DE102006020844A1

DE102006020844A1 - Verfahren zur fuktionellen Annotation molekularer Netzwerke

Info

Publication number: DE102006020844A1
Application number: DE200610020844
Authority: DE
Inventors: Adrian Schubert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-05-04
Filing date: 2006-05-04
Publication date: 2007-11-08
Also published as: WO2007128373A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse molekularer Netzwerke in menschlichen, tierischen oder pflanzlichen Zellen und Gewebe, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Ermittlung von zell- und gewebespezifischen Toponomdaten; b) Analyse der gewonnenen zell- und gewebespezifischen Toponomdaten und Zuordnung einzelner spezifischer Toponomdaten zu zell- und gewebespezifischen Zuständen; c) Zuordnung von jeweils einem spezifischen Dezimalcode zu jedem spezifischen Toponommuster; d) Vergleich der ermittelten Dezimalcodes mit in mindestens einem Annotationsspeicher hinterlegten, zell- und gewebespezifische Zustände repräsentierende Dezimalcodes bekannter Toponommuster und e) Auswertung der in Verfahrensschritt d) verglichenen Daten zur Ermittlung eines teilweisen oder vollständigen struktur- und funktionsbezogenen Abbilds des untersuchten molekularen Netzwerks.

Description

Nachdem grundlegende Technologien im Hinblick auf die Lokalisation einer beliebigen Zahl verschiedener Proteine oder anderer Molekülspezies in ein- und derselben biologischen Struktur beschrieben wurden ( EP 0 180 428 B1 und DE 10 2006 011 467 ), ist die systematische Annotation und Entschlüsselung so gewonnener Daten bisher nicht gelöst. Insbesondere ist noch kein System bekannt, mit dessen Hilfe das vollständige Toponom (die Gesamtheit der molekularen Netzwerke einer Zelle oder eines Gewebes) funktionell annotiert und entschlüsselt werden kann. Hier hingegen liegt die nächste Herausforderung der humanen Biotechnologie, nämlich die hierarchischen Prinzipien der Proteine, die jedem strukturgebundenen Protein-Netzwerk zugrunde liegen, zu kartieren und damit die jeweilige zelluläre Funktion der einzelnen Proteine, die sich nur aus dem topologischen Kontext zu anderen Proteinen und der Zellstruktur ergeben, zu bestimmen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird im Folgenden ein Verfahren (Toponom-Leseverfahren) als Gesamtsystem zur funktionellen Annotation molekularer Netzwerke beschrieben.

1. Das erfindungsgemäße Toponom-Leseverfahren besteht aus folgenden Komponenten: a) Daten Gewinnung; b) „Image processing" & Daten Analyse; c) Annotation, bestehend aus den Unterkomponenten "Toponome Strings" und "Toponome Dictionary"
2. Die beschriebenen Komponenten sind interaktiv insofern, als Muster, die im Annotationsspeicher (1c) abgelegt wurden, ständig die Datengewinnung (1a) kontrollieren, dahingehend, dass sie überprüfen, ob ein aktuelles Toponom Muster bereits früher annotiert wurde, welche biologische Bedeutung es hat, und ob insofern der weitere Datengewinnungsprozess abgebrochen werden sollte, um Kosten und Zeit zu sparen. Im Falle der Redundanz eines Toponom Musters wird der weitere Datengewinnungsprozess automatisch abgebrochen.
3. Die Komponente „Annotation" kann folgende Strukturen aufweisen:

a) Toponom Bänder („Toponome Strings"):
Toponome Strings sind die Grundstruktur für die fortlaufende Annotation und Entschlüsselung eines jedweden Toponoms (Mensch, Tier oder Pflanze). Sie sind, analog eines Lochkartenstreifens, als quasi infinites fortlaufendes, in einer Rechnerstruktur vorhandenes Band (String) zu verstehen, auf dem ein jeweiliges Toponom Muster in horizontaler Richtung angeordnet und einem bestimmten biologischen Prozess (Krankheit, oder Gesundheit), einem Gewebetyp, einem Zelltyp oder einer subzellulären Struktur zugeordnet ist, im folgenden gesamthaft als „Zustände" bezeichnet. In vertikaler Richtung wird jedem bestimmten Toponom Muster ein Dezimalcode zugeordnet. Zahlreiche, quasi beliebig viele Zustände können in horizontaler Richtung fortgeschrieben werden. Dabei werden jedem neuen Zustand die für diesen Zustand spezifischen Toponom Muster zugeordnet. Tritt ein jeweiliges Toponom Muster in definierten Zuständen nicht auf, so wird diese Tatsache als „Leerstelle" an der betreffenden Stelle in dem Band annotiert. Auf diese Weise können konkrete Toponom Muster, die unter Dezimalcodierung kartiert sind, bezüglich jedes beliebigen anderen Zustandes verglichen werden, sofern er bei der Datengewinnung erfasst wurde. Strings werden auf Rollen „gewickelt" und können auf diese Weise hoch komprimiert und visualisiert werden.
b) Superstrings
Durch Proteom-weite Tag-Bibliotheken, mit deren Hilfe quasi jedes beliebige Protein bei der Datengewinnung lokalisiert werden kann, werden fortlaufend neue Toponom Muster gefunden. Durch eine Strategie überlappender Tag Bibliotheken, können Superstrings erzeugt werden, indem computergestützt die jeweils neuen Toponom Muster an die bereits bekannten angeknüpft und dadurch aneinandergereiht werden können. Dadurch lassen sich Toponome vollständig kartieren. Durch Feststellung der Leerstellen können dadurch die für die jeweiligen Zustände spezifischen Toponom Muster annotiert und damit funktionell eindeutig zugeordnet werden. Auf diese Weise entsteht ein Abbild des gesamten struktur- und funktionsbezogenen Toponoms eines Organismus.
c) Toponome Dictionary
Die meisten Toponom Muster sind dadurch gekennzeichnet, dass sie Leitproteine enthalten. Mit Hilfe biologischer Knock down Experimente kann die Funktion solcher Leitproteine geprüft werden. Darüber hinaus kann dementsprechend jedes andere Nicht-Leitprotein eines Toponom Musters ebenfalls durch Knock down Experimente ausgeschaltet werden. Durch solche Experimente kann die exakte zelluläre Funktion jedes einzelnen Proteins innerhalb eines Toponom Musters analysiert werden. Fällt z.B. ein Toponom Muster auseinender, wenn ein Leitprotein inhibiert wurde, so kann man daraus schließen, daß dieses Leitprotein die korrekte korrelative Topologie eines jeden anderen Proteins des entsprechenden Toponom Musters funktionell kontrolliert. Derartige Befunde müssen ebenfalls annotiert werden. Dies geschieht in dem vorliegenden Verfahren durch eine fortlaufende Annotation in einem deskriptiven, mit Hilfe eines verbalen Textes versehenen „Toponome Dictionary", das Bestandteil des Annotationsspeichers ist.
Schlußfolgerung
Im Gegensatz zum Stand der Technik beschreibt das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren ein Prinzip, dass es ermöglicht, Toponome systematisch zu annotieren und zu lesen. Analog zu den Bedeutungstragenden Kombinationen von Buchstaben in der menschlichen Sprache, werden durch dieses System Toponom Muster bestimmten Zuständen zugeordnet und dadurch mit biologischen Bedeutungen verknüpft. Da während eines Kartierungsprozesses, bereits im Stadium der Datengewinnung, ständig „online" durch den Annotationsspeicher überwacht wird, ob ein aktuell kartiertes Toponom Muster bereits „gesehen" wurde, besteht die Möglichkeit, den Kartierungsprozess abzubrechen, um Kosten und Zeit zu sparen.
Der entscheidende Vorteil liegt darin begründet, dass mit fortschreitender Toponom Kartierung über die Zeit immer höher fokussierte, Redundanzfreie Messungen durchgeführt werden: Erst dadurch wird die Komplettkartierung des Toponoms eines Organismus ein realistisches Untertangen. Der weitere entscheidende Vorteil dieses Leseverfahrens liegt darin, dass auf diese Weise wertvolle Daten über die zelluläre Funktion der Proteine eines Organismus in realistischen Zeitdimensionen gewonnen werden können, so dass die systematische Entschlüsselung von Krankheiten als Ausgangspunkt für die Medikamentenentwicklung möglich wird.
In der Figur ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisiert dargestellt.

Claims

Verfahren zur Analyse molekularer Netzwerke in menschlichen, tierischen oder pflanzlichen Zellen und Gewebe, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Ermittlung von zell- und gewebespezifischen Toponomdaten; b) Analyse der gewonnenen zell- und gewebespezifischen Toponomdaten und Zuordnung einzelner spezifischer Toponommuster zu zell- und gewebespezifischen Zuständen; c) Zuordnung von jeweils einem spezifischen Dezimalcode zu jedem spezifischen Toponommuster; d) Vergleich der ermittelten Dezimalcodes mit in mindestens einem Annotationsspeicher hinterlegten, zell- und gewebespezifische Zustände repräsentierende Dezimalcodes bekannter Toponommuster; und e) Auswertung der in Verfahrensschritt d) verglichenen Daten zur Ermittlung eines teilweisen oder vollständigen struktur- und funktionsbezogenen Abbilds des untersuchten molekularen Netzwerks.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte c) und d) zur Gewinnung und Ermittlung neuer, bisher nicht bekannter Toponommuster, die ebenfalls zell- und gewebespezifische Zustände repräsentieren, verwendet werden, wobei die gewonnenen Daten in dem Annotationsspeicher abgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Redundanz eines Toponommusters der Datengewinnungsprozess abgebrochen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Annotationsspeicher zudem Daten von Leitproteinen, die stellvertretend für ein Toponommuster oder einen entsprechenden Zustand sind, umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zell- und gewebespezifischen Zustände kranke oder gesunde Zellen oder krankes oder gesundes Gewebe, Zell- oder Gewebetypen oder subzelluläre Strukturen umfassen.