 10:00
–  Di, 08:00 – 09:00 oder 09:00 – 10:00 (VL 8:15 – 9:00)
–  Do, 08:00 - 09:00 und 9:00 – 10:00
(Bitte am Ende der Vorlesung in Liste eintragen, zu welchen
Terminen Sie NICHT können!)
•  Einteilung in Übungsgruppen wird bekannt gegeben
•  Wir geben jeweils Übungsblätter aus, die Übungen
werden während der Übungszeit abgearbeitet
•  Keine schriftliche Abgabe notwendig
•  Bewahren Sie die Übungsblätter zum Nachschlagen auf
und bringen Sie sie zu den Übungen mit!
Übungen – diese Woche
•  Übungen beginnen DONNERSTAG!
•  Übungstermine in dieser Woche
–  Mo,
–  Mo,
–  Di,
–  Do,
8:00
9:00
8:00
8:00
–
–
–
–
9:00
10:00
9:00
9:00
Scheinkriterien
•  Nicht benotet
•  Voraussetzung
–  Anwesenheit bei Übungen (bestätigt durch
Unterschrift, Fehlen maximal bei zwei
Übungen, ärztliches Attest notwendig)
–  Aktive Mitarbeit während der Übungen
–  Mindestens 50% der Übungsaufgaben
erfolgreich bearbeitet
Literatur
Merkl, Waack:
Bioinformatik
Interaktiv,
Wiley, 2002
Übersichtliche, nicht
sehr tief gehende
Einführung.
(79 €)
Literatur
Setubal, Meidanis:
Introduction to
Computational
Molecular Biology,
PWS Pub. Co., 1997
Sehr gute, leider nicht
mehr ganz aktuelle
Einführung.
(86 €)
Literatur
Zvelebil, Baum:
Understanding
Bioinformatics
Taylor & Francis Ltd.,
2006
Leicht verständliche
Übersicht über
wesentliche Gebiete
der Bioinformatik.
(60 €)
Literatur
Mount: Bioinformatics –
Sequence and Genome
Analysis,Cold Spring
Harbor Lab Press, 2001
Sehr umfassendes
Lehrbuch über
Sequenzbioinformatik.
(75 €)
Literatur
Andrew Leach: Molecular
Modeling. Principles and
Applications, Prentice
Hall, 2nd ed., 2001
Sehr guter Überblick
über Grundlagen im
Bereich Molecular
Modeling und einige
Bereiche der
Strukturbioinformatik.
(80€)
Zusätzliche Resourcen
•  Python
–  Tutorial auf unserer Website
–  Tutorial und Doku auf www.python.org
–  Tutorial und Doku auf www.biopython.org
–  Tutorial am “Python for Biologists” am Institut
Pasteur: http://www.pasteur.fr/formation/
infobio/python/
Zusätzliche Resourcen
•  Lehrbücher sind auch im Semesterapparat der
Bibliothek zu finden (Sand 14, 1. OG)
•  Auf unserer Website finden sie außerdem
–  Vorlesungsbezogene Papers zum Download
–  Vorlesungsfolien (in der Regel einige Tage vor der
Vorlesung)
–  Übungsblätter
–  Links zu relevanten Websites
–  URL
http://www-bs.informatik.uni-tuebingen.de/Teaching/WS2009/BIBC/
Weiterführende Vorlesungen
•  Vorlesung Informatik I (BSc, WS)
•  Vorlesung Grundlagen Bioinformatik (BSc, SS)
•  Vorlesung Drug Design 1 (MSc, SS)
•  Vorlesung Proteinstruktur und –modellierung (MSc, WS)
•  Vorlesung Computational Immunomics (MSc, WS)
•  Praktikum Structure-Based Drug Design (MSc, WS+SS)
•  Praktikum Datenintegration (MSc, WS+SS)
Kontakt
•  Website
http://www-bs.informatik.uni-tuebingen.de/Teaching
•  Bei Fragen zu Vorlesung/Übungen
[email protected]
•  Sprechstunde
Do 15-17, Sand 14, C317 (2. Stock)
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