Tools for functional genomics applied to Staphylococci, Listeriae, Vaccinia virus and other organisms [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Chunguang Liang
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Tools for functional genomics applied to Staphylococci, Listeriae, Vaccinia virus and other organisms        Dissertation zur Erlangung des naturwissenschaftlichen Doktorgrades der Bayerischen Julius‐Maximilians‐Universität Würzburg          Vorgelegt von Chunguang Liang, M.Sc. aus Shandong, V.R.C  Würzburg 2009   Introduction .................................................................................................................................... 4 Problem and challenges.......................................................................................................... 4 Genus Listeria.......................................................................................................................... 6 Staphylococcus aureus............................................................................................................ 8 Vaccinia virus 9 Other organism: Tardigrade.................................................................................................. 10 Ultrafast DNA sequencing technology.................................................................................. 11 Motivation............................................................................................................................. 13 Materials & Methods.................................................................................................................... 15 Hardware requirements ..............................

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Publié le 01 janvier 2009
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Tools for functional genomics applied to Staphylococci, Listeriae, Vaccinia virus and other organisms        Dissertation zur Erlangung des naturwissenschaftlichen Doktorgrades der Bayerischen JuliusMaximiliansitätversUni Würzburg    
 
     Vorgelegt von Chunguang Liang, M.Sc. aus Shandong, V.R.C  Würzburg 2009 
  Introduction.................................................................................................................................... 4 Problem and challenges.......................................................................................................... 4 Genus Listeria.......................................................................................................................... 6 Staphylococcus aureus............................................................................................................ 8 Vaccinia virus.......................................................................................................................... 9 Other organism: eadgridraT.................................................................................................. 10 Ultrafast DNA sequencing technology.................................................................................. 11 Motivation............................................................................................................................. 13 Materials & Methods.................................................................................................................... 15 Hardware requirements....................................................................................................... 15 Databases used..................................................................................................................... 15 Transcriptome data of tardigrade......................................................................................... 15 Measuring external iolbeattesm........................................................................................... 16 Measuring proteomic data................................................................................................... 16 Methods involved in online software................................................................................... 17 CLANS clustering....................................................................................................... 17 Identification of regulatory elements....................................................................... 17 COGMaster: COG clustering and identification........................................................ 17 Pattern searches....................................................................................................... 17 Methods involved in standalone software........................................................................... 18 Genome analysis....................................................................................................... 18 Metabolite analysis................................................................................................... 21 Elementary mode analysis (EMA)............................................................................. 23 Flux balance analysis (FBA)....................................................................................... 26 Publications and Own contributions............................................................................................. 28 Contribution details of the authors...................................................................................... 30 General Discussion........................................................................................................................ 34
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Functional genomics and tionlizasiauV................................................................................. 34 Genome snosirapmoC........................................................................................................... 35 Modelling Bacteria................................................................................................................ 35 Limitations and Challenges:...................................................................................... 35 Applications........................................................................................................................... 40 S.aureus atemilobsm:............................................................................................... 40 Tardigrade workbench:............................................................................................. 41 Applications for systems biology and synthetic biology....................................................... 42 Conclusion............................................................................................................................. 43 Summary....................................................................................................................................... 44 Genome sequence analysis................................................................................................... 44 Metabolic network analysis.................................................................................................. 44 Oncolytic vaccinia virus (VACV)............................................................................................ 45 Zusammenfassung........................................................................................................................ 47 Genom Sequenz Analyse...................................................................................................... 47 Metabolische Netzwerk Analyse.......................................................................................... 47 Onkolytischer Vaccinia Virus (VACV).................................................................................... 48 Bibliography.................................................................................................................................. 50 Nomenclatures.............................................................................................................................. 58 Curriculum Vitae........................................................................................................................... 59 Fundamental information..................................................................................................... 59 Education and scientific experiences.................................................................................... 59 Appendix of original publications................................................................................................. 60 Acknowledgements....................................................................................................................... 61
 
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Introduction 
Problem and challenges We live in the new age of postgenomic biology. This means that already a large amount of data is known, most importantly many genome sequences. Postgenomics tries to put these data into context, for instances connecting data sets from mtebalosi,m proteomics and transcriptomics to these preexistent genomics data. Furthermore, new efforts and methods allow to deal with biological systems as a whole and in a systematic manner to reveal their inbuild system properties. This is the advent of systems biology, which encompasses the full scale of complexity inherent in the just mentioned data sets to reveal the hidden interdependencies of the system and how it reacts and adapts to the environment. This causes a requirement for additional data and individual datasets because only massive data on all levels of the system make a tatieviqntua ioncsedtpir of biological systems possible and their different possibilities to react to stimuli, stress and environmental factors. Current research on such large, often genomescale data set faces thus a couple of prominent uciffidlties: Due to large data sets, there often is an extremely long time of lutaacclion. This is already the case for the most basic itnosclaucal which are possible in genomics, for instance sequence isars.onmpco Only with the advent of the modern versions of fast heuristics for such rapid asmentlign such as BLAST (Altschul et al. 1997), it is possible to compare new sequences to the millions of entries and the very long DNA sequences stored (billions of nucleotides). However, these queries and sequence alignment onslatialcuc pose typical challenges to computer systems which can be dealt by a combination of hardware and a heuristic, i.e. a non exact search. However, there are more and more cgienllnhga data sets in current studies, i.e., the timeoinmutpocsn is not in a linear pihrtalesnoi to the data size, and mostly exponential. This applies to data sets of transcriptomics, for instance regarding RNA folding, searches for matches of RNA structures in different sequences or even genomes and in general analyses of RNA structures. yl,Smilira structural comparisons in proteins lead to long ionsulataccl which quite often have exponential requirements for calculation and storage space, require heuristics for rapid and applied 
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solutions and are, in fact, for the full protein folding problem NPhard problems:  There is no polynome which can describe the required search time for the calculation algorithm. This theme appears again in various other proteomics data sets and calculation problems in largescale data sets. They all are NPhard and require not only very fast hardware and calculation algorithms but in fact depend on a clever heuristic to cope with these time for calculation problems. Moreover, interdependencies between system components drastically increase the calculation time, most evident in onslatialcuc regarding genomescale metabolic networks, metabolic fluxes and involved enzymes and pathways. Here, even best strategies may lead the elementary flux modes in the network incalculable, the socalled combinatorial explosion (Schuster et al. 2002). The interdependencies between data sets thus dramatically increase the modelling complexity. Some of these different challenges of modern genomescale biological data are dealt with in this thesis. Specifically, we follow the flow of noitamrofni from the genome via transcriptome to proteome and metabolites and devise here a number of different software applications which always greatly enhance our capability to deal with the calculation challenges involved. First, inGeno allows rapid genomescale comparisons for many akorpcitoyr genomes. Second, JANE deals with the challenge of mapping large numbers of ESTs to a template genome and even with the additional challenge that this genome template is not yet known, so mapping has to be done to a surrogate template (important for instance in single cell sequencing). We then turn our research on metabolic modelling and calculate the physiological changes according to metabolite data and proteomic data. This challenge has no publicly available software can support, we promote the algorithm and implement in the YANAsquare package (Schwarz et al. 2007), calculate the nullspace. The hardconvergence problem due to large number of modes is solved using YANAvergence (a nonlinear ioatizimotpn routine implemented in GNU R). Besides this research flowchart, a platform (GENOVA for functional genomics, Tardigrade workbench and JANE) is prepared for extending our research also on other species (S. aureus RN1, NCTC 8325) and organisms (Tardigrada), piotemtranscr data and genome data is analyzed. Vaccinia virus provides a promising way to selectively lyse the tumor cells, and thus we sequence and conduct the analysis on potential genes related to oncolysis 
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and tissuetropisms. The optimized strains, GLV1h68, GLVONC1 have been in a clinical trial state of cancer therapy.   
Genus Listeria Listeriae are grampositive, motile, facultative anaerobic rodlike bacteria that are ysluibuqtiuo occurring in nature. Listeria are members of a group of bacteria with low G+C DNA content that includes species of the genera Bacillus, Clostridium, Enterococcus, otocrtpeSccus, and Staphylococcus. Currently the genus Listeria consists of six different species: Listeria monocytogenes, Listeria ivanovii, Listeria innocua, Listeria welshimeri, Listeria seeligeri, and Listeria grayi (Sallen et al. 1996, Collins et al. 1991).  Two species among them, L. monocytogenes and L. ivanovii have already been recognized currently as pathogen, which can lead to listeriosis, an opportunistic infection of humans as well as animals. The most oftenseen symptoms are abortion, septicemia, meningitis, meningoencephalitis, perinatal infections and gastroenteritis (VazquezBoland et al. 2001). The natural habitat of Listeria is thought to be the surface layer of soil rich in decaying plant matter. From this, they gain portopyunit to enter vertebrate host via the oral route after consuming contaminated food.  The infectious host range of L. monocytogenes is relatively wide including mammals and birds, while L. ivanovii can only be pathogenic to ruminant species. Both L. monocytogenes and L. ivanovii are typically facultative cartnirlaluel parasites (Farber and Peterkin 1991, Meier and Lopez 2001). They have capabilities of proliferating within macrophages and a variety of normally ytocicnongahp cells, such as epthelial cells, endothelial cells and hepatocytes. In all these cell types, pathogenic Listeria develops a characteristic intracellular life cycle spreading even from one infected cell to neighboring cells illustrated in the figure 1 (adapted from Tilny and Portnoy 1989). It begins with Listeria escaping from the phagocytic vacuole, entering the cytoplasm of the host cells. Following replication in the cytoplasm, they can move by action polymerization. Occasionally, formed protrusions on the cell membrane can excavate a passage to the neighbouring cell with help of ycotisspahog 
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