VL Bioinformatik für Nebenfächler - SS2019 Tim Conrad AG Medical Bioinformatics Institut für Mathematik & Informatik, Freie Universität Berlin ...
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VL Bioinformatik für Nebenfächler SS2019 Woche 1 Tim Conrad AG Medical Bioinformatics Institut für Mathematik & Informatik, Freie Universität Berlin
Die Themen heute 1. Team 2. Tutorien 3. Prüfungsleistungen 4. „Was ist Bioinformatik?“ Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019
Das Team
• Tim Conrad
– BSc/MSc Bioinformatik 2000-2005
– Leiter AG „Medical Bioinformatics“
– Email: conrad@math.fu-berlin.de
– Sprechstunde nach Vereinbarung, Arnimallee 6, Raum 137
• Sina Sommer
• Matthias Fischer
• Leon Kerger
Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019
Tutorien
• Inhalte?
• Termine
– Beginnt 22.04.2019
– Räume werden auf Homepage bekannt gegeben
– T2: Dienstag 10-12 (Leon)
– T3: Dienstag 12-14 (Matthias)
– T4: Mittwochs 8-10 (Sina)
– T5: Donnerstag 10-12 (Leon)
Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019
Vorlesung
ABER:
– VL kann auch anderes Material enthalten (z.B. heute).
– Folien werden zeitnah online verfügbar gemacht. Eine
Mitschrift des Folieninhaltes ist nicht nötig.
– Die Folien sind KEIN Skript. Hinzu kommen
Erklärungen, Tafelanschrieb, Beispiele, Hinweise,
Anekdoten, Overheadfolien, …
Gehen Sie in die Vorlesung
und machen Sie sich Notizen.
VL Homepage(s):
• http://www.medicalbioinformatics.de/teaching
• Seite/Gruppe im KVV
Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019
Kriterien zum Bestehen des Kurses: 1. Aktive und regelmäßige Teilnahme an den Übungen: Nachweis durch Erreichen von mind. 50% der Punkte aller Übungszettel (insgesamt, nicht pro Zettel.) 2. Aktive und regelmäßige Teilnahme an der Vorlesung: Nachweis durch Erreichen von mind. 50% der Punkte in der Klausur. Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019
Klausurtermine • 09.07.2019 (letzter VL Termin) • 09.10.2019 (Nachklausur) Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019
Soweit zum Administrativen
Fragen zur „Verwaltung“?
Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019
Was ist Bioinformatik?
• Bioinformatics, n. The science of information and information flow in biological
systems, esp. of the use of computational methods in genetics and genomics.
(Oxford English Dictionary)
• “Research, development, or application of computational tools and approaches for
expanding the use of biological, medical, behavioral or health data, including those
to acquire, store, organize, archive, analyze, or visualize such data.”
(NIH)
• "The mathematical, statistical and computing methods that aim to solve biological
problems using DNA and amino acid sequences and related information.“
(Fredj Tekaia, Institut Pasteur)
• "I do not think all biological computing is bioinformatics, e.g. mathematical
modeling is not bioinformatics, even when connected with biology-related
problems. In my opinion, bioinformatics has to do with management and the
subsequent use of biological information, particular genetic information.“
(Richard Durbin, Sanger Center)
http://www.geocities.com/bioinformaticsweb/definition.html
Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019
Was ist Bioinformatik nicht? • Biologisch-inspirierte (Be)-Rechnungen oder Algorithmen, wie z.B. Genetische Algorithmen (GA) oder Neuronale Netzwerke (NN) • Allerdings: Anwendung von GAs oder NNs, um biologische Probleme zu lösen, kann wieder Bioinformatik sein. Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019
Verwandte Gebiete
• Computational Biology
• Systems Biology
• Mathematical Biology
• Computational Chemistry
• Biophysics
• (Computational) Genomics
• Comparative genomics
• Functional genomics
• (Computational) Proteomics
• Pharmacogenomics, Pharmacogenetics, Pharmacokinetics
• Pharmacoinformatics
• Chemoinformatics
• Biomedical Informatics / Medical Informatics
• Agroinformatics / Agricultural informatics
http://factsfiguiresandmore.blogspot.com/2008/08/definitions-of-fields-related-to.html
Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019Mathematical Biology Mathematical biology “tackles biological problems, but the methods it uses to tackle them need not be numerical and need not be implemented in software or hardware.” Alan Turing Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019
Turing über biologische Komplexität
• “It must be admitted that the biological examples which it has been
possible to give in the present paper are very limited.
• This can be ascribed quite simply to the fact that biological
phenomena are usually very complicated. Taking this in combination
with the relatively elementary mathematics used in this paper one
could hardly expect to find that many observed biological
phenomena would be covered.
• It is thought, however, that the imaginary biological systems which
have been treated, and the principles which have been discussed,
should be of some help in interpreting real biological forms.”
Alan Turing, The Chemical Basis of Morphogenesis, 1952
Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019Systembiology
• “Biologie von Netzwerken”
• Integration verschiedener
Ebenen von Informationen
um zu verstehen, wie
biologische Systeme
funktionieren
Overview of metabolic pathways,
KEGG database,
www.genome.jp/kegg/
Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019Warum ist Bioinformatik wichtig?
• Neue Messmethoden produzieren
riesige Mengen an biologischen Daten
− Es werden neue Techniken zur Datenanalyse gebraucht, um daraus
sinnvolle Informationen zu gewinnen.
− Die typischen Messmethoden produzieren verrauschte Daten, wobei auch
noch viele Werte fehlen.
• Paradigmenwechsel in der Biologie
− Anwendung von Bioinformatik in der Forschung
Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019Typische Fähigkeiten eines Bioinformatikers
• Statistische Methoden der Datenanalyse
• Große Datenmengen
• Viel Rauschen
• Fehlende Werte
• # Attribute >> # Daten Punkte
• Programmiersprachen
• Imperative Sprachen: Java, C/C++
• Skriptsprachen: Python, Perl, Ruby
• Viele Daten-/Textformate: Notwendigkeit für Parser
• Integration von Daten und Tools
• Kenntnis von wissenschaftlichen Programmier-Paketen, -Bibliotheken
• Datenstrukturen, Datenbanken
• Modellierung
• Kommunikationsfähigkeit
• Notwendiges Hintergrundwissen in den notwendigen Disziplinen (Bio, Chemie, Informatik, …)
Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019Kommunikation
Wir wollen herausfinden, was für
Effekte das regulierende Gen x
während Bedingung y hat und wie
sich das auf den Phänotyp des
Organismus auswirkt.
Definieren Sie Eingabe und
Ausgabe des Problems.
Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019Typische Fähigkeiten eines Bioinformatikers
Bioinformatik
• Biologische Sequenzanalyse
• Biologische Datenbanken
Biologie / Medizin • Analyse von
• Grundlagen in Molekular- Expressionsdaten
und Zellbiologie • Modellierung von
• Meßtechniken Proteinstrukturen
• Verständnis von Genen,
Proteinen und metabolischen
Netzwerken
•…
Mathematik / Statistik Informatik
• Analysis • Programmierung
• Lineare Algebra • Datenbanken
• Wahrscheinlichkeits- • Algorithmen
rechnung
Wo wären Sie in diesem Dreieck?
Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019Warum ist Bioinformatik wichtig? Ein Beispiel. Bioinformatik und die Schweine-/Vogel-/Sonstwas-grippe Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019
Schweinegrippe - Grundfakten • Die Virenpartikel werden schnell instabil (Halbwertszeit ein paar Stunden bei Raumtemperatur). • Kaltes und trocknes Wetter lässt den Virus ausserhalb des Körpers länger überleben als bei warmen Wetter. • Einmal infiziert, bricht die Krankheit innerhalb von drei Tagen aus. • Im Menschen infiziert der Es verbreitet sich durch Husten und Niesen. Virus Zellen des Atmungstraktes (Nase, Hals und Lungen). Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019
Virustypen
Influenza A Influenza B Influenza C
Eher milde Infektionen
Schwere Erkrankung und schnelle Verbreitung
21
Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019Grippestämme werden durch Antigene unterschieden
• Grippeviren sind
benannt nach den
Antigenen (Proteinen),
die aus der Virenhülle
“herausragen”
(H)
• Es gibt zwei Antigen
Typen = N und H.
• In verschiedenen Virus-
Stämmensind die
Formen von N und H
verschieden.
• Es gibt 9 bekannte N
(N) und 16 bekannte H
Typen
Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019Die Rolle der Grippe-Antigene
Das N Anti-Gen wird benötigt um Das H Anti-Gen erlaubt dem Virus in
den Virus aus der Wirtszelle die Zelle einzudringen und sich so zu
“herauszu-schneiden”, damit es verbreiten.
sich ausbreiten kann.
Vogel-Grippe H ermöglicht dem Virus
Beim oben gezeigten N ist die “intestinal cells” von Vögeln zu
“cutting site” durch ein infizieren. Menschen-Grippe H
Medikament geblockt. ermöglicht dem Virus menschliche
Lungenzellen zu infizieren.
Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019www.gtac.edu.au/site/bioinformatics
Reassortment
Influenza A infecting a human.
Can spread from human to
human due to H and N proteins
on surface. Influenza A infecting a
chicken. Can occasionally
infect humans but cannot
spread from human to
Pig can become infected easily with bird human due to H and N
flu and/or human flu. Serves as a mixing proteins on surface.
pot!
Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019www.gtac.edu.au/site/bioinformatics
N cuts the links between theH attaches to cell
Virus viruses and the cell surfacesurface
so proteins so
virus particles are free to virus
go can enter cell
Proteins on cell
and infect more cells.
surface
Virus genes are released
into the cell.
The lung cell is ‘tricked’
into using these genes to
make new virus particles.Human Lung CellDie Spanische Grippe von 1918 tötete mehr Menschen als WWI
Die Spanische Grippe Pandemie tötete
weltweit mehr als 40 Millionen Menschen.
Die Virus Antigene unterschieden sich
deutlich von denen, die vorher auftraten.
Daher waren die Menschen nicht
immunisiert und dem Virus schutzlos Das Virus hatte seinen Ursprung in
ausgeliefert. Amerika, und wurde von den in den
Krieg ziehenden Soldaten in der
Welt verteilt.
Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019Das Influenza Genom Das gesamte genetische Material im Virus wird als sein Genom bezeichnet. Das Genom ist in 8 Ribonukleoprotein (RNP) Abschnitte unterteilt. Das genetische Material ist (-)-sense RNA (das ist das Gegenteil von mRNA) http://www.omedon.co.uk/influenza/influenza/ Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019
Influenza hat 8 Gen-Abschnitte
Segment Size Polypeptide Function
(nucleotides)
1 2341 PB2 Subunit of polymerase: Host cap binding and endonuclease
2 2341 PB1 Catalytic subunit of polymerase
3 2233 PA Subunit of polymerase, active in vRNA synthesis
4 1778 HA Haemagglutinin
5 1565 NP Nucleoprotein: Part of transcriptase complex
6 1413 NA Neuraminidase: release of virus
7 1027 M1 Matrix protein: Major component of virion
M2 Integral membrane protein: Ion channel
8 890 NS1 Anti-interferon protein. Effects on cellular RNA transport
NS2 RNP nuclear export
Durch Sequenzierung wurde das Genom entschlüsselt. Mittlerweile
sind auch fast alle Proteine bekannt, die dadurch kodiert werden.
http://www.omedon.co.uk/influenza/influenza/
Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019Origins and evolutionary genomics of the
2009 swine-origin H1N1 influenza A
epidemic
Schattierte Boxen repräsentieren
Wirtsspezies; Vogel (grün), Schwein GJD Smith et al. Nature 459, 1122-1125 (2009)
(rot) and Mensch (blau). doi:10.1038/nature08182
Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019PLoS One. 2009; 4(7): e6402.
Published online 2009 July 28.
doi: 10.1371/journal.pone.0006402.
Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019Wo steckt nun die Bioinformatik? • An vielen Stellen! • Zum Beispiel: – Sequenzvergleiche bzw. „Blasten“ von Sequenzen – Erforschen der Entwicklung des Virus (Phylogenetische Bäume) – Finden der Gene im Virus Genom – Modellierung und Simulation von Proteinen; Drug Design – Auswirkungen auf die verschiedenen Systeme im Menschen
Mehr Informationen im Internet unter medicalbioinformatics.de/teaching Vielen Dank! Tim Conrad Weitere AG Medical Bioinformatics Fragen www.medicalbioinformatics.de
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