Friedrich-Schiller - Chair for Bioinformatics Freiburg

4 KAPITEL 1. EINLEITUNG
Sequenzen:
AB062402./11−40
AC109352.3/19020−19048
AP003174.2/91762−91734
S57280.1/391−417
UUUCCUGCUUCAACAGUGCUUGGACGGAAC
UUUCCUGUUUCAACAGUGCUUGGAGGAAC
UUUCUUCUUCAACAGUGUUUGGAUGGAAC
UCGUUCGUCCUCAGUGCAGGGCAAUAG
Multiples Alignment:
AB062402./11−40
AC109352.3/19020−19048
AP003174.2/91762−91734
S57280.1/391−417
U − − U U C C U G U U U C A A C A G U G C U U GG A − GG − A A C − −
U − − U U C U U − C U U C A A C A G U G U U U GG A U GG − A A C − −
U − − U U C C U G C U U C A A C A G U G C U U GG A C GG − A A C − −
U C G U U C G U − C C U C A − − − G U G C − − A G − − GG C A A U A G
Abbildung 1.3: Multiples Alignment von vier Iron-Response-Elementen. Das Alignment
beruht dabei nur auf den Sequenzinformationen und vernachlässigt eventuell
enthaltene Strukturen komplett.
te sich dabei sowohl auf die Struktur, als auch auf den evolutionären Hintergrund
beziehen. Idealerweise würden also die Basen innerhalb einer Spalte ähnliche strukturelle
Positionen aufweisen und von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen.
Die Aufgabe von multiplen Alignments besteht also im Organisieren, Visualisieren
und Analysieren mehrerer Sequenzen. Damit spielen sie als Eingabe für viele
nachfolgende Methoden der Datenanalyse eine wichtige Rolle, weshalb ihr Anwendungsbereich
in der Biologie fast keine Grenzen kennt.
Allgemein könnte man multiple Alignments als eine Erweiterung der paarweisen
Alignments betrachten. Alles was paarweise Alignments können, können auch
multiple Alignments – allerdings um einiges besser, da sie viel genauere Informationen
über die Verteilung an einzelnen Positionen liefern. So ist es beispielsweise
möglich, dass gemeinsame funktionelle Bereiche in Proteinfamilien erst durch die
Verstärkung eines multiplen Alignments klar erkennbar werden, da die gegenseitigen
Ähnlichkeiten für sich zu schwach sind, um durch ein paarweises Alignment
hervorgehoben zu werden. Oder um es in den anschaulichen Worten des Molekularbiologen
Arthur M. Lesk auszudrücken: “One or two homologous sequences whisper
– a full multiple alignment shouts out loud.”
Darüber hinaus bieten multiple Alignments aber noch Fähigkeiten, die über
eine bloße Verallgemeinerung der paarweisen Alignments hinausgehen. Paarweise
Alignments werden in der Regel verwendet, um für neue Sequenzen mit unbekannter
Funktion möglichst ähnliche mit bekannter Funktion zu finden. Da man annimmt,
dass ähnliche Sequenzen auch ähnliche Funktionen nachsichziehen, schließt man so
auf die Funktion der neuen Sequenz.
Will man hingegen diesen Schluss umkehren, kommt man mit paarweisen Alignments
nicht weiter. Es gibt jede Menge Fälle, in denen sehr unterschiedliche
Sequenzen trotz allem eine ähnliche Funktion aufweisen. Hier können nun multiple
Alignments ihre Stärke ausspielen. Hat man mehrere Sequenzen, die trotz
großer syntaktischer Unterschiede funktionsverwandt sind, versucht man mit multiplen
Alignments herauszufinden, wo gemeinsame Kernbereiche hoher Ähnlichkeit
liegen. Diese Kernbereiche könnten die essentiellen Teile der Moleküle sein, über die
sich die Funktion definiert. So gesehen entsprechen multiple Alignments eher den
Zielsetzungen der Abstraktion, Regelfindung, Generalisierung oder Erklärung.
Neben der Identifikation von funktionsrelevanten und evolutionär konservierten
Merkmalen gibt es jedoch noch eine Vielzahl von anderen Anwendungsmöglichkeiten.
So bilden multiple Alignments auch die Grundlage für die Ableitung evolutionärer
Historie aus DNA- oder Proteinsequenzen wie das Abschätzen von evolutionären
Distanzen oder die Suche nach Hinweisen für Selektion. Die Verteilungs-