Angewandte Bioinformatik: Eine Einführung PDF
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Paul M. Selzer · Richard J. Marhöfer Oliver Koch Angewandte Bioinformatik Eine Einführung Übungs- beispiele 2. Aufl age mit Lösungen AngewandteBioinformatik PaulM.Selzer RichardJ.Marhöfer OliverKoch Angewandte Bioinformatik EineEinführung 2.,überarbeiteteundaktualisierteAuflage PaulM.Selzer OliverKoch BoehringerIngelheimVetmedicaGmbH FakultätfürChemieund IngelheimamRhein,Deutschland ChemischeBiologie TUDortmund RichardJ.Marhöfer Dortmund,Deutschland MSDAnimalHealthInnovationGmbH Schwabenheim,Deutschland ISBN978-3-662-54134-0 ISBN978-3-662-54135-7(eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-54135-7 DiesesLehrbuchwurdebegründetvonPaulM.Selzer,RichardJ.MarhöferundAndreasRohwer. DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie; detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar. SpringerSpektrum ©Springer-VerlagGmbHDeutschland2018 DasWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,dienicht ausdrücklichvomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVer- lags.DasgiltinsbesonderefürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,Mikroverfilmun- genunddieEinspeicherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen. DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerk berechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSin- nederWarenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervon jedermannbenutztwerdendürften. DerVerlag,dieAutorenunddieHerausgebergehendavonaus,dassdieAngabenundInformationen indiesemWerkzumZeitpunktderVeröffentlichungvollständigundkorrektsind.WederderVerlag nochdieAutorenoderdieHerausgeberübernehmen,ausdrücklichoderimplizit,GewährfürdenIn- haltdesWerkes,etwaigeFehleroderÄußerungen.DerVerlagbleibtimHinblickaufgeografische ZuordnungenundGebietsbezeichnungeninveröffentlichtenKartenundInstitutionsadressenneu- tral. GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier SpringerSpektrumistTeilvonSpringerNature DieeingetrageneGesellschaftistSpringer-VerlagGmbHDeutschland DieAnschriftderGesellschaftist:HeidelbergerPlatz3,14197Berlin,Germany V Vorwort DieBioinformatik isteinejunge aufstrebendeWissenschaft,dieEndederachtzi- ger,AnfangderneunzigerJahredesletztenJahrhundertseinenSiegeszugdurchalle LifescienceswieBiologie,Biochemie,Medizin,PharmazieundChemiebegonnen hat.DenErfolgverdanktsieu.a.derrasantverlaufendenEntwicklungimBereich derInformatik unddendamiteinhergehendenHardware-undSoftwareentwick- lungen.DieseKomponentengepaartmiteinersichebenfallsrasantentwickelnden Biotechnologie(Sequenzierung,Microarrays,Proteomiketc.),habendenanhalten- den Bioinformatikboom mit verursacht. Nicht zuletzt war für die Bereitstellung unddie weltweite Verbreitung derbioinformatischen Werkzeuge und Ergebnisse dergleichzeitigeDurchbruchdesWorldWideWebverantwortlich. Heute gehören bioinformatische Techniken wie Sequenzsuchen mit dem BLAST-Algorithmus, paarweise und multiple Sequenzvergleiche, Abfragen bio- logischer Datenbanken, die Erstellung phylogenetischer Untersuchungen und vieles mehr zum täglichen Handwerkszeug eines Naturwissenschaftlers. Dieser TrendsetztsichnachwievorkontinuierlichfortundprägtmaßgeblichdasLeben einesjedenWissenschaftlersderLifesciences.VielederentsprechendenSoftware- produkte haben längst ihre kryptischen Formen verloren, sind sehr intuitiv und benutzerfreundlichgewordenundstehenüberdasInternetjedemWissenschaftler zur Verfügung. Man muss heute kein Informatiker sein, um komplexe, wissen- schaftlicheFragestellungenmitbioinformatischenWerkzeugenzubearbeiten.Man mussjedochdie biologischen Grundlagenverstehen,die Existenzsowie denOrt derVerfügbarkeit derWerkzeugekennenund ihre Handhabung sowiedie Inter- pretationderErgebnissesicherbeherrschen. DievorliegendeumfassendaktualisiertezweiteAuflagediesesBuchsbasiertauf langjährigenLehrveranstaltungenvonProf.Dr.PaulM.SelzeramInterfakultären InstitutfürBiochemiederEberhardKarlsUniversitätTübingensowieaufinterna- tionalenLehrveranstaltungeninvielfachenEU-FP7-undHorizon-2020-Program- men.BisheuteexistiertkeinvergleichbaresArbeitsbuch,dasmitseinenÜbungen undLösungendirektimUnterrichteingesetztwerdenkann.Aufgrunddesgroßen nationalenErfolgsdererstendeutschenAuflage(2004)sowiedesinternationalen ErfolgsdererstenenglischenAuflage(2008)habensichdieAutorendazuentschlos- sen,derzweitenvorliegendendeutschenAuflageeinezweiteenglischeAuflagein naher Zukunft folgen zu lassen. Alle drei Autoren waren gemeinsam in der for- schendenpharmazeutischenIndustrieimBereichderBioinformatikundChemie- informatik tätig und habenaufihren individuellenKarrierewegen weitereFelder derindustriellenundakademischenNaturwissenschaftenerschlossen.DasZieldes Lehrbuchsistes,eineEinführungindietäglicheAnwendungdervielfältigenCom- putational-Biology-Werkzeuge zu geben und gleichzeitig einen ersten Überblick über das mittlerweile sehr komplexe Fachgebiet zu liefern. Es geht jedoch nicht darum,FormelnoderAlgorithmenzubeschreibenodergarherzuleiten,sondern darum,deminteressiertenStudentenundWissenschaftlereinenschnellen,struk- turiertenZugangzurComputationalBiologyzugeben.DeshalbsindProgrammier- VI Vorwort kenntnisseodertiefgehendeInformatikkenntnissefürdasStudiumunddieAnwen- dungdesLehrbuchsnichterforderlich. WichtigeTeilgebietederComputationalBiologywerdenindenjeweiligenKapi- telnvorgestelltunddurchweiterführendeLiteratursowieWWW-Verweiseergänzt. AusführlicheÜbungenundLösungensollendazuanimieren,direktamComputer dieThematikunddenUmgangmitderSoftwarezuerlernen.Wennmöglichsind dieÜbungensogewählt,dassBeispielewieetwaProtein-oderNukleotidsequenzen austauschbarsind.DieserlaubtdemLeser,nachdemerdasPrinzipverstandenhat, auchsolcheArbeitsbeispielezuwählen, dienähermitseinemwissenschaftlichen Interesseverknüpftsind.DirekteTexteingabeninComputerprogrammesinddurch denSchrifttypCourierundEingabendurchdasBetätigenvonSchaltflächensind durcheinekursiveSchreibweisegekennzeichnet.Einabschließendes,ausführliches Glossarsolldabeihelfen,DefinitionenundTerminologienderComputationalBio- logyschnellzuerfassen. Wir danken unserem ehemaligen Kollegen und Mitautor der ersten Auflage HerrnDr.AndreasRohwerfürseineBeiträge,dieüberarbeitetnachwievorinder zweiten Auflagevon Bedeutungsind.FrauChristiane Ehrt und FrauLina Hum- beck–TUDortmund–dankenwirganzbesondersfürdasaufmerksameLektorat unddieaktivePrüfungallerÜbungenundLösungen.FrauDr.SandraNoackdan- kenwirfürdiekonstruktivenDiskussionsbeiträge.FrauStefanieWolfvomSpringer Verlag danken wir für die kontinuierliche Unterstützung bei derUmsetzung der zweitenAuflage. Ingelheim,Worms,DortmundimJanuar2018 VII Der Kreislauf der genetischen Information Die genetische Information wird mit einem 4-Buchstaben-Alphabet gespeichert undinProteineübersetzt,dieihrerseitsdurchein20-Buchstaben-Alphabetcodiert sind. Proteine falten sich zu dreidimensionalen Strukturen, die lebenswichtige FunktionenineinzelligenodermehrzelligenOrganismenausüben.DieseOrganis- menstehenkontinuierlichuntereinemstarkenSelektionsdruck,derwiederumzu VeränderungenindergenetischenInformationführt. IX Titelbild DasTitelbildzeigtdasdreidimensionalemolekulareSzenarioeinesProtein-DNA- Komplexes.DerTranskriptionsaktivator Gal4vonSaccharomycescerevisiaebindet aneinDNA-Oligomer(PDB-ID1D66).DasProteinistalsRibbon-Modelldarge- stellt,wobei˛-HelicesrotundLoop-Regionengelbgezeigtsind.DieSeitenketten derAminosäurensindindenLoop-Bereichennichtdargestellt.FürdasDNA-Oli- gomerwurdedielokaleKrümmungdermolekularenOberflächefarbcodiert,wo- beizunehmendeKrümmungdurchdunklereFarbwerteangezeigtwerden(Brick- mannJ,Exner TE,Keil M,MarhöferRJ[2000] Molecular graphics –trendsand perspectives.JMolMod6:328–340).DieStrukturwurdemiteinerSiliconGraphics Octane2unddemProgrammpaketMOLCAD/Sybyl(TriposInc.)erzeugt(Brick- mannJ,GoetzeT,HeidenW,MoeckelG,Reiling S,Vollhardt H,ZachmannCD [1995]Interactive visualization of molecular scenarioswith MOLCAD/Sybyl.In: BowieJE(Hrsg)Datavisualizationinmolecularscience–toolsforinsightandin- novation.Addison-WesleyPublishingCompanyInc,Reading,Massachusetts,USA, S83–97). XI Eine kurze Historie der Bioinformatik DerersteAlgorithmus zum Vergleichvon Protein- oderDNA-Sequenzen wurde 1970vonNeedlemanundWunschveröffentlicht(s.7Kap.3).DamitistdieDiszi- plinBioinformatiknureinJahrjüngeralsderInternetvorläuferARPANETundein JahrälteralsE-Mail,die1971durchRayTomlinsonerfundenwurde.DerBegriff Bioinformatik wurde jedocherst1978gebräuchlich,alsHogewegihn als„Studi- eninformatischerProzesseinbiologischenSystemen“definierte(Hogeweg[1978] SimulationofCellularForms.InFrontiersinSystemModelling.ZeiglerBP(Ed), Simulation Councils, Inc., S. 90–95). Die Brookhaven Protein Data Bank (PDB) wurdeebenfalls1971gegründet.InderPDBwerdenbisheuteProteinkristallstruk- turengesammelt(s.7Kap.2).ZunächstentwickeltesichdieneueDisziplinrelativ langsam,bis1977dievollständigeGenomsequenzdesBakteriophagen(cid:2)X174ver- öffentlicht wurde (Sanger etal.[1977] Nucleotide sequenceof bacteriophage phi X174DNA.Nature265:687–695).KurzdaraufwurdezumerstenMaldasSoftware- paketIntelliGeneticsSuitezurAnalysevonDNAundProteinsequenzeneingesetzt (1980). Im darauffolgenden Jahr publizierten Smith und Waterman (s. 7Kap.3) einenweiterenAlgorithmusfürdenVergleichvonSequenzenundIBMbrachteden erstenPersonalcomputer(PC)aufdenMarkt.ImJahr1982brachteeinSpin-offder UniversityofWisconsin,dieGeneticsComputerGroup,unterdemNamenWis- consinSuiteeinProgrammpaketzurSequenzanalyseaufdenMarkt.Sowohldieses ProgrammpaketalsauchdieIntelliGeneticsSuitewarenzunächstSammlungenre- lativkleiner,einzelnerProgramme,dieüberdieKommandozeilebedientwurden. SpäterfolgtedanneinegrafischeBenutzeroberflächefürdieWisconsinSuite,was eineeinfachereBedienungermöglichte.WährenddieIntelliGeneticsSuiterelativ baldvomMarktverschwand,wardieWisconsinSuiteunterdemNamenGCGnoch bisindie2000er-Jahrehineinkommerziellerhältlich. Die Veröffentlichung der Polymerasekettenreaktion (PCR) durch Mullis und Mitarbeiter im Jahr 1986 stellt einen Meilenstein für die Molekularbiologie und gleichzeitigfürdieBioinformatik dar(Mullisetal.[1986]Specificenzymaticam- plificationofDNAinvitro:thepolymerasechainreaction.ColdSpringHarbSymp QuantBiol51Pt1:263–273).ImgleichenJahrwurdedieSWISS-Prot-Datenbank gegründet,undThomasRoderickprägtedenBegriffGenomics,womiterdiewis- senschaftliche Disziplin der Sequenzierung und Beschreibung ganzer Genome beschrieb(Kuska[1998]Beer,Bethesda,andbiology: how„genomics“cameinto being.J.Natl.CancerInst90:93).ZweiJahrespäter–1988–wurdedasNational Centerfor Biotechnology Information (NCBI)gegründet.DasNCBIbetreibt bis heuteeinederwichtigstenprimärenDatenbanken (.Abb.1;s.7Kap.2).Imglei- chenJahr startete die Humangenominitiative und der FAST-Algorithmus wurde veröffentlicht(s.7Kap.3).AlsdasCERNimJahr1991dieProtokolleveröffentlich- te,diedasWorldWideWeb(WWW)beschreiben,wurdeeineneueÄraeingeläutet (https://home.cern/topics/birth-web; https://timeline.web.cern.ch/timelines/The- birth-of-the-World-Wide-Web).DasWWWermöglichteeserstmals,bioinforma- tischeWerkzeugezureinfachenBenutzungzurVerfügungzustellen.Gleichwohl dauerteesnocheinigeJahre,bisdiesauchtatsächlichderFallwar.Ebenfalls1991 XII EinekurzeHistoriederBioinformatik o- e cl u N here gle Erste Behandlung von Lungenkrebs mit CRISPR-Cas9-Gensc Epigenomkartevon 127 humanen Gewebetypen und Zellen erstellt 19.000 –20.000 proteincodierende Gene im menschlichen Genom nachgewiesen Science kürt Krebsimmuntherapie als Durchbruch des Jahres Erste klinische Exomsequenzierungzur Re(cid:4)ung eines erkrankten Kindes Erstes Neandertalergenom RNA-Seq; erstes Genom von Krebszellen Nature kürt NGS zur Methode des Jahres NGS –Solexa NGS –Roche 454 H. sapiens offiziellfer(cid:3)ggestellt M. musculus, P. falciparum, A. gambiae „Gapped BLAST“H. sapiens 1. Entwurf S. cerevisieaD. melanogasterH. influenzaedbSNPMicroarrayC. elegans Jahr nBank-DatenbankdesNCBIinVerbindungmiteinigenMeilensteinenderBioinformatik.dbESTExpressedSequenceTagdatabase;dbSNPSinNGSNextGenerationSequencing.(UnterMitwirkungvonDr.QuangHonTran) ffymetrixDNA dbEST klungderGemDatabase; A BLAST Entwicmorphis b.1oly bP eraapnesaB nedrailliM .Atide
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