Methoden der Kommunikationstheorie zur funktionsorientierten Analyse konservierter DNS-Sequenzen
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden stark konservierte, nicht codierende DNA Sequenzen mittels Methoden der Informations- und Kommunikationstheorie untersucht. Aus der engen Zusammenarbeit von Evolutionsbiologen und Ingenieuren in diesem Projekt ergaben sich neuartige Fragestellungen und Ergebnisse, die sowohl für die Kommunikationstheorie als auch die Molekularbiologie relevant sind. So wurde ein Kommunikationsmodell für die prokaryotische Transkription entwickelt, das interessante Analogien zur Rahmensynchronisation in der Übertragungstechnik herstellt und eine biophysikalische Interpretation erlaubt. Es konnte gezeigt werden, dass die hoch-konservierten Promotorsequenzen Eigenschaften aufweisen, die denen von Synchronisationswörtern in der Nachrichtentechnik gleichen. Basierend auf einem Codebuchmodell wurde unter Einbezug biophysikalischer Meßdaten die Umgebung von Promotorsequenzen untersucht, was zur Beobachtung eines charakteristischen Energieverlaufs führte. Dies könnte erklären, wie die entsprechenden Transkriptionsfaktoren die Promotoren finden. Ein ähnliches Modell wurde für den Translationsprozess entwickelt. Es ermöglicht die Vorhersage von Mutationseffekten an der Initiationssequenz, wie sie von Laborexperimenten bestätigt werden. Die Modelle können auch generell auf den eukaryotschen Transkriptions- und Translationsprozess angewandt werden. Das Detektionsproblem von konservierten Elementen in sogenannten multiple sequence alignments wurde statistisch untersucht und ein neuer Ansatz entwickelt, der auf weniger a priori Annahmen beruht und ein sensitives Maß der Konserviertheit liefert. Vergleiche mit anderen Methoden wurden simuliert und zeigen die gewonnenen Verbesserungen. Unsere Methode lässt sich außerdem auf komplexere Evolutionsmodelle, die Insertionen und Deletionen mit einschliessen, anwenden. Die DNA Fehlerkorrekturhypothese wurde zunächst nur nachrichtentechnisch untersucht. Dabei wurde ein neuer Ansatz entwickelt, mit dem eine bestimmte Klasse von Codes auch aus stark gestörten Datenströmen detektiert und rekonstruiert werden kann. Für die großflächige Anwendung auf die DNA müssen die Methoden jedoch weiter angepasst und zusätzliche Fragestellungen gelöst werden. So muss z.B. das hoch-redundante Vorliegen und die Variationsfähigkeit der genomischen DNA berücksichtigt werden.
