Halbkurs Algorithmische Bioinformatik
Professor Ulf Leser
Der Halbkurs "Algorithmische Bioinformatik" behandelt Algorithmen zur Lösung grundlegender Fragestellungen moderner Molekularbiologie. Nach einer Einführung in die Grundlagen der Molekularbiologie (Gene und Genome, Expression, Proteine, Regulation und Transkription) werden die folgenden algorithmischen Probleme behandelt: Exaktes Stringmatching, Stringmatching mit mehreren Pattern, approximatives Matching, Indexstrukturen für Sequenzdatenbanken, Editabstand und Alignment, Multiples Alignment, Phylogenetische Bäume. Die Algorithmen werden jeweils anhand der zugrunde liegenden biologischen Fragestellung erklärt, wie z.B. Patternsuche in DNA- und Proteinsequenzen, Assembly von Teilsequenzen, Homologiesuche in Sequenzdatenbanken, und Berechnung evolutionärer Stammbäume. Die Vorlesung wird durch eine Übung begleitet.
Erste Vorlesung ist am Mittwoch, den 19.10.2011.
Voraussetzungen
Voraussetzung für den Besuch sind gute Kenntnisse in Algorithmen (z.B. Modul Algorithmen & Datenstrukturen). Kenntnisse in der Molekularbiologie werden nicht vorausgesetzt, sondern vermittelt.
Prüfungen
Prüfungen sind mündlich. Die Vorlesung ist anrechenbar für:
- Diplomstudiengang Informatik, Halbkurs praktischen Informatik, 8SP
- Master Informatik, 8SP
- Masterstudiengang Biophysik, Vertiefungsrichtung Bioinformatik, 8SP
Voraussetzung für die Zulassung zur Prüfung ist das Bestehen der Übung.
Literatur zur Vorlesung
Dan Gusfield: "Algorithms on Strings, Trees, and Sequences", Cambrige University Press.
Die Vorlesung folgt in grossen Teilen diesem Buch. Zusätzliche Literatur wird in den jeweiligen Stunden angegeben.
Themen und Termine im Einzelnen
(Folien sind hier jeweils vor der Vorlesung als PDF verfügbar. Änderungen möglich).
- 19.10.11: Einleitung und Überblick
- Stringvergleiche in der Molekularbiologie
- Einführung in die Molekularbiologie, Prof. Thomas Börner, Institut für Biologie
- Lineares Stringmatching: Z-Box Algorithmus
- Boyer-Moore Algorithmus; Apostolico-Giancarlo Variante
- Knuth-Morris-Pratt Algorithmus
- Keyword Trees / Aho-Corasick: Simultanes Matching mit mehreren Pattern
- Suche mit regulären Ausdrücken; Suffix-Bäume
- Ukkonen's Algorithmus zur Konstruktion von Suffixbäumen in linearer Zeit
- (Enhanced) Suffixarrays; Konstruktion nach Manber & Myers
- Approximatives Stringmatching, Editabstand und Alignment
- Dynamische Programmierung zur Berechnung des Editabstands
- End-Free Alignment; Lokales Alignment; Alignment mit Gaps
- Weihnachten
- Alignment mit linearem Platzbedarf; k-Band Alignment
- Jukes-Cantor Modell, Substitutionsmatrizen
- Alignment mit k Unterschieden (BYP); BLAST und BLAT
-
- Link zu BLAST
- Link zum UCSC Genome Browser
- Genstruktur und -vorhersage
- Hidden Markov Modelle / Viterbi
- Hidden Markov Modelle: Evaluation, Baum-Welch
- Multiples Sequenzalignment (MSA): Definition, Sum-of-Pairs Score, Center-Star Score
- MSA2:Suchen mit MSA, iteratives MSA mit ClustalW
-
- Link zu ClustalW
- Einführung in die Phylogenie
- Distanzbasierte Phylogenie: Ultrametriken, UPGMA, additive Bäume, Neighbor Joining
- Character-basierte Verfahren: Perfect Phylogeny und Maximum Parsimony
- Abschluss; DNA Computing
Weitere Materialien
- Sehr schöne und umfassende Erläuterungen von Stringalgorithmen inklusive Demonstration und Visualisierung (Charras & Lecroq, Université de Rouen)
- Java-Script Animation zur Berechnung des Editabstandes zweier Zeichenketten
- Algorithmische Bioinformatik I/II. Sehr ausführliches und umfassendes Skript. (Volker Heun, TU München)
- Ein sehr kompaktes Glossar vieler molekularbiologischer Begriffe (John Kimball)
- Liste aller sequenzierten Organismen
Ergänzende Literatur
- Böckenhauer, Bongartz: "Algorithmische Grundlagen der Bioinformatik", Teubner Verlag.
- Koolman, Röhm, Wirth: "Taschenatlas der Biochemie", Thieme Verlag. Für die molekularbiologischen Grundlagen.
- Mount, "Bioinformatics: Sequence and Genome Analysis", Cold Spring Harbor Laboratory Press
- Merkl, Waack, "Bioinformatik Interaktiv - Algorithmen und Praxis", Wiley-Ch