Algorithmische Bioinformatik (WS 2014/2015)

Diese Grundvorlesung nimmt einen zentralen Platz im Bachelor-Studiengang ein und wird daher während des Semesters mit einem erheblichen Arbeitsaufwand für die Teilnehmenden verbundensein. Veranschlagt sind wenigstens 20 Stunden pro Woche. Jede Woche gibt es zu der vierstündigen Vorlesung eine zweistündige Übung zu verschiedenen Terminen.
Im Anschluss an das Semester findet ein obligatorisches, zweiwöchiges Praktikum statt. Die Vorlesung baut auf Algorithmen und Datenstrukturen für Bioinformatik aus dem 3. Semester. Die Beherrschung des Stoffes wird vorausgesetzt.
Die Übungen können in einer Programmiersprache nach Wahl durchgeführt werden. Python bietet sich für diese Zwecke besonders an. Wir bieten dazu eine Einführung vor Vorlesungsbeginn an.

Betreuer

Martin Vingron
Annalisa Marsico
Juliane Perner
Annkatrin Bressin

Termine

Vorlesung (19710; 4SWS):
- Montags 12:00 - 14:00 - Takustr. 9, SR 005
- Mittwochs 10:00 - 12:00 - Takustr. 9, SR 005
Tutorien (19710a; 2SWS):
- Gruppe 1: Dienstags 10:00-12:00 - Takustr. 9, SR 046
- Gruppe 2: Dienstags 12:00-14:00 - Takustr. 9, SR 046
- Gruppe 3: Dienstags 16:00-18:00 - Arnimallee 6, SR 009
Praktikum (19710b; 2SWS):
- Vorbesprechung: 16.02.2015 10:00 - 12:00 - Takustr. 9, SR 005
- Bearbeitungszeitraum: 16.02.2015 - 24.02.2015
- Abschlusspräsentationen: 25.&26.02.2015 10:00 - 18:00 - Ihnestr. 63 SR 2
Python Einführung (optional):
- Freitag 10.10.2014 - Ihnestraße 63-73, PC-Pool im 2.Stock, Turm 3
- Anmeldung bei Juliane Perner erforderlich!
- Zeitraum: voraussichlich 10-18Uhr mit Einführung am Morgen und betreuten Ubungen am Nachmittag; Wir werden versuchen die Einführung so zu gestalten, dass Studierende, die an Klausuren teilnehmen müssen (bitte bei der Anmeldung angeben), nichts verpassen.
Klausuren:
Klausureinsicht am 27.02.2015 9:30-11:00Uhr, Ihnestr. 63 R3.3.73
Nachklausur (mündlich): 22. & 23.04.2015 vormittags, Ihnestr. 63 R3.3.73
Anmeldung zur Nachklausur bis zum 08.04.2015 per Email an Juliane Perner

Informationen zu den Übungen

Übungsgruppen

Teilnehmer müssen sich in Gruppen von zwei Personen zusammenfinden, die ein Übungsblatt gemeinsam bearbeiten und abgeben.
Bei Abgabe der Übungsblätter bitte deutlich die Nummer der Übungsgruppe und die Namen der Gruppenmitglieder kennzeichnen.
Jeder Teilnehmer der Gruppe sollte jede Aufgabe verstanden haben und vortragen können.

Vergabe der Plätze in den Übungsterminen

Die Zuordnung der Teilnehmer zu einer der drei möglichen Übungstermine erfolgt wie folgt anhand der Matrikelnummer:
- Nummer der Gruppe = (die Zahl aus den letzten beiden Ziffern der Matrikelnr.:) modulo 3 + 1
- Beispiel: Max Moritz mit Immatrikulationsnummer 92343461470 wird der Übungsgruppe 2 = (70 modulo 3) + 1 zugeteilt.
Zwei Übungsgruppenteilnehmer können untereinander die Gruppe tauschen. Ein solcher Übungsgruppentausch bitte per Email an Juliane Perner melden.

Bearbeitung und Besprechung der Übungen

Alle Aufgabenblätter müssen abgegeben werden und insgesamt muessen 60% der Punkte erreicht werden.
Montags in der Vorlesung werden die aktuellen Übungsblätter eingesammelt.
Die Ausgabe der Korrekturen erfolgt in den Übungen. Jeder Teilnehmer muss während des Semesters mindestens zwei Aufgaben an der Tafel erfolgreich vorrechnen oder erklären.

Informationen zum Praktikum

Die Teilnahme am Praktikum ist obligatorischer Bestandteil der Übungen. Die Bearbeitung der Praktikumsaufgabe erfolgt in Gruppen, die in der Vorbesprechung festgelegt werden. Jede Praktikumsgruppe erstellt einen Bericht und präsentiert die Ergebnisse.

Gesamtbenotung

Die Abschlussklausur geht zu 76% in die Note ein, die zwei Zwischenklausuren zu je 12%.

Literatur

Durbin, Eddy, Krogh, Graeme: Biological sequence analysis - Probabilistic models of proteins and nucleic acids. Cambridge University Press
Die Standardreferenz, umfasst die Sequenzbioinformatik, ist aber knapp gehalten. Es existiert ein empfehlenswertes Übungsbuch.
Haubold, Wiehe: Introduction to Computational Biology - An evolutionary approach. Birkhäuser.
Eine Einführung mit Fokus auf Phylogenie. Mehr Erklärungen als bei Durbin et al.
Deonier, Tavare, Waterman: Computational Genome Analysis. Springer Science and Business Media, Inc.
Ein umfassendes Lehrbuch für die Sequenzbioinformatik mit Beispielen und einer Einführung in R. Wendet sich eher an Informatiker und Physiker.
Zvelebil, Baum: Understanding Bioinformatics. Garland Science
Ein ausführliches Lehrbuch, bebildert und mit vielen Beispielen. Umfasst den gesamten Vorlesungsstoff, teilweise aber nicht in der nötigen Tiefe.
Mount: Bioinformatics. Sequence and Genome Analysis. Cold Spring Harbor Press.
Ein Lehrbuch, das sich vornehmlich an Biologen wendet. Umfasst die Sequenzbiologie und die Strukturbiologie.
Merkl, Waack: Bioinformatik Interaktiv. Wiley-VCH.
Ein Lehrbuch mit detaillierten Erklärungen. Die 2., erweiterte Auflage ist zu empfehlen.
Skript von Knut Reinert

Zeitplan

10.10	Crash Course (Alessandro Mammana): Python
13.10.	Vorlesung (Martin Vingron): Einführung, Komplexität von Algorithmen, Phylogenie, Bäume; Ausgabe
14.10.	Übungen (Annkatrin Bressin; Juliane Perner)
15.10.	Vorlesung (Martin Vingron): Phylogenie, Maximum-Parsimonie, Branch&bound, Markovketten
20.10.	Vorlesung (Martin Vingron): Phylogenie, Metriken, Clustering, Maximum-Likelihood; Ausgabe
21.10.	Übungen (Annkatrin Bressin; Juliane Perner)
22.10.	Vorlesung (Martin Vingron): Phylogenie, Maximum-Likelihood Schätzung
27.10.	Vorlesung (Martin Vingron): Phylogenie, Bootstrapping, Multiple alignments (Muscle, SATe, Script von Knut Reinert zur Wdh.); Ausgabe
28.10.	Übungen (Annkatrin Bressin; Juliane Perner)
29.10.	Vorlesung (Martin Vingron): Hidden Markov Models (slides)
03.11.	Vorlesung (Martin Vingron): Hidden Markov Models; Profile HMMs; PhyloHMMs; Ausgabe
04.11.	Übungen (Annkatrin Bressin; Juliane Perner)
05.11.	Vorlesung (Martin Vingron): Alignment Statistik
10.11.	Vorlesung (Martin Vingron): Promotoren und Gen-Regulation; PWMs; Motif-Suche; Gibbs sampling (slides, Videos); Ausgabe
11.11.	Übungen (Annkatrin Bressin; Juliane Perner)
12.11.	Vorlesung (Martin Vingron): Genstruktur; Genidentifikation (slides, Staden & McLachlan (NAR 1982), Krogh, A.: Gene finding); Splicing
17.11.	Vorlesung (Martin Vingron): Sequenzierung; Read mapping (slides); Burrows-Wheeler-transformation (Intro von B.Langmead); Ausgabe
18.11.	Übungen (Annkatrin Bressin; Juliane Perner)
19.11.	1. Zwischenklausur
24.11.	Vorlesung (Martin Vingron): Sequenzierung; Genome Assembly (slides); Overlap Graphen; De Bruijn Graphen; Ausgabe
25.11.	Übungen (Annkatrin Bressin; Juliane Perner)
26.11.	Vorlesung (Martin Vingron): Sequenzierung; Genome Assembly; Physikalische Kartierung; Lander-Waterman-Formel
01.12.	Vorlesung (Annalisa Marsico): RNA Bioinformatics; RNA Struktur; Nussinov-Algorithmus (slides); Ausgabe
02.12.	Übungen (Annkatrin Bressin; Juliane Perner)
03.12.	Vorlesung (Annalisa Marsico): RNA Bioinformatics
08.12.	Vorlesung (Martin Vingron): Genexpression; RPKM; Normalisierung (slides); Ausgabe
09.12.	Übungen (Annkatrin Bressin; Juliane Perner)
10.12.	Vorlesung (Martin Vingron): Genexpressionsanalyse; Differenzielle Genexpression; Microarray-Daten; T-test
15.12.	Vorlesung (Martin Vingron): Genexpressionsanalyse; Differenzielle Genexpression; RNA-Seq Daten; Negative-Binomial; PCA; Ausgabe
16.12.	Übungen (Annkatrin Bressin; Juliane Perner)
17.12.	Vorlesung (Martin Vingron): Funktionsanalyse
05.01.	2. Zwischenklausur; Ausgabe
06.01.	Übungen (Annkatrin Bressin)
07.01.	Vorlesung (Knut Reinert): Proteomics (slides); Trennmethoden; Mass Spectrometry; Isotope patterns
12.01.	Vorlesung (Knut Reinert): Proteomics; Quantifizierung (slides); Ausgabe
13.01.	Übungen (Annkatrin Bressin; Juliane Perner)
14.01.	Vorlesung (Knut Reinert): Proteomics; Identifizierung (slides)
19.01.	Vorlesung (Annalisa Marsico): Proteinstrukturvorhersage; Ausgabe
20.01.	Übungen (Annkatrin Bressin; Juliane Perner)
21.01.	Vorlesung (Annalisa Marsico): Proteinstrukturvorhersage
26.01.	Vorlesung (Annalisa Marsico): Proteinstrukturvorhersage (slides); Ausgabe
27.01.	Übungen (Annkatrin Bressin; Juliane Perner)
28.01.	Vorlesung (Martin Vingron): ChIP-seq, MACs, DNA methylierung, HiC (slides)
02.02.	Vorlesung (Martin Vingron): Interaktions- und genregulatorische Netzwerke (slides); ROC curve; AUC; Precision-Recall curves; Ausgabe Übungsblatt 15
03.02.	Übungen (Annkatrin Bressin; Juliane Perner)
04.02.	Vorlesung (Martin Vingron)
09.02.	Question & Answer
10.02.	Übungen (Annkatrin Bressin; Juliane Perner)
11.02.	Endklausur