Koevolution in molekularen Komplexen

Der Bereich der molekularen Evolution beschäftigt sich mit der Untersuchung der Änderung der Primärsequenz und den durch Sequenzänderung vermittelten Selektionsvorteil des molekularen Phänotyps. Dabei kann sich die molekulare (Ko)evolution zum Beispiel in kompensatorischen Mutationen manifestieren, die durch den Selektionsdruck an den beobachteten Positionen favorisiert wird. Mit dem Verständnis über Prozesse struktur- und dynamikrelevanter Mutationen können biochemische Interaktionen identifiziert werden, die evolutionär wichtig sind. Besondere Bedeutung gewinnen solche Erkenntnisse im Bereich der Resistenzentwicklung von Medikamenten, da die oben genannten molekularen Koevolutionsvorgänge Randbedingungen an die prinzipielle Evolvierbarkeit von Resistenzen stellen. So konnte zum Beispiel ein intramolekulares Cluster innerhalb der HIV-1 Protease identifiziert werden, das sich bei der Behandlung der Patienten durch Proteaseinhibitoren etabliert hat. In dieser Arbeit sollen verschiedene koevolutionäre Prozesse in unterschiedlichen Molekülen (Ribosom [Kapitel 3] und der HIV-1 Protease [Kapitel 4]) untersucht werden. In Verbindung mit der biophysikalischen Annotation des Ribosoms (Kapitel 5) soll eine differenziertere Analyse der Koevolution ermöglicht werden. Während dieser Arbeit hat sich als eine der größten Herausforderungen die Analyse von koevolutionären Datenmengen ergeben. Wie in Kapitel 2 erarbeitet wird, dient die so genannte mutual information (MI) zur Quantifizierung der Koevolution. Die Berechnung der MI führt aber gleichzeitig zu Datenvolumina von 10^4 und mehr Größen, während gleichzeitig phylogenetische Effekte eine nicht minder große Herausforderung darstellen. Als ein viel versprechender Weg solche Probleme anzugehen werden seit einiger Zeit in der Informatik so genannte Visual Analytics-Techniken diskutiert und entwickelt. Diese Idee aufgreifend wird in Kapitel 6 eine entsprechende Software vorgestellt.

Molecular evolution deals with the examination of changes in primary sequence and change induced advantages in fitness of the molecular phenotype. This molecular coevolution gives rise to compensatory mutations, which are privileged by selective pressure at individual positions. The knowledge about processes of structural and dynamic relevant mutations can be extracted from biochemical interactions with evolutionary/functional importance. Such events can influence the developent of resistance and later drug design. Here, we were able to identify a cluster of residues exhibiting a biochemical coevolution within the HIV-1 Protease. In the scope of this work, different coevolutionary processes were examined in different molecules (the bacterial ribosome [Chapter 3] and the HIV-1 Protease [chapter 4]). In association with the biophysical annotation of the bacterial ribosome an analysis of the coevolution should be established. During this work a major challenge was the analysis of coevolutionary data. As shown in chapter 2 the mutual information (MI) is a measure to quantify coevolution. Computation of MI yields data of some 10^4 values while phylogenetic effects pose an equally great challenge. As a promising attempt to analyze such effects Visual Analytics-Techniques were discussed and developed. Picking up this idea chapter 6 presents an appropriate software.