Softwarewerkzeuge der Bioinformatik
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Softwarewerkzeuge der Bioinformatik Inhalt dieser Veranstaltung: Softwarewerkzeuge für I Sequenzanalyse II Analyse von Proteinstruktur und Ligandenbindung III Zell- bzw. Netzwerksimulationen www.cellzome.com www.accelrys.com 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 1 „Lernziele“ Lerne aktuelle und bewährte Programme und Datenbanken der Bioinformatik kennen und erfolgreich einzusetzen um - Tools kennenzulernen, mit denen man bioinformatische Fragen bearbeiten kann - zu wissen, was auf dem Markt ist („das Rad nicht zweimal erfinden“) - ein Gefühl dafür zu bekommen, wie erfolgreiche Softwareprodukte aussehen (sollen) - 3 Mini-Forschungsprojekte zu bearbeiten Wir werden in der Vorlesung anhand von „Case-studies“ typische Fragestellungen in Pharma- oder Biotech-Unternehmen behandeln. Wie stellen Sie sich den Arbeitsalltag als Bioinformatiker in einer Pharma-Firma vor? 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 2 Organisatorisches Jede Woche zweistündige Vorlesung Dozent: Prof. Helms Freitag 9-11, Hörsaal 1, Geb. 45 Übungen „hands-on“ im CIP-Pool Bioinformatik Raum R 104 im Geb. 45 Freitag 11-13 Uhr. Betreuer der Übungen Sequenz-Analyse Sam Ansari Proteinstruktur Dr. Michael Hutter Zellsimulationen Dr. Tihamer Geyer 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 3 Welche Bioinformatik-Software gibt es? 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 4 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 5 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 6 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 7 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 8 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 9 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 10 Ein paar Produkte ... http://www.stratagene.com/softwaresolutions/ 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 11 Kommerzielle Software-Pakete sind bereits sehr mächtig Kommerzielle Software ist sehr teuer, aber sehr mächtig, da integriert. Es ist fraglich, ob man in einer universitären Umgebung (mit kostenloser Software) bei Anwendungen im Bereich Drug Development mit Firmen konkurrieren kann, die solch mächtige Tools einsetzen. http://www.lionbioscience.com/solutions 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 12 Einsatz von Bioinformatik in der Produkt-Pipeline http://www.curagen.com/pipeline/approach.asp 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 13 Organisatorisches Jeder Teilnehmer an den Übungen benötigt einen Rechneraccount für den CIPPool. Diese Accounts werden von der Rechnerbetriebsgruppe des FB Informatik eingerichtet. - Haben Sie bereits einen Account auf Uni-Rechnern? Dann muss dieser lediglich für den CIP-Pool freigeschaltet werden. Zugang zum CIP-Pool: Für Bioinformatik-Studenten 24/7, für alle anderen während der Übungsstunden. Bitte melden Sie sich nach dieser Stunde im Sekretariat des Zentrums für Bioinformatik bei Frau Alexandra Klasen an. Der Beginn der Übungen ist diese Woche. 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 14 Organisatorisches: Scheinvergabe Die Vorlesung zählt 2V + 2P = 9 Leistungspunkte. Sie kann nach der neuen Prüfungsordnung für den Bachelor-Studiengang in der Vertiefung „Bioinformatics“ eingebracht werden. Die Scheine werden benotet. 50% der Benotung ergibt sich aus der mittleren Benotung von drei praktischen Aufgaben, die während des Semesters von jedem Studenten einzeln zu bearbeiten sind. Die Aufgaben werden etwa alle 4 Wochen ausgegeben und sind innerhalb von 2 Wochen zu bearbeiten und durch ein mindestens 5-seitiges Protokoll zu dokumentieren. Jeder Student muss mindestens zwei der drei praktischen Aufgaben mit einer Note von 4 und besser bestehen. Am Ende des Semesters wird eine 2-stündige Klausur über die Inhalte der Vorlesung und der Übungen geschrieben. Die Klausurnote geht ebenfalls mit 50% in die Scheinnote mit ein. Die Klausur muss mit einer Note von 4 und besser bestanden werden. 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 15 Übersicht über Vorlesungsinhalt III Zellsimulationen I Sequenz 1 Einführung 10 E-Cell 2 Paarweises Sequenzalignment 11 Virtual Cell 3 Multiples Sequenzalignment 12 Microarrays 4 Datenbanken 13 Protein-Netzwerke 5 Genomweite Sequenzanalyse II Struktur 6 Proteinstruktur 7 Proteinstrukturvorhersage 8 Liganden-Docking 9 Protein-Protein-Docking 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 16 Was fange ich mit diesen Daten an? Sequenz des menschlichen Genoms wurde 2001 entschlüsselt. 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 17 1 2 Analyse einer unbekannten Sequenz Experimentelle Daten vorhanden? Input: neue Proteinsequenz Multiples Sequenzalignment Gibt es ähnliche Nein Sequenz mit bekannter 3D-Struktur? Ja Analyse dieses Folds, Nachbarn? Ja Alignment der Sequenz mit einer Target-Struktur 3D-Proteinstruktur Kann man Funktion zuordnen? 1. Vorlesung WS 2004/05 Zuordnung eines Protein-Folds Vorhersage der Sekundärstruktur Alignment der Sekundärstrukturen. Modellierung der Proteinstruktur durch Homologiemodellierung Erkenne Domänen Suche in Sequenzdatenbanken nach identischer Sequenz bzw. ähnlichen Sequenzen Software-Werkzeuge der Bioinformatik Fold erkannt? Nein Ab inito Vorhersage der Tertiärstruktur Nach Rob Russell, http://speedy.embl-heidelberg.de/ gtsp/flowchart2.html 18 Sequenzanalyse 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 19 Ziele (0) Identifiziere alle menschlichen Proteine (ORFs) und ihre Funktion Sind dies alle Proteine? Nein: post-translationelle Modifikationen möglich wie Methylierung, Phosphorylierung, Glykosilierung … (1) Identifiziere Gen-Netzwerke. Welche Proteine wechselwirken miteinander? (2) Identifiziere Module: abgeschlossene Einheiten (3) Identifiziere Sequenz-Abschnitte, in denen Mutationen für Krankheiten codieren 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 20 Sequenzen sind verwandt • Evolution findet auf vielen verschiedenen Ebenen statt : Mutationen einzelner Aminosäuren, Domänen-Shuffling, Genduplikation, Genom-Rearrangement • verwandte Moleküle besitzen in verschiedenen Organismen ähnliche Funktionen (“Homologe”) Phylogenetischer Baum für ribosomale RNA: Drei Bereiche des Lebens 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 21 Sequenzen sind verwandt, II Phylogenetischer Baum für Globin-Proteine des Menschen 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 22 gewinne transferierbare Information aus Sequenzvergleich • Bestimme evolutionäre Beziehungen • Vorhersage von Proteinfunktion und struktur (Datenbanksuche). Protein 1: bindet Sauerstoff Sequenzähnlichkeit Protein 2: bindet Sauerstoff ? 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 23 Sequenzalignment Der Zweck eines Sequenzalignments ist, all die Residuen einer beliebigen Anzahl von Sequenzen untereinander anzuordnen, die von der gleichen Residuenposition in einem Gen- oder ProteinVorfahren abstammen. gap = Insertion oder Deletion 1. Vorlesung WS 2004/05 J.Leunissen Software-Werkzeuge der Bioinformatik J.Leunissen 24 Needleman-Wunsch Algorithmus - allgemeiner Algorithmus für Sequenzvergleiche - maximiert einen Ähnlichkeitsscore - bester Match = grösste Anzahl an Residuen einer Sequenz, die zu denen einer anderen Sequenz passen, wobei Deletionen erlaubt sind. - Der Algorithmus findet durch dynamische Programmierung das bestmögliche GLOBALE Alignment zweier beliebiger Sequenzen - NW beinhaltet eine iterative Matrizendarstellung alle möglichen Residuenpaare (Basen oder Aminosäuren) – je eine von jeder Sequenz – werden in einem zwei-dimensionalen Gitter dargestellt. alle möglichen Alignments werden durch Pfade durch dieses Gitter dargestellt. Der Algorithmus hat 3 Schritte: 1 Initialisierung 2 Auffüllen 3 Trace-back 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 25 Needleman-Wunsch Algorithm: Initialisierung Aufgabe: aligniere die Wörter “COELACANTH” und “PELICAN” der Länge m =10 und n =7. Konstruiere (m+1) × (n+1) Matrix. Ordne den Elementen der ersten Zeile und Reihe die Werte – m × gap und – n × gap zu. Die Pointer dieser Felder zeigen zurück zum Ursprung. 1. Vorlesung WS 2004/05 C O E L A C A N T H 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 P -1 E -2 L -3 I -4 C -5 A -6 N -7 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 26 Needleman-Wunsch Algorithm: Auffüllen Fülle alle Matrizenfelder mit Werten und Zeigern gemäss von simplen Operationen, die die Werte der diagonalen, vertikal, und horizontalen Nachbarzellen einschliessen. Berechne - match score: Wert der Diagonalzelle links oben + Wert des Alignments (+1 oder -1) - horizontal gap score: Wert der linken Zelle + gap score (-1) - vertical gap score: Wert der oberen Zelle + gap score (-1) ordne der Zelle das Maximum dieser 3 Werte zu. Der Pointer zeigt in Richtung des maximalen Scores. C O E L A C A N T H 0 -1 max(-1, -2, -2) = -1 P -1 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -2 max(-2, -2, -3) = -2 (Pointer soll bei gleichen Werte immer in eine bestimmte Richtung zeigen, z.B. entlang der Diagonalen. 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 27 Needleman-Wunsch Algorithmus: Trace-back Trace-back ergibt das Alignment aus der Matrix. Starte in Ecke rechts unten und folge den Pfeilen bis in die Ecke links oben. C COELACANTH -PELICAN-P E L I C A N 1. Vorlesung WS 2004/05 O E L A C A N T H 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -1 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -2 -2 -2 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -3 -3 -3 -2 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -4 -4 -4 -3 -1 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -5 -3 -4 -4 -2 -2 0 -1 -2 -3 -4 -6 -4 -4 -5 -3 -1 -1 1 0 -1 -2 -7 -5 -5 -5 -4 -2 -2 0 2 1 0 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 28 Smith-Waterman-Algorithmus Smith-Waterman ist ein lokaler Alignment-Algorithmus. SW ist eine sehr einfache Modifikation von Needleman-Wunsch. Lediglich 3 Änderungen: - die Matrixränder werden auf 0 statt auf ansteigende Gap-Penalties gesetzt. - der maximale Wert sinkt nie unter 0. Pointer werden nur für Werte grösser als 0 eingezeichnet. - Trace-back beginnt am grösseten Wert der Matrix und endet bei dem Wert 0. ELACAN C ELICAN P E L I C A N 1. Vorlesung WS 2004/05 O E L A C A N T H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 4 3 2 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 29 Sequenzvergleiche: PAM250 Matrix Für Sequenzvergleiche werden Scoring-Matrizen für den Austausch von Aminosäuren verwendet. 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 30 Proteinstruktur Sequenz Was hat nun Sequenz-Konservierung mit Proteinstrukturen zu tun? sehr viel! Die Twilight zone kennzeichnet das Mass an Sequenzidentität, bis zu der zwei Proteinstrukturen mit hoher Wkt. die gleiche Struktur besitzen. Richtlinien von Doolittle: • Sequenzen mit > 150 Residuen und wahrscheinlich verwandt 25% Sequenzidentität sind • mit 15-20% Sequenzidentität können sie verwandt sein • bei <15% Sequenzidentität ist es schwierig zu sagen ob sie verwandt sind oder nicht ohne weitere strukturelle oder funktionelle Hinweise TWILIGHT ZONE 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 31 Proteinstruktur, Wechselwirkung mit Liganden 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 32 Einleitung: Aminosäuren Aminosäuren sind die Bausteine von Proteinen: Aminogruppe H N H O H R 1. Vorlesung WS 2004/05 OH Software-Werkzeuge der Bioinformatik Carboxylsäure 33 Buchstaben-Code der Aminosäuren • Ein- und Drei-Buchstaben-Codes der Aminosäuren G A L M F W K Q E S Glycin Alanin Leucin Methionin Phenylalanin Tryptophan Lysin Glutamin Glutaminsäure Serin Gly Ala Leu Met Phe Trp Lys Gln Glu Ser Zusätzliche Codes B Asn/Asp Z Gln/Glu 1. Vorlesung WS 2004/05 P V I C Y H R N D T Prolin Pro Valin Val Isoleucin Ile Cystein Cys Tyrosin Tyr Histidin His Arginin Arg Asparagin Asn Asparaginsäure Threonin Thr Asp X Irgendeine Aminosäure Software-Werkzeuge der Bioinformatik 34 Einleitung: Peptidbindung In Peptiden und Proteinen sind die Aminosäuren miteinander als lange Ketten verknüpft. Ein Paar ist jeweils über eine „Peptidbindung“ verknüpft. Die Aminosäuresequenz eines Proteins bestimmt seinen „genetischen code“. Die Kenntnis der Sequenz eines Proteins allein verrät noch nicht viel über seine Funktion. Entscheidend ist seine drei-dimensionale Struktur. + H O H3N R1 + G>0 O - + H3N O R2 O H3N H O H + H R2 H O H3N H - O N R1 + + H O - H2O O N R1 H R2 O peptide bond 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 35 Grundlegende Definitionen • Primärstruktur – Die lineare Sequenz der Aminosäuren eines Proteins • Sekundärstruktur – Regionen lokaler Regelmässigkeit • Z.B. -Helices, -Stränge, -Faltblätter & -Schleifen 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 36 Definition: Super-Sekundärstruktur Die Anordnung (packing) von Sekundärstrukturelemente zu stabilen Einheiten wie -barrels, Einheiten, Greek keys, usw. 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 37 Definition: Tertiärstruktur • Die gesamte Faltung einer Kette, die sich aus der Packung der Sekundärstrukturelemente ergibt. Grün Fluoreszierendes Protein. Seine zylindrische Architektur wird durch 11 -Stränge gebildet. (1emb.pdb Brejc et al. 1997) 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 38 Einleitung: Proteinstruktur cAMP-abhängige Proteinkinase (katalytische Untereinheit) 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik Ca2+ Pumpe (TM Protein) 39 Definition: Quartäre Struktur Die Anordnung mehrerer Ketten eines Proteins, das mehrere Untereinheiten besitzt. Beispiel Hämoglobin 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 40 Bedeutung von Sequenzanalyse • >900,000 Sequenzen in öffentlichen Datenbanken zugänglich – Millionen mehr in proprietären dbs – Anstieg wird mit Sequenzierung von weiteren Genomen weitergehen – Was tun? • In den Sequenzen steckt eine grosse Menge an strukturellen, funktionellen und evolutionären Informationen – Sie sind eine sehr wichtige Datenquelle • Im Gegensatz dazu gibt es nur etwa 2000 unabhängige Proteinstrukturen 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 41 Sequenz-Struktur Missverhältnis 800 700 600 500 400 300 200 100 1988 2002 Anzahl an nicht-redundanten Sequenzen 1988-2002 ( Entsprechende Zunahme der Zahl an Proteinstrukturen ( 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik ) ). 42 Der “holy grail” der strukturellen Bioinformatik 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 43 Eigenschaften der Aminosäuren Aminosäuren unterscheiden sich in ihren physikochemischen Eigenschaften. 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 44 Einleitung: hydrophobe Aminosäuren Proteine sind aus 20 verschiedenen natürlichen Aminosäuren aufgebaut H H H N 5 sind hydrophob. Sie sind vor allem Im Proteininneren. N O H OH H N O H CH 3 OH HC CH3 CH 3 OH Alanine Valine H H N H O H H Glycine O H N O CH OH H H CH 2 CH3 OH H3C CH3 Leucine 1. Vorlesung WS 2004/05 H H Software-Werkzeuge der Bioinformatik CH 2 CH 3 Isoleucine 45 Einleitung: aromatische Aminosäuren Es gibt drei voluminöse aromatische Aminosäuren. Tyrosin und Tryptophan liegen bei Membranproteinen vor allem in der Interface-region. H H H N N O OH N CH 2 CH 2 OH O 1. Vorlesung WS 2004/05 O H N Phenylalanin H O H H CH 2 H H H Tyrosin Software-Werkzeuge der Bioinformatik OH CH H Tryptophan 46 Einleitung: Aminosäuren Es gibt 2 Schwefel enthaltende Aminosäuren und das ungewöhnliche Prolin. Cysteine können Disulfidbrücken bilden. Prolin ist ein “Helixbrecher”. H H H N H H OH CH2 N H CH2 CH2 H Methionin Prolin N O O H H CH 2 S H OH CH 2 O OH CH 2 S CH 3 Cystein 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 47 Einleitung: Aminosäuren Es gibt zwei Aminosäuren mit terminalen polaren Hydroxlgruppen: H H H N O H CH 2 CH2 O Serin 1. Vorlesung WS 2004/05 N O H H H OH CH 2 OH HC CH3 O H Threonin Software-Werkzeuge der Bioinformatik 48 Einleitung: Aminosäuren Es gibt 3 positiv geladene Aminosäuren. Sie liegen vor allem auf der Proteinoberflächen und in aktiven Zentren. Thermophile Organismen besitzen besonders viele Ionenpaare auf den Proteinoberflächen. H H H N H H N O CH 2 OH 1. Vorlesung WS 2004/05 OH H CH 2 N H NH2 H N + + Lysin CH 2 OH CH2 CH2 NH3 O H CH 2 CH2 CH 2 N O H H H + N H H NH2 Arginin Software-Werkzeuge der Bioinformatik Histidin 49 Einleitung: Aminosäuren Es gibt 2 negativ geladene Aminosäuren und ihre zwei neutralen Analoga. Asp und Glu haben pKa Werte von 2.8. Das heisst, erst unterhalb von pH=2.8 werden ihre Carboxylgruppe protoniert. H H H N N O CH 2 OH - O N CH 2 OH CH2 OH O CH 2 Asparagin OH CH2 NH 2 - Software-Werkzeuge der Bioinformatik N H CH 2 O H O H O O Asparaginsäure Glutaminsäure 1. Vorlesung WS 2004/05 H H O H H O H H O NH2 Glutamin 50 Transmembrandomänen: Hydrophobizitätsskalen http://blanco.biomol.uci.edu/mpex/ Stephen White group, UC Irvine 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 51 Helikale Räder Helikale Räder dienen zur Darstellung von Helices. http://cti.itc.Virginia.EDU/~cmg/Demo/wheel/wheelApp.html. 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 52 Analyse einer unbekannten Sequenz Experimentelle Daten vorhanden? Input: neue Proteinsequenz Multiples Sequenzalignment Gibt es ähnliche Nein Sequenz mit bekannter 3D-Struktur? Ja Erkenne Domänen Suche in Sequenzdatenbanken nach identischer Sequenz bzw. ähnlichen Sequenzen Zuordnung eines Protein-Folds Vorhersage der Sekundärstruktur Analyse dieses Folds, Nachbarn? Ja Alignment der Sekundärstrukturen. Modellierung der Proteinstruktur durch Homologiemodellierung 3D-Proteinstruktur 1. Vorlesung WS 2004/05 Alignment der Sequenz mit einer Struktur. Kann man Funktion transferieren? Software-Werkzeuge der Bioinformatik Fold erkannt? Nein Vorhersage der Tertiärstruktur Nach Rob Russell, http://speedy.embl-heidelberg.de/ gtsp/flowchart2.html 53 Proteinstruktur Sequenz - Konservierung von Residuen sind Indizien für den Verwandtschaftsgrad von Proteinen, für die Evolution und für die Verwandtschaft von Organismen - Konservierung von Residuen im aktiven Zentrum - Konservierung von Residuen, die die Architektur der Proteinstruktur stabilisieren - Konservierung von Residuen, die während Faltung des Proteins wichtig sind - Konservierung von Residuen an Bindungsschnittstellen für Liganden und andere Proteine 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 54 Netzwerke 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 55 metabolische Netzwerke Formulierung von Biochemie mit Linearer Algebra 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 56 Zellsimulationen Ziel: verstehe metabolische Abläufe in Zellen http://ecell.sourceforge.net/index.html 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 57 E-cell Anwendungen bisher: - Energie-Metabolismus von E.coli - e-Rice - Modell eines menschlichen Erythrozyten - Zirkadiane Rhythmen - e-Neuron - Signalübertragung in der bakteriellen Chemotaxis 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 58 Virtual Cell http://www.nrcam.uchc.edu/ 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 59 Virtual Cell Left: overall mechanism of Ran-mediated nucleocytoplasmic transport. The image Right: membrane transport components within the Virtual Cell software. GTP-bound Ran shuttles between the nuclear and cytoplasmic compartments and is predominately nuclear at steady-state. The RanGTP nuclear membrane gradient is essential and required for RanGTP-dependent assembly and dissociation of transport complexes within the nucleus. http://www.nrcam.uchc.edu/ 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 60 Virtual Cell Parameter … 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 61 Virtual Cell This set of images shows the spatiotemporal pattern of nuclear accumulation of fluorescently labeled Ran after microinjection into the cytosol in a confocal experiment (grayscale panels) and a Virtual Cell simulation (color scale panels). http://www.nrcam.uchc.edu/ 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 62 Virtual Cell Calculated 3D distribution of 2 species in the pathway that are not directly visible by labeling. Injecting fluorescently labeled Ran allows you to experimentally visualize all the forms of Ran but not the individual bound and free states. Simulations help dissect what is happening to all the species. http://www.nrcam.uchc.edu/ 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 63 Software In den Tutorials vorgestellte Software: 0 Datenbankennavigation SRS I Sequenzanalyse: (FASTA) BLAST, PSI-BLAST, CLUSTALW II Proteinstruktur: VMD Ligandenbindung: FlexX mit Andreas Kämper III Zellsimulationen: Virtual Cell Datenbanken: Sequenzdatenbanken Proteinstrukturbanken Metabolische Datenbanken 1. Vorlesung WS 2004/05 Software-Werkzeuge der Bioinformatik 64
