Swarm-Organized Topographic Mapping

Topographieerhaltende Abbildungen versuchen, hochdimensionale oder komplexe Datenbestände auf einen niederdimensionalen Ausgaberaum abzubilden, wobei die Topographie der Daten hinreichend gut wiedergegeben werden soll. Die Qualität solcher Abbildung hängt gewöhnlich vom eingesetzten Nachbarschaftskonzept des konstruierenden Algorithmus ab. Die Schwarm-Organisierte Projektion ermöglicht eine Lösung dieses Parametrisierungsproblems durch die Verwendung von Techniken der Schwarmintelligenz. Die praktische Verwendbarkeit dieser Methodik wurde durch zwei Anwendungen auf dem Feld der Molekularbiologie sowie der Finanzanalytik demonstriert

Visual analysis of anatomy ontologies and related genomic information

Challenges in scientific research include the difficulty in obtaining overviews of the large amount of data required for analysis, and in resolving the differences in terminology used to store and interpret information in multiple, independently created data sets. Ontologies provide one solution for analysis involving multiple data sources, improving cross-referencing and data integration. This thesis looks at harnessing advanced human perception to reduce the cognitive load in the analysis of the multiple, complex data sets the bioinformatics user group studied use in research, taking advantage also of users’ domain knowledge, to build mental models of data that map to its underlying structure. Guided by a user-centred approach, prototypes were developed to provide a visual method for exploring users’ information requirements and to identify solutions for these requirements. 2D and 3D node-link graphs were built to visualise the hierarchically structured ontology data, to improve analysis of individual and comparison of multiple data sets, by providing overviews of the data, followed by techniques for detailed analysis of regions of interest. Iterative, heuristic and structured user evaluations were used to assess and refine the options developed for the presentation and analysis of the ontology data. The evaluation results confirmed the advantages that visualisation provides over text-based analysis, and also highlighted the advantages of each of 2D and 3D for visual data analysis.Overseas Research Students Awards SchemeJames Watt Scholarshi

BiologicalNetworks 2.0 - an integrative view of genome biology data

Abstract Background A significant problem in the study of mechanisms of an organism's development is the elucidation of interrelated factors which are making an impact on the different levels of the organism, such as genes, biological molecules, cells, and cell systems. Numerous sources of heterogeneous data which exist for these subsystems are still not integrated sufficiently enough to give researchers a straightforward opportunity to analyze them together in the same frame of study. Systematic application of data integration methods is also hampered by a multitude of such factors as the orthogonal nature of the integrated data and naming problems. Results Here we report on a new version of BiologicalNetworks, a research environment for the integral visualization and analysis of heterogeneous biological data. BiologicalNetworks can be queried for properties of thousands of different types of biological entities (genes/proteins, promoters, COGs, pathways, binding sites, and other) and their relations (interactions, co-expression, co-citations, and other). The system includes the build-pathways infrastructure for molecular interactions/relations and module discovery in high-throughput experiments. Also implemented in BiologicalNetworks are the Integrated Genome Viewer and Comparative Genomics Browser applications, which allow for the search and analysis of gene regulatory regions and their conservation in multiple species in conjunction with molecular pathways/networks, experimental data and functional annotations. Conclusions The new release of BiologicalNetworks together with its back-end database introduces extensive functionality for a more efficient integrated multi-level analysis of microarray, sequence, regulatory, and other data. BiologicalNetworks is freely available at http://www.biologicalnetworks.org

Revealing mammalian evolutionary relationships by comparative analysis of gene clusters

Many software tools for comparative analysis of genomic sequence data have been released in recent decades. Despite this, it remains challenging to determine evolutionary relationships in gene clusters due to their complex histories involving duplications, deletions, inversions, and conversions. One concept describing these relationships is orthology. Orthologs derive from a common ancestor by speciation, in contrast to paralogs, which derive from duplication. Discriminating orthologs from paralogs is a necessary step in most multispecies sequence analyses, but doing so accurately is impeded by the occurrence of gene conversion events. We propose a refined method of orthology assignment based on two paradigms for interpreting its definition: by genomic context or by sequence content. X-orthology (based on context) traces orthology resulting from speciation and duplication only, while N-orthology (based on content) includes the influence of conversion events

Cross-species network and transcript transfer

Metabolic processes, signal transduction, gene regulation, as well as gene and protein expression are largely controlled by biological networks. High-throughput experiments allow the measurement of a wide range of cellular states and interactions. However, networks are often not known in detail for specific biological systems and conditions. Gene and protein annotations are often transferred from model organisms to the species of interest. Therefore, the question arises whether biological networks can be transferred between species or whether they are specific for individual contexts. In this thesis, the following aspects are investigated: (i) the conservation and (ii) the cross-species transfer of eukaryotic protein-interaction and gene regulatory (transcription factor- target) networks, as well as (iii) the conservation of alternatively spliced variants. In the simplest case, interactions can be transferred between species, based solely on the sequence similarity of the orthologous genes. However, such a transfer often results either in the transfer of only a few interactions (medium/high sequence similarity threshold) or in the transfer of many speculative interactions (low sequence similarity threshold). Thus, advanced network transfer approaches also consider the annotations of orthologous genes involved in the interaction transfer, as well as features derived from the network structure, in order to enable a reliable interaction transfer, even between phylogenetically very distant species. In this work, such an approach for the transfer of protein interactions is presented (COIN). COIN uses a sophisticated machine-learning model in order to label transferred interactions as either correctly transferred (conserved) or as incorrectly transferred (not conserved). The comparison and the cross-species transfer of regulatory networks is more difficult than the transfer of protein interaction networks, as a huge fraction of the known regulations is only described in the (not machine-readable) scientific literature. In addition, compared to protein interactions, only a few conserved regulations are known, and regulatory elements appear to be strongly context-specific. In this work, the cross-species analysis of regulatory interaction networks is enabled with software tools and databases for global (ConReg) and thousands of context-specific (CroCo) regulatory interactions that are derived and integrated from the scientific literature, binding site predictions and experimental data. Genes and their protein products are the main players in biological networks. However, to date, the aspect is neglected that a gene can encode different proteins. These alternative proteins can differ strongly from each other with respect to their molecular structure, function and their role in networks. The identification of conserved and species-specific splice variants and the integration of variants in network models will allow a more complete cross-species transfer and comparison of biological networks. With ISAR we support the cross-species transfer and comparison of alternative variants by introducing a gene-structure aware (i.e. exon-intron structure aware) multiple sequence alignment approach for variants from orthologous and paralogous genes. The methods presented here and the appropriate databases allow the cross-species transfer of biological networks, the comparison of thousands of context-specific networks, and the cross-species comparison of alternatively spliced variants. Thus, they can be used as a starting point for the understanding of regulatory and signaling mechanisms in many biological systems.In biologischen Systemen werden Stoffwechselprozesse, Signalübertragungen sowie die Regulation von Gen- und Proteinexpression maßgeblich durch biologische Netzwerke gesteuert. Hochdurchsatz-Experimente ermöglichen die Messung einer Vielzahl von zellulären Zuständen und Wechselwirkungen. Allerdings sind für die meisten Systeme und Kontexte biologische Netzwerke nach wie vor unbekannt. Gen- und Proteinannotationen werden häufig von Modellorganismen übernommen. Demnach stellt sich die Frage, ob auch biologische Netzwerke und damit die systemischen Eigenschaften ähnlich sind und übertragen werden können. In dieser Arbeit wird: (i) Die Konservierung und (ii) die artenübergreifende Übertragung von eukaryotischen Protein-Interaktions- und regulatorischen (Transkriptionsfaktor-Zielgen) Netzwerken, sowie (iii) die Konservierung von Spleißvarianten untersucht. Interaktionen können im einfachsten Fall nur auf Basis der Sequenzähnlichkeit zwischen orthologen Genen übertragen werden. Allerdings führt eine solche Übertragung oft dazu, dass nur sehr wenige Interaktionen übertragen werden können (hoher bis mittlerer Sequenzschwellwert) oder dass ein Großteil der übertragenden Interaktionen sehr spekulativ ist (niedriger Sequenzschwellwert). Verbesserte Methoden berücksichtigen deswegen zusätzlich noch die Annotationen der Orthologen, Eigenschaften der Interaktionspartner sowie die Netzwerkstruktur und können somit auch Interaktionen auf phylogenetisch weit entfernte Arten (zuverlässig) übertragen. In dieser Arbeit wird ein solcher Ansatz für die Übertragung von Protein-Interaktionen vorgestellt (COIN). COIN verwendet Verfahren des maschinellen Lernens, um Interaktionen als richtig (konserviert) oder als falsch übertragend (nicht konserviert) zu klassifizieren. Der Vergleich und die artenübergreifende Übertragung von regulatorischen Interaktionen ist im Vergleich zu Protein-Interaktionen schwieriger, da ein Großteil der bekannten Regulationen nur in der (nicht maschinenlesbaren) wissenschaftlichen Literatur beschrieben ist. Zudem sind im Vergleich zu Protein-Interaktionen nur wenige konservierte Regulationen bekannt und regulatorische Elemente scheinen stark kontextabhängig zu sein. In dieser Arbeit wird die artenübergreifende Analyse von regulatorischen Netzwerken mit Softwarewerkzeugen und Datenbanken für globale (ConReg) und kontextspezifische (CroCo) regulatorische Interaktionen ermöglicht. Regulationen wurden dafür aus Vorhersagen, experimentellen Daten und aus der wissenschaftlichen Literatur abgeleitet und integriert. Grundbaustein für viele biologische Netzwerke sind Gene und deren Proteinprodukte. Bisherige Netzwerkmodelle vernachlässigen allerdings meist den Aspekt, dass ein Gen verschiedene Proteine kodieren kann, die sich von der Funktion, der Proteinstruktur und der Rolle in Netzwerken stark voneinander unterscheiden können. Die Identifizierung von konservierten und artspezifischen Proteinprodukten und deren Integration in Netzwerkmodelle würde einen vollständigeren Übertrag und Vergleich von Netzwerken ermöglichen. In dieser Arbeit wird der artenübergreifende Vergleich von Proteinprodukten mit einem multiplen Sequenzalignmentverfahren für alternative Varianten von paralogen und orthologen Genen unterstützt, unter Berücksichtigung der bekannten Exon-Intron-Grenzen (ISAR). Die in dieser Arbeit vorgestellten Verfahren, Datenbanken und Softwarewerkzeuge ermöglichen die Übertragung von biologischen Netzwerken, den Vergleich von tausenden kontextspezifischen Netzwerken und den artenübergreifenden Vergleich von alternativen Varianten. Sie können damit die Ausgangsbasis für ein Verständnis von Kommunikations- und Regulationsmechanismen in vielen biologischen Systemen bilden

WormBase in 2022-data, processes, and tools for analyzing Caenorhabditis elegans

WormBase (www.wormbase.org) is the central repository for the genetics and genomics of the nematode Caenorhabditis elegans. We provide the research community with data and tools to facilitate the use of C. elegans and related nematodes as model organisms for studying human health, development, and many aspects of fundamental biology. Throughout our 22-year history, we have continued to evolve to reflect progress and innovation in the science and technologies involved in the study of C. elegans. We strive to incorporate new data types and richer data sets, and to provide integrated displays and services that avail the knowledge generated by the published nematode genetics literature. Here, we provide a broad overview of the current state of WormBase in terms of data type, curation workflows, analysis, and tools, including exciting new advances for analysis of single-cell data, text mining and visualization, and the new community collaboration forum. Concurrently, we continue the integration and harmonization of infrastructure, processes, and tools with the Alliance of Genome Resources, of which WormBase is a founding member

Contextual Analysis of Gene Expression Data

As measurement of gene expression using microarrays has become a standard high throughput method in molecular biology, the analysis of gene expression data is still a very active area of research in bioinformatics and statistics. Despite some issues in quality and reproducibility of microarray and derived data, they are still considered as one of the most promising experimental techniques for the understanding of complex molecular mechanisms. This work approaches the problem of expression data analysis using contextual information. While all analyses must be based on sound statistical data processing, it is also important to include biological knowledge to arrive at biologically interpretable results. After giving an introduction and some biological background, in chapter 2 some standard methods for the analysis of microarray data including normalization, computation of differentially expressed genes, and clustering are reviewed. The first source of context information that is used to aid in the interpretation of the data, is functional annotation of genes. Such information is often represented using ontologies such as gene ontology. GO annotations are provided by many gene and protein databases and have been used to find functional groups that are significantly enriched in differentially expressed, or otherwise conspicuous genes. In gene clustering approaches, functional annotations have been used to find enriched functional classes within each cluster. In chapter 3, a clustering method for the samples of an expression data set is described that uses GO annotations during the clustering process in order to find functional classes that imply a particularly strong separation of the samples. The resulting clusters can be interpreted more easily in terms of GO classes. The clustering method was developed in joint work with Henning Redestig. More complex biological information that covers interactions between biological objects is contained in networks. Such networks can be obtained from public databases of metabolic pathways, signaling cascades, transcription factor binding sites, or high-throughput measurements for the detection of protein-protein interactions such as yeast two hybrid experiments. Furthermore, networks can be inferred using literature mining approaches or network inference from expression data. The information contained in such networks is very heterogenous with respect to the type, the quality and the completeness of the contained data. ToPNet, a software tool for the interactive analysis of networks and gene expression data has been developed in cooperation with Daniel Hanisch. The basic analysis and visualization methods as well as some important concepts of this tool are described in chapter 4. In order to access the heterogeneous data represented as networks with annotated experimental data and functions, it is important to provide advanced querying functionality. Pathway queries allow the formulation of network templates that can include functional annotations as well as expression data. The pathway search algorithm finds all instances of the template in a given network. In order to do so, a special case of the well known subgraph isomorphism problem has to be solved. Although the algorithm has exponential running time in the worst case, some implementation tricks make it run fast enough for practical purposes. Often, a pathway query has many matching instances, and it is important to assess the statistical significance of the individual instances with respect to expression data or other criteria. In chapter 5 the pathway query language and the pathway search algorithm are described in detail and some theoretical properties are derived. Furthermore, some scoring methods that have been implemented are described. The possibility of combining different scoring schemes for different parts of the query result in very flexible scoring capabilities. In chapter 6, some applications of the methods are described, using public data sets as well as data sets from research projects. On the basis of the well studied public data sets, it is demonstrated that the methods yield biologically meaningful results. The other analyses show how new hypotheses can be generated in more complex biological systems, but the validation of these hypotheses can only be provided by new experiments. Finally, an outlook is given on how the presented methods can contribute to ongoing research efforts in the area of expression data analysis, their applicability to other types of data (such as proteomics data) and their possible extensions.Während die Messung von RNA-Konzentrationen mittels Microarrays eine Standardtechnik zur genomweiten Bestimmung von Genexpressionswerten geworden ist, ist die Analyse der dabei gewonnenen Daten immer noch ein Gebiet äußerst aktiver Forschung. Trotz einiger Probleme bezüglich der Reproduzierbarkeit von Microarray- und davon abgeleiteten Daten werden diese als eine der vielversprechendsten Technologien zur Aufklärung komplexer molekularer Mechanismen angesehen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Problem der Expressionsdatenanalyse mit Hilfe von Kontextinformationen. Alle Analysen müssen auf solider Statistik beruhen, aber es ist außerdem wichtig, biologisches Wissen einzubeziehen, um biologisch interpretierbare Ergebnisse zu erhalten. Nach einer Einleitung und einigem biologischen Hintergrund werden in Kapitel 2 einige Standardmethoden zur Analyse von Expressionsdaten vorgestellt, wie z.B. Normalisierung, Berechnung differenziell exprimierter Gene sowie Clustering. Die erste Quelle von Kontextinformationen, die zur besseren Interpretation der Daten herangezogen wird, ist funktionale Annotation von Genen. Solche Informationen werden oft mit Hilfe von Ontologien wie z.B. der Gene Ontology dargestellt. GO Annotationen werden von vielen Gen- und Proteindatenbanken zur Verfügung gestellt und werden unter anderem benutzt, um Funktionen zu finden, die signifikant angereichert sind an differenziell exprimierten oder aus anderen Gründen auffälligen Genen. Bei Clusteringmethoden werden funktionale Annotationen benutzt, um in den gefundenen Clustern angereicherte Funktionen zu identifizieren. In Kapitel 3 wird ein neues Clusterverfahren für Proben in Expressionsdatensätzen vorgestellt, das GO Annotationen während des Clustering benutzt, um Funktionen zu finden, anhand derer die Expressionsdaten besonders deutlich getrennt werden können. Die resultierenden Cluster können mit Hilfe der GO Annotationen leichter interpretiert werden. Die Clusteringmethode wurde in Zusammenarbeit mit Henning Redestig entwickelt. Komplexere biologische Informationen, die auch die Interaktionen zwischen biologischen Objekten beinhaltet, sind in Netzwerken enthalten. Solche Netzwerke können aus öffentlichen Datenbanken von metabolischen Pfaden, Signalkaskaden, Bindestellen von Transkriptionsfaktoren, aber auch aus Hochdurchsatzexperimenten wie der Yeast Two Hybrid Methode gewonnen werden. Außerdem können Netzwerke durch die automatische Auswertung wissenschaftlicher Literatur oder Inferenz aus Expressionsdaten gewonnen werden. Die Information, die in solchen Netzwerken enthalten ist, ist sehr verschieden in Bezug auf die Art, die Qualität und die Vollständigkeit der Daten. ToPNet, ein Computerprogramm zur interaktiven Analyse von Netzwerken und Genexpressionsdaten, wurde gemeinsam mit Daniel Hanisch entwickelt. Die grundlegenden Analyse und Visualisierungsmethoden sowie einige wichtige Konzepte dieses Programms werden in Kapitel 4 beschrieben. Um auf die verschiedenartigen Daten zugreifen zu können, die durch Netzwerke mit funktionalen Annotationen sowie Expressionsdaten repräsentiert werden, ist es wichtig, flexible und mächtige Anfragefunktionalität zur Verfügung zu stellen. Pathway queries erlauben die Beschreibung von Netzwerkmustern, die funktionale Annotationen sowie Expressionsdaten enthalten. Der pathway search Algorithmus findet alle Instanzen des Musters in einem gegebenen Netzwerk. Dazu muss ein Spezialfall des bekannten Subgraph-Isomorphie-Problems gelöst werden. Obwohl der Algorithmus im schlechtesten Fall exponentielle Laufzeit in der Größe des Musters hat, läuft er durch einige Implementationstricks schnell genug für praktische Anwendungen. Oft hat eine pathway query viele Instanzen, so dass es wichtig ist, die statistische Signifikanz der einzelnen Instanzen in Hinblick auf Expressionsdaten oder andere Kriterien zu bestimmen. In Kapitel 5 werden die Anfragesprache pathway query language sowie der pathway search Algorithmus im Detail vorgestellt und einige theoretische Eigenschaften gezeigt. Außerdem werden einige implementierte Scoring-Methoden beschrieben. Die Möglichkeit, verschiedene Teile der Anfrage mit verschiedenen Scoring-Methoden zu bewerten und zu einem Gesamtscore zusammenzufassen, erlaubt äußerst flexible Bewertungen der Instanzen. In Kapitel 6 werden einige Anwendungen der vorgestellten Methoden beschrieben, die auf öffentlichen Datensätzen sowie Datensätzen aus Forschungsprojekten beruhen. Mit Hilfe der gut untersuchten öffentlichen Datensätze wird gezeigt, dass die Methoden biologisch sinnvolle Ergebnisse liefern. Die anderen Analysen zeigen, wie neue Hypothesen in komplexeren biologischen Systemen generiert werden können, die jedoch nur mit Hilfe von weiteren biologischen Experimenten validiert werden könnten. Schließlich wird ein Ausblick gegeben, was die vorgestellten Methoden zur laufenden Forschung im Bereich der Expressionsdatenanalyse beitragen können, wie sie auf andere Daten angewendet werden können und welche Erweiterungen denkbar und wünschenswert sind

PhyloFinder: An intelligent search engine for phylogenetic tree databases

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Bioinformatic tools are needed to store and access the rapidly growing phylogenetic data. These tools should enable users to identify existing phylogenetic trees containing a specified taxon or set of taxa and to compare a specified phylogenetic hypothesis to existing phylogenetic trees.</p> <p>Results</p> <p>PhyloFinder is an intelligent search engine for phylogenetic databases that we have implemented using trees from TreeBASE. It enables taxonomic queries, in which it identifies trees in the database containing the exact name of the query taxon and/or any synonymous taxon names, and it provides spelling suggestions for the query when there is no match. Additionally, PhyloFinder can identify trees containing descendants or direct ancestors of the query taxon. PhyloFinder also performs phylogenetic queries, in which it identifies trees that contain the query tree or topologies that are similar to the query tree.</p> <p>Conclusion</p> <p>PhyloFinder can enhance the utility of any tree database by providing tools for both taxonomic and phylogenetic queries as well as visualization tools that highlight the query results and provide links to NCBI and TBMap. An implementation of PhyloFinder using trees from TreeBASE is available from the web client application found in the availability and requirements section.</p