TY  - THES
AB  - Durch die Erforschung von verwandtschaftlichen Beziehungen, der Phylogenie, verschiedener Spezies erlangen wir umfassende Informationen über deren Evolution. Ein Ansatz für die Rekonstruktion phylogenetischer Szenarien oder zum Vergleich von Genomen ist die Untersuchung des Erbguts auf Ebene der DNA-, RNA- oder Proteinsequenzen. Eine weitere Herangehensweise ist das Studium der Struktur der Genome. Auf dieser höheren Ebene betrachtet man oft die Reihenfolge der Gene innerhalb des Genoms.
Evolutionäre Prozesse führen zu strukturellen Veränderungen im Genom und somit zu einer Umordnung der Genfolgen. Die Genzusammenstellung in einigen Bereichen bleibt dabei jedoch erhalten und findet sich in mehreren, verwandten Genomen. Diese Abschnitte mit den darin enthaltenen Genen werden als Gencluster bezeichnet. Studien konnten zeigen, dass solche konservierten Regionen oftmals Gene enthalten, deren Funktionen einem gemeinsamen Kontext zuzuordnen sind oder die evolutionär zusammenhängen. So kann das Auffinden und der Vergleich von Genclustern wertvolle Hinweise auf die Funktion oder die evolutionäre Entwicklung von Genen geben.
In der Literatur werden zahlreiche formale Definitionen für Gencluster, basierend auf verschiedenen Modellen für Genordnungen, diskutiert und analysiert. In dieser Forschungsarbeit wird ein allgemeines Konzept von Genclustern eingeführt, welches einerseits so flexibel ist, dass es eine Vielzahl von Gencluster-Modellen umfasst, aber andererseits konkret genug ist, um Folgedefinitionen, theoretische Betrachtungen und algorithmische Vorgehensweisen darauf aufzubauen.
Wenn die Genome mehrerer Spezies denselben Gencluster aufweisen, wurde dieser vermutlich von einem gemeinsamen Vorfahren geerbt. Ein Kernpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung und Untersuchung einer Methode, welche aus den Genordnungen heute lebender Spezies auf Basis ihrer Phylogenie Gencluster ihrer Vorfahren rekonstruiert. Die Betrachtung von Genclustern in einem evolutionären Zusammenhang gibt Aufschlüsse über die strukturelle Entwicklung von Genomen, die Evolution von Genclustern im Allgemeinen, aber auch die Entstehung und Entwicklung von bestimmten Genclustern.
Ein Kriterium, das für die Rekonstruktion zugrunde gelegt wird, ist das sog. Parsimony-Prinzip, welches besonders im Kontext der Phylogenie oft Verwendung findet. Bei diesem Verfahren wird ein Szenario gesucht, welches die beobachteten Daten mit möglichst wenigen evolutionären Ereignissen erklärt. In diesem Fall sollen den Vorfahrspezies Gencluster so zugeordnet werden, dass die Anzahl an Neuentstehungen und Verlusten von Clustern, die sich durch das Szenario ergeben würden, minimal ist. Eine solche Zuordnung lässt sich mit Hilfe bekannter Methoden, z.B. des Fitch-Hartigan-Algorithmus, effizient bestimmen.
Abhängig vom verwendeten Modell für die Genordnung und Gencluster, können die auf diese Weise für einen Vorfahren bestimmten Gencluster Widersprüche aufweisen. Das heißt, es gäbe keine in diesem Modell gültige Anordnung von Genen, die alle rekonstruierten Cluster enthält. Dies legt ein weiteres Kriterium nahe: die Forderung nach Konsistenz. Die Überprüfung dieser Eigenschaft ist jedoch eine komplexe Aufgabe. Im Rahmen dieser Arbeit wurde für verschiedene Modelle überprüft, wie bzw. ob dieses Problem effizient gelöst werden kann. Die Resultate reichen von Algorithmen, welche die Eigenschaft der Konsistenz für das Modell der konservierten Nachbarschaften mit linearem Zeitaufwand prüfen, bis zum Nachweis der NP-Vollständigkeit für komplexere Modelle, die beweisen, dass die Überprüfung der Konsistenz zu einer Klasse von sehr schwer lösbaren Problemen gehört.
Als Zielsetzung der Rekonstruktion wird eine Kombination aus beiden Eigenschaften definiert. Unter allen konsistenten Zuordnungen wird eine solche gesucht, welche die Anzahl an Entstehungen und Verlusten von Genclustern minimiert. Es konnte ein wichtiger Zusammenhang zwischen beiden Kriterien gezeigt werden, auf welchem der entwickelte Rekonstruktionsalgorithmus aufbaut. Dieser berechnet exakte Ergebnisse in praktikablen Laufzeiten. Eine umfassende Evaluation auf Basis simulierter Daten zeigte, dass unabhängig vom Modell nahezu alle rekonstruierten Gencluster korrekt waren, und je nach simulierter evolutionärer Distanz der Spezies hinreichend viele der theoretisch vorhandenen Cluster gefunden wurden.
Die Anwendung der Methode auf Genomdaten von Corynebakterien unter der Verwendung von verschiedenen Genclustermodellen zeigte unter anderem, dass die Ergebnisse nur sehr wenig vom verwendeten Modell abhängen, da die Reihenfolge der Gene in konservierten Bereichen meist vollständig erhalten war. In Zusammenarbeit mit Biologen konnte bestätigt werden, dass die rekonstruierten, evolutionären Szenarien sinnvoll sind. Darüber hinaus konnte exemplarisch gezeigt werden, dass die erhaltenen Ergebnisse neue Fragestellungen aufwerfen, auf Fehler in den Eingabedaten hinweisen und für weiterführende Analysen verwendet werden können.
DA  - 2010
KW  - Genom
KW  - Gencluster
KW  - Genreihenfolge
KW  - Genomvergleich
KW  - Corynebakterium
KW  - Whole genome comparison
KW  - Phylogenie
KW  - Corynebacteria
KW  - Gene order
LA  - eng
PY  - 2010
TI  - Phylogeny-based analysis of gene clusters
UR  - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:361-16277
Y2  - 2024-11-25T01:05:10
ER  -