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Seite 1 Tomislav Grgat Patrick Gutbell

3D Repräsentation von DNA Sequenzen Proseminar GDV SS2003

3D Repräsentation von DNA Sequenzen

Tomislav GrgatPatrick Gutbell

Proseminar:Visualisierung in der Bioinformatik

Sommersemester 2003

Johann Wolfgang Goethe Universität FrankfurtFachbereich: Graphische Datenverarbeitung



Übersicht

● Einführung

● H Curve

● Z Curve

● ADN Viewer

● Zusammenfassung



Einführung



DNA (Desoxyribonukleinsäure):

• Trägerin der Erbsubstanz

• Bauplan der Baustoffe(Strukturproteine)

und Bauarbeiter (Enzyme) einer Zelle

•Information in der Basenabfolge





Spezifische Sequenzbereiche:

• Introns

• Exons

• repetitive Sequenzbereiche

• Palindrome

• Sequenzbereiche mit hohem GC-Gehalt



Repetitive Sequenzen:

•10-25% repetitive Sequenzen

• meist an Enden von Chromosomen; dienen zur Erhaltung der Chromosomenspitzen

• Transposons: transponierbare genetische Elemente: können Ort innerhalb des Genoms wechseln



Palindrome:

Erkennungstelle für Enzyme

5` C C G C G G 3` 3` G G C G C C 5`

RADAR



Was sagt der GC-Gehalt der DNA aus?

• Anteil von Guanin und Cytosin an den Basen der DNA

• grobe Aussage über den Verwandtschaftsgrad =>geringe Variation deutet auf enge Verwandtschaft

•Genkonzentration korreliert mit GC-Gehalt



Warum eine 3D-Darstellung der DNA ?



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Welche Kriterien sollte die Darstellung erfüllen ?

• Analyse von Sequenzdaten

• Vergleich mit anderen Sequenzen

• Präsentation einer großen Datenmenge



DNA 3D-Visualisierungen:

• H-Curve

• Z-Curve



Prinzip der H-Curve Berechnung:

• jedem Nukleotid wird ein Vektor im 3D-Raum zugewiesen • Startpunkt (0,n,0)

• Vektoren werden entsprechend der Basenfolge aneinandergehängt



Basisvektoren:

B: (x, y, z)

A: (1, -1, 1 )T: (1, -1, -1)C: (-1,-1,-1)G: (-1, -1, 1)



Beispiel für Sequenzabfolge: ACT

Koordinaten:(x, y, z)

Startpunkt: ( 0, 3 , 0) A ( 1, -1, 1) + ( 1, 2, 1) C (-1, -1,-1) + ( 0, 1, 0) T (1, -1, -1) +Endpunkt: (1, 0, -1 )



Welche Möglichkeiten bietet die H-Curve:

A)gibt relative Basenzusammensetzung innerhalb einer Sequenz an

B)Erkennung von spezifischen Sequenzabschnitten

D)Vergleich zwischen Sequenzen

E) Darstellung des Gesamten DNA-Stranges



Teil des Genoms von Bacteriophage M13



2D Projektionen der H-Curve

A B

A : Kurve zeigt relative Purin/Pyrimidin-Verteilung an

(Seq.:ACT)

B : Kurve zeigt relative CG/AT-Verteilung an



Endpunkt-Indikator der H-Curve:C T

AG



Erweiterbare Funktionen zur H-Curve:

• 2D-Projektion

• Smoothed H-Curve

• Distortion-Viewing-Tool



„Smoothed“ H-Curve

• Errechnet sich aus Mittelwerten • Lokale Muster nicht wichtig

• Gesamtstruktur ist entscheidend



Distortion-Viewing-Tool:



Nachteile der H-Curve-Darstellung:

• Ungenauigkeit

• nicht frei erhältlich

• Wenige Zusatzfunktionen



Vorteile der H-Curve- Darstellung:

• direkter visueller Check des Gesamt-DNA Strangs

• direkte Angabe der relativen Basenzusammensetzung



Z Curve● Definition

● Visuelle Anwendungen

● Analytische Ableitungen



DNA Sequenz aus 29 751 BasenpaarenQuelle: Z Curve Database

http://tubic.tju.edu.cn/zcurve/



Z Curve

● Dreidimensionale vollständige Repräsentation einer DNA Sequenz

● Z Curve und DNA Sequenz lassen sich eindeutig aus der jeweils anderen konstruieren

● Zhang.C.T und Zhang.R (1994)

● Z Curve Database: http://tubic.tju.edu.cn/zcurve/



Berechnung der Z Curve

● Folge von P0,P1,...,PN Punkten in 3D

● Die sequentielle Verbindung der Punkte durch Linien ergibt die 3-dimensionale Z Curve

● N ist die Anzahl der Basenpaare der DNA Seq.

● Berechnung der Punkte erfolgt mittels der sog. „Z Transform“



Z Transform

An,G

n,C

n,T

n bezeichnen die Auftreten der Basen

A,G,C und T in der DNA Sequenz bis zur n-ten Stelle



Inverse Z Transform

An + C

n + G

n + T

n = n



Bedeutung der „Z Transform“

● Jede Komponente xn,yn,zn repräsentiert die Verteilung bestimmter Basentypen zueinander:

– xn repräsentiert die Verteilung von Purin/Pyrimidin (R,Y)

– yn repräsentiert die Verteilung von Amino/Keto (M,K)

– zn repräsentiert die Verteilung von Starken/Schwachenwasserstoffbindenden Basentypen (S/W)



Bedeutung der „Z Transform“

● Ist xn > 0 dominieren Purin Basen (A oder G) über Pyrimidin Basen (C oder T)

● Ist yn > 0 dominieren Amino Basen (A oder C) über Keto Basen (G oder T)

● Ist zn > 0 dominieren schwache Wasserstoff-bindende Basen (A oder T) über stark Wasserstoffbindende Basen (G oder C)



Symmetrie der Z Curve

Quelle: Z Curve Database http://tubic.tju.edu.cn/zcurve/image/ecolik12.JPG



4.6 Millionen Basenpaare

5.5 MillionenBasenpaare

Vergleich von DNA Sequenzen unterschiedlicher Länge



Visueller Vergleich von DNA Sequenzen

Quelle: Zhang R, Zhang C.T: The Z curve database: a graphic representation of genome sequences (2003)



Analyse des GC Gehalts

● Neue 2D Kurve leitet sich aus der z-Komponente ab:

z'n = zn – k X n

● Steigt bzw. sinkt die z'n Kurve, so überwiegen A und T bzw. G und C Basen in dieser Region



Vibrio Cholerae, Quelle: Zhang R, Zhang C.T: The Z curve database: a graphic representation of genome sequences (2003)



AT- und GC-Disparitäten

● Chargaffs 2. Paritäts Regel besagt

– AN ~ TN

– GN ~ CN

● In den Koordinaten der Z Curve ausgedrückt:

– (xN + yN) ~ 0

– (xN – yN) ~ 0

(2 neue Kurven in 2D)



Sybean chlorotic mottle virusQuelle: Zhang R, Zhang C.T: The Z curve database: a graphic representation of genome sequences (2003)



Kennedya yellow mosaic virusQuelle: Zhang R, Zhang C.T: The Z curve database: a graphic representation of genome sequences (2003)



3D Darstellung der räumlichen DNA Struktur



Räumliche Struktur der DNA

● Diesmal: Darstellung der natürlichen 3-dimensionalen Struktur des DNA Moleküls

● Dies erlaubt z.B. die Visualisierung:

– Der lokalen Dichte des DNA Moleküls

– Der Kurvatur

– Der räumlichen Ausdehnung



ADN Viewer

● Software zur Visualisierung der räumlichen DNA Struktur

– Eingabe: DNA Sequenz

– Berechnung der 3D Struktur anhand eines vom User wählbaren Verfahrens

– 3D Darstellung der DNA

– Bietet Möglichkeit der Detailansicht (Zoom)

– Hervorheben bestimmter DNA Merkmale (z.B. einzelner Gene, in Verbindung mit Datenbank)



300 000 Basenpaare

Quelle: Joan Herisson and Rachid Gherbi: Model-based prediction of the 3D Trajectory of Huge DNA Sequences



Ausschnitt dervorherigen Ansicht

Ausschnitt inkl. farbkodierter Darstellung der Nukleotide



Visualisierung einzelner Gene (weiss) eines DNA Moleküls (S. cerevisiae chrI)



Zusammenfassung



Zusammefassung

● Statistische 3D Darstellung

– H Curve, Z Curve

– Visueller Vergleich

– Analytische Ableitungen ● 3D Struktur des DNA Moleküls

– ADN Viewer

– Studium der räumlichen DNA Struktur



Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit

Fragen?



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