10.07.2003 Proseminar „Visualisierung in der Bioinformatik“ Sommersemester 2003 Betreuer: Jens Barthelmes Autoren: Nikolaus Jeremic, Birger Krug Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main Visualisierung von RNA- Visualisierung von RNA- Sekundärstrukturen Sekundärstrukturen Prof. Dr. D. Krömker
49
Embed
10.07.2003 Proseminar Visualisierung in der Bioinformatik Sommersemester 2003 Betreuer: Jens Barthelmes Autoren: Nikolaus Jeremic, Birger Krug Johann Wolfgang.
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
10.07.2003
Proseminar „Visualisierung in der Bioinformatik“
Sommersemester 2003
Betreuer: Jens BarthelmesAutoren: Nikolaus Jeremic, Birger Krug
Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main
Visualisierung von RNA-Visualisierung von RNA-SekundärstrukturenSekundärstrukturen
Prof. Dr. D. Krömker
10.07.2003 02/49Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur
Nikolaus Jeremic & Birger Krug
Gliederung
1. Einleitung
1.1 RNA und RNA-Sekundärstruktur1.2 Strukturelle Elemente und Pseudoknoten1.3 Biologische Bedeutung der RNA-Sekundärstruktur
2. Techniken zur Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur
2.1 Vorhersage der RNA-Sekundärstruktur 2.2 Repräsentation der RNA-Sekundärstruktur 2.3 Darstellung der H-Typ Pseudoknoten
3. Lösungen zur Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur
3.1 RnaViz23.2 PseudoViewer3.3 Vergleich der beiden Programme
4. Zusammenfassung
5. Ausblick
10.07.2003 03/49Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur
Nikolaus Jeremic & Birger Krug
Gliederung
1. Einleitung
1.1 RNA und RNA-Sekundärstruktur1.2 Strukturelle Elemente und Pseudoknoten1.3 Biologische Bedeutung der RNA-Sekundärstruktur
2. Techniken zur Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur
2.1 Vorhersage der RNA-Sekundärstruktur 2.2 Repräsentation der RNA-Sekundärstruktur2.3 Darstellung der H-Typ Pseudoknoten
3. Lösungen zur Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur
3.1 RnaViz23.2 PseudoViewer3.3 Vergleich der beiden Programme
4. Zusammenfassung
5. Ausblick
10.07.2003 04/49Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur
Nikolaus Jeremic & Birger Krug
Gliederung
1. Einleitung
1.1 RNA und RNA-Sekundärstruktur1.2 Strukturelle Elemente und Pseudoknoten1.3 Biologische Bedeutung der RNA-Sekundärstruktur
2. Techniken zur Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur
2.1 Vorhersage der RNA-Sekundärstruktur2.2 Repräsentation der RNA-Sekundärstruktur2.3 Darstellung der H-Typ Pseudoknoten
3. Lösungen zur Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur
3.1 RnaViz23.2 PseudoViewer3.3 Vergleich der beiden Programme
4. Zusammenfassung
5. Ausblick
10.07.2003 05/49Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur
Nikolaus Jeremic & Birger Krug
Gliederung
1. Einleitung
1.1 RNA und RNA-Sekundärstruktur1.2 Strukturelle Elemente und Pseudoknoten1.3 Biologische Bedeutung der RNA-Sekundärstruktur
2. Techniken zur Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur
2.1 Vorhersage der RNA-Sekundärstruktur2.2 Repräsentation der RNA-Sekundärstruktur2.3 Darstellung der H-Typ Pseudoknoten
3. Lösungen zur Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur
3.1 RnaViz23.2 PseudoViewer3.3 Vergleich der beiden Programme
4. Zusammenfassung
5. Ausblick
10.07.2003 06/49Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur
Nikolaus Jeremic & Birger Krug
Gliederung
1. Einleitung
1.1 RNA und RNA-Sekundärstruktur1.2 Strukturelle Elemente und Pseudoknoten1.3 Biologische Bedeutung der RNA-Sekundärstruktur
2. Techniken zur Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur
2.1 Vorhersage der RNA-Sekundärstruktur2.2 Repräsentation der RNA-Sekundärstruktur 2.3 Darstellung der H-Typ Pseudoknoten
3. Lösungen zur Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur
3.1 RnaViz23.2 PseudoViewer3.3 Vergleich der beiden Programme
4. Zusammenfassung
5. Ausblick
10.07.2003 07/49Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur
Nikolaus Jeremic & Birger Krug
1. Einleitung
1.1 RNA und RNA-Sekundärstruktur
1.2 Strukturelle Elemente und Pseudoknoten
1.3 Biologische Bedeutung der RNA-Sekundärstruktur
Ribosomale RNA/rRNA (Strukturelemente der Ribosomen),Transfer RNA/tRNA (transportiert Aminosäuren) undMessenger RNA/mRNA (entsteht beim Kopieren der Gene)
• Weitere RNA-Typen:
Katalytische RNAsRNAs, die keine Proteine kodieren: RNAi, miRNA,snRNA, tmRNA, gRNAs und snoRNAs
10.07.2003 11/491.1 RNA und RNA-Sekundärstruktur
RNA-Sekundärstruktur
Die RNA-Sekundärstruktur ist die Vereinfachung einer komplexendreidimensionalen Faltung eines Biopolymers.
Die Faltung entsteht durch Basenpaarung, wobei man zwischenkanonischen und nicht kanonischen Basenpaarungen unterscheidet.
• Watson-Crick Basenpaare: (Wasserstoffbrücken-) Bindungen zwischen den komplementären Basen (C-G und A-U)
• Wobble* Basenpaarung (G-U)
*bei der Paarung zwischen Codon und Anticodon tritt in der dritten Position Schwankungen (wobbles) auf
Bei allen anderen handelt es sich um nicht-kanonische Basenpaarungen
RnaViz2, Escherichia coli MRE600
10.07.2003 12/491.2 Strukturelle Elemente und Pseudoknoten
Strukturelle Elemente
RNA-Schleifen (reguläre Schleifen):Sind Bereiche der Sequenz der Sekundärstruktur, die nicht kanonische Basenpaare beinhalten, jedoch durch ein oder mehrere kanonische Basenpaare begrenzt sind.
Helices:Doppelstrangbestandteil, der ein benachbarter Bereich eines Basenpaares ist.
10.07.2003 13/491.2 Strukturelle Elemente und Pseudoknoten
Strukturelle Elemente
Hairpin loop (Haarnadelschleife)Resultieren aus der Entstehung der Basenpaare durch die Rückwärtsfaltung derNucleinsäurestränge. Entsteht aus einem Basenpaar.
Bulge loop (einseitige Schleife)Enthalten ungepaarte Nucleotide auf nur einem Strang der Doppelhelix
Internal loop (interne Schleife)Sind durch zwei Helices mit kanonischen Basenpaaren begrenzt und beinhalten Nucleotide an beiden Strängen, die nicht in kanonischen Basenpaaren sind.
Multibranch loop (Verzweigungen)Schleifen, bei denen sich mehr als zwei Helices schneiden.
10.07.2003 14/491.2 Strukturelle Elemente und Pseudoknoten
Beispiel: Strukturelle Elemente
RNA 2001 Elsevier Science Ltd Söll, Nishimura, Moore
10.07.2003 15/491.2 Strukturelle Elemente und Pseudoknoten
PseudoknotenTeile eines RNA-Tertiärstrukturelements, die sich bilden, wenn Nukleotide aus kurzen,einzelsträngigen Bereichen mit Nucleotiden in Haarnadelschleifen desselben MolekülsBasenpaarungen eingehen.
Vereinfacht: 2 überlappende Stem-loop Strukturen, wobei 1 Strang in der Schleife der anderenStruktur beginnt:
Tag der Forschung, Rumpf, 2002
10.07.2003 16/491.2 Strukturelle Elemente und Pseudoknoten
Pseudoknoten
Wichtig für verschiedene Funktionen der RNA:
• Die strukturelle Organisation des RNA-Komplexes
• Auslösen der Replikation
• Frameshifting
• Kontrolle der Translation
10.07.2003 17/491.2 Strukturelle Elemente und Pseudoknoten
Pseudoknoten Schleifen (PK loop) enthalten sowohl einen Pseudoknotenals auch einen einsträngigen Teil.
10.07.2003 18/491.2 Strukturelle Elemente und Pseudoknoten
Beispiel: H-Type Pseudoknoten
RNA structure, Andrew Feig, 2002
10.07.2003 19/491.3 Biologische Bedeutung der RNA-Sekundärstruktur
Biologische Bedeutung der RNA-Sekundärstruktur
Eine exakte Kenntnis der RNA-Sekundärstruktur ist wichtig für die Beeinflussung vonRNA-Molekülen mit nukleotidischen oder nicht-peptidischen Wirkstoffen.
Bedeutend für das Verständnis der Prozesse wie das Spleißen (Entfernen der Intronen undVerbinden der Exonen) und die funktionale Rolle der rRNA in der Proteinsynthese.
Notwendig für die Strukturanalyse der RNA-Moleküle z.B. bei Spektroskopie, Thermographie,chemisches und enzymatisches Probing, Gelelektrophorese, Röntgenstrukturanalyse.
Hilfreich für die Vorhersage der Tertiärstruktur.
10.07.2003 20/49Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur
Nikolaus Jeremic & Birger KrugVisualisierung der RNA-Sekundärstruktur
Nikolaus Jeremic & Birger Krug
2.1 Vorhersage der RNA-Sekundärstruktur
2.2 Repräsentation der RNA-Sekundärstruktur
2.3 Darstellung der H-Typ Pseudoknoten
2. Techniken zur Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur
10.07.2003 21/49
Vorhersage der RNA-Sekundärstruktur
2.1 Vorhersage der RNA-Sekundärstruktur
Problem: Berechnung der Sekundärstruktur aus einer (oder mehreren) Nucleotidsequenz(en).
Die Anzahl der möglichen Sekundärstrukturen auf einem Molekül ist exponentiell in der Anzahl der Nucleotide!
Deshalb werden „intelligente“ Verfahren gebraucht...
10.07.2003 22/49
Verfahren zur Vorhersage der RNA-Sekundärstruktur
2.1 Vorhersage der RNA-Sekundärstruktur
Allgemeine Ansätze:
(1) Ermittlung der Sekundärstruktur auf der Basis eines Sequenzvergleichs
Darstellung der Bracket Dot - Notation in einem Koordinatensystem:
„(„ entspricht Steigung
„)“ entspricht Gefälle
„.“ entspricht Ebene
Höhe des „Berges“ an einer Position, gibt die Anzahl der umschließenden Basenpaare wieder.
Bewertung: Besser als die B. D.-Notation für einen visuellen Vergleich geeignet.
10.07.2003 30/49
Dot Plot-Darstellung
2.2 Repräsentation der RNA-Sekundärstruktur
RNA Visualization, Andreas De Stefani, Technische Universität Wien (modifiziert)
• Mögliche Basenpaarungen werden durch Quadrate dargestellt, wobei die Größe eines Quadrates proportional zur Wahrscheinlichkeit ist (untere Dreiecksmatrix)
• Darstellung der minimalen freien Energie der Struktur (obere Dreiecksmatrix)
Bewertung: Erlaubt im Gegensatz zu bisher vorgestellten Repräsentationen die graphische Darstellung der freien Energie in der Struktur.
10.07.2003 31/49
Baum-Darstellung
2.2 Repräsentation der RNA-Sekundärstruktur
Es gibt viele Möglichkeiten die RNA-Sekundärstruktur als Baum darzustellen.
• Jede Struktur besteht aus einer Anzahl einzelner Objekte. Daher können einzelne Basen, Teilbereiche, Helices, Bäume oder Strukturen in ihrer Größe verändert, verschoben und gegen den Uhrzeigersinn gedreht werden, wobei der Rest der Struktur automatisch neu geordnet werden kann, um die korrekte Struktur beizubehalten. Zu jedem Objekt lassen sich die Eigenschaften, wie Schrift, Farbe, Größe etc. verändern und anpassen
• Helices werden automatisch nummeriert.
10.07.2003 39/493.1 RnaViz2
RnaViz2 - Stärken
• Leicht portierbar
• Erkennt verschiedene Formate
• Mehrere Strukturen auf einer Seite
• Einfache und mächtige WYSIWYG-Editierung mit verschiedenen Auswahlmodi
• Freie Auswahl der Schriften, Farben und Größen für jedes Objekt
• Graphische Objekte (Rechtecke, ovale Linien, Text) für Kommentare
• Unabhängiges Skalieren der Strukturzeichnung
• Schablonen
10.07.2003 40/493.1 RnaViz2
RnaViz2 - Schwächen
• Installation umständlich
• Keine alternativen Ansichten, wie „dot plot“ etc. Nicht besonders gut geeignet für den Vergleich von verschiedenen Strukturen
• Pseudoknoten schlecht darstellbar
• Keine Randinformationen
10.07.2003 41/493.2 PseudoViewer
PseudoViewer
10.07.2003 42/493.2 PseudoViewer
PseudoViewer - Eigenschaften
• Webbasiert (Java)
• Automatische Darstellung der H-Typ Pseudoknoten
• Stellt nur H-Typ Pseudoknoten dar
• Abschnitte und Schleifen rotierbar
• Markierung der Struktur
• Fensterunterteilung
10.07.2003 43/493.2 PseudoViewer
PseudoViewer - Stärken
• Detaillierte Anzeige der Strukturdaten
• Übersichtsfenster
• Keine Kantenüberschneidungen
• Automatische Nummerierung der Basenpaare und Markierung der PK-Schleifen.
10.07.2003 44/493.2 PseudoViewer
PseudoViewer - Schwächen
• Nur H-Typ Pseudoknoten darstellbar
• Kein Zugriff auf einzelne Objekte
• Begrenzte Editiermöglichkeiten
• Kein manuelles Zeichnen möglich
• Keine Druckoption vorhanden
10.07.2003 45/493.3 Vergleich der beiden Programme
Vergleich beider Programme
Beide Programme verarbeiten Eingaben, die bereits Informationen über die Sekundärstruktur enthalten (Vorhersage der Sekundärstruktur muß schon vorher geschehen)
RnaViz2 bietet zwar mehr Editiermöglichkeiten, kann im Gegensatz zum PseudoViewer nicht automatisch H-Typ Pseudoknoten visualisieren
10.07.2003 46/49Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur
Nikolaus Jeremic & Birger KrugVisualisierung der RNA-Sekundärstruktur
Nikolaus Jeremic & Birger Krug
4. Zusammenfassung
• Biologische Grundlagen und Bedeutung der RNA und ihrer Sekundärstruktur
• Vorhersage, Darstellung und Speicherung der RNA- Sekundärstruktur
• Lösungen zur automatischen Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur
10.07.2003 47/49Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur
Nikolaus Jeremic & Birger KrugVisualisierung der RNA-Sekundärstruktur
Nikolaus Jeremic & Birger Krug
5. Ausblick
Automatische Visualisierung aller Pseudoknotentypen mit Möglichkeit der nachträglichen Bearbeitung der Struktur
Automatische Visualisierung aller Pseudoknotentypen ist bereits realisiert:
PseudoViewer 2 (Anfang 2003)
10.07.2003 48/49Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur
Nikolaus Jeremic & Birger KrugVisualisierung der RNA-Sekundärstruktur
Nikolaus Jeremic & Birger Krug
Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit !
10.07.2003 49/49Visualisierung der RNA-Sekundärstruktur
Nikolaus Jeremic & Birger KrugVisualisierung der RNA-Sekundärstruktur
Nikolaus Jeremic & Birger Krug
Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit !
Nun werden wir versuchen noch offengebliebene Fragen zu beantworten...