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, SS2019
Mathematical 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, SS2019
Systembiology • “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, SS2019
Warum 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, SS2019
Typische 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, SS2019
Kommunikation 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, SS2019
Typische 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, SS2019
Warum 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, SS2019
Grippestämme 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, SS2019
Die 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, SS2019
www.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, SS2019
www.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 Cell
Die 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, SS2019
Das 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, SS2019
Origins 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, SS2019
PLoS One. 2009; 4(7): e6402. Published online 2009 July 28. doi: 10.1371/journal.pone.0006402. Tim Conrad, VL Bioinformatik f. Nebenfächler, SS2019
Wo 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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