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TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS20031 Seminarvortrag im Studienschwerpunkt technisch-wissenschaftliche Anwendungen Sommersemester 2003 Prof. Dr. Klement,

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1 TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS20031 Seminarvortrag im Studienschwerpunkt technisch-wissenschaftliche Anwendungen Sommersemester 2003 Prof. Dr. Klement, Prof. Dr. Kneisel Datenbanken in der Bioinformatik Thorsten Denhard FH Giessen-Friedberg, Fachbereich MNI

2 TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS20032 Inhalt Einführung Bioinformatik Genetischer Code Proteine Einsatzgebiete für Datenbanken in der BI Sequenzdatenbanken Dynamische Prozesse, etc. Datenmodellierung und Management Konventionelle DBMS Spezielle Systeme für biologische DBn Datenbank-Retrieval WWW-Schnittstellen Meta-Suchen DB-Pflege und Qualitätssicherung Datenintegration Annotationen

3 TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS20033 Einführung Bioinformatik Fachgebiet im Wandel: von der klassischen hin zur Molekularbiologie Heute erhobene Daten: Gensequenzen, Proteinstrukturen Scharfe, quantifizierbare Größen Große Datenmenge Algorithmen zur Analyse Methoden aus der Informatik immer stärker gefordert

4 TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS20034 Genetischer Code DNS: linearer Doppelstrang Nucleotide: Träger der Information, eine von vier Basen (A,T,C,G) Verbinden sich paarweise Anzahl Basenpaare von ca. 0,172 * 10 6 (Virus) bis 3200 * 10 6 (Mensch) Gen: ein Sequenzabschnitt, der ein Protein codiert

5 TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS20035 Proteine Aufbau Bestehen aus Aminosäuren (20 verschiedene) Lineare unverzweigte Kette Länge: Elemente, im Mittel etwa 200 Gene codieren Proteine Codierungsschema: 3 Nucleotide (Codon) codieren eine Aminosäure Genetischer Standardcode gleich über Artgrenzen Benennung der Aminosäuren: drei oder ein Buchstabe (Glycin: Gly / G)

6 TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS20036 Proteine Hierarchische Struktur Primärstruktur: Abfolge der Aminosäuren, linear Sekundärstruktur: -Helix, -Faltblatt Tertiärstruktur: Faltung d. Sekundärstruktur- elemente im Raum Maßgebend für die Funktionalität des Proteins!

7 TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS20037 Einsatzfelder für Datenbanken Sequenzdatenbanken Protein-Raumstrukturen Evolutionäre Entwicklungen (Phylogenetik) Genexpression (Aktivität von Genen) Stoffwechsel-Vorgänge (Metabolische Pfade) Literaturdatenbanken

8 TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS20038 Sequenzdatenbanken Gene: Nucleotidsequenzen z.B. GenBank, Human Genome DB Proteine: Aminosäuresequenzen z.B. SWISS-PROT Sequenzierung: Codierende Sequenzen identifizieren Analyse: Sequenz-Alignment Ähnlichkeit zw. Sequenzen bestimmen In DB integriert oder separate Prog. Exponentielles Wachstum

9 TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS20039 Proteinstrukturen Strukturdatenbanken z.B. Protein Data Bank (PDB) 3D-Koordinaten aller Atome Zuordnung v. Sekundärstrukturen Rel. wenige Moleküle untersucht Einordnung neuer Sequenzen Homologieansatz: ähnliche Sequenzen ähnliche Struktur Vorhersage der Proteinfaltung wichtiges Forschungsthema!

10 TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS Phylogenetische DBn Verwandtschaftsbeziehungen zwischen Arten Heute auf genetischer Basis Erstellung phylogenetischer Bäume auf dieser Basis Algorithmen, Zugriff auf genetische Daten Archivieren erstellter Bäume in Datenbanken Bsp.: Tree Of Life - DB: WWW-Projekt, ca. 350 teilnehmende Wissenschaftler

11 TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS Bsp.: Tree Of Life - DB

12 TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS Metabolische Pfade Stoffwechsel-Vorgänge in Zellen Codiert als XML-Dokument Über Java-Applet zugänglich Verknüpungen mit z.B. chemischer Datenbank (per Mausklick) Beispiel: KEGG PATHWAY-DB

13 TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS Sonstige Einsatzgebiete Genexpression Genom: statischer Bauplan Aber: Gene sind unterschiedlich aktiv DNA-Chips erlauben Messungen d. Aktivität Große Datenmengen, Analyse z.B. für neue diagnostische u. therapeutische Verfahren Literaturdatenbanken Bsp.: MEDLINE-DB für Medizin und Lebenswissenschaften

14 TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS Modellierung u. Datenmanagement Implementierungsalternativen ASCII-Dateien (Flat Files) 40 % Relationales DBMS 38% Objektorientiertes / objektrelationales DBMS 9 % ACEDB 5 % OPM (Object Protocol Model) 2 % ( Daten von 2001 aus einer Studie von Bry & Kröger )

15 TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS Implementierung: Flat Files ASCII-Dateien noch immer weit verbreitet Zum Datenaustausch u. Analyse de facto Standard Explizite Strukturierung: Tags, erlauben komplexe Strukturen und unvollständige Daten Bsp.: Auszug aus der SWISS-PROT-DB (Proteine) ID PILI_PSEAE STANDARD; PRT; 178 AA. AC P43502; DT 01-NOV-1995 (Rel. 32, Created) DT 01-NOV-1995 (Rel. 32, Last sequence update) DE Protein pilI. GN PILI OR PA0410. OS Pseudomonas aeruginosa. SQ SEQUENCE 178 AA; MW; 634A1A4B135A7E77 CRC64; MSDVQTPFQL LVDIDQRCRR LAAGLPAQQE AVQSWSGIGF [...]

16 TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS Implementierung: relationale DBMS Relationale DBMS in anderen Feldern lange erprobt Für wissenschaftliche Daten nicht optimal Komplexe Struktur führt zu uneinsichtigem Tabellenverbund Administration und Abfragen daher unnötig kompliziert Effiziente Speicherung u. Suche von Sequenzdaten nicht hinreichend untersucht Trotzdem rund 38 % der DBn mit relationalem DBMS

17 TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS Implementierung: ACEDB A C. elegans DataBase Speziell für wissenschaftliches Umfeld entworfen Objektorientiertes Datenmodell, aber: Keine Vererbung möglich Baumstruktur von Objekten u. Attributen Semistrukturierter Ansatz Erlaubt Ausnahmen i.d. Datenstruktur Query-Sprache AQL: SQL-ähnlich, Pfad-Ausdrücke

18 TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS Implementierung: ACEDB Klassendefinition Tags, Objekte, Basistypen, Modifizierer 1:N-Beziehungen problemlos modellierbar Bsp. Abfrage: Alle Co-Autoren in allen Aufsätzen von Hr. Lesk finden ?Author Name UNIQUE Text Paper ?Paper ?Paper Title UNIQUE Text Author ?Author Abstract ?LongText select a->Paper->Author from a in class Author where a->Name like "*lesk*"

19 TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS Implementierung: OPM Object Protocol Model Objektorientiertes Modell mit spezieller Unterstützung für wissenschaftliche Daten/Prozesse Kein DBMS, nur Datenmodell Protokoll-Klassen modellieren Experimente mit Input und Output Tool-Suite zur Modellierung/Benutzung Schema Editor: Erlaubt Transformation in relationale Schemata Browse & Query: Anfragen u. Transaktionen in z.B. SQL umwandeln

20 TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS Datenbank-Retrieval Heterogenität Vielzahl existierender DBn welche enthält relevante Daten? unterschiedliche Abfragearten Ansatz: Meta-Suchen z.B. SRS (Sequence Retrieval System) Zugriff auf ca. 500 DBn Folgt Hypertext-Links in Einträgen Abfrage über WWW-Standardformular oder Query-Language [swissprot-id:acha-human] > prosite > swissprot

21 TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS Datenintegration Akquisition neuer Daten aus anderen DBn Voll- oder semiautomatisch Konflikte möglich, Einteilung in semantische, deskriptive, strukturelle Forschergruppen dürfen Daten einbringen Qualität d. Daten, Validierungsprozess? Übernahme aus der Literatur Meist manuell, arbeitsintensiv

22 TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS Qualitätssicherung Annotationen Meta-Daten, z.B. Literaturreferenzen Verknüpfungen zu anderen Datensätzen Herkunft der Daten, experimentelle Methoden Feature-Tables: biol. Bedeutung v. Sequenzen Neuannotation von Einträgen Macht Datenbestand dynamisch Qualität d. Einträge, Bsp. EMBL-DB ohne Annotation vorläufig ungeprüft Standard Annotationen geben den Daten Bedeutung

23 TWA-Seminar Thorsten Denhard, SS Zusammenfassung Molekularbiologische Daten enorme Schärfe und Quantität oft komplexe Strukturen Datenbanken bewährte DBMS bereits in Verwendung spezielle Ansätze verfügbar, aber noch nicht verbreitet Heterogenität von Datenbeständen Verteiltheit und unterschiedliche Datenhaltung Integration notwendig Informatik-Expertise bei Biologen erforderlich


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