Visualisierung in der Bioinformatik

Die Entwicklung moderner Technologien zur Erfassung biologischer Prozesse führt zu einem unüberschaubar hohen Datenaufkommen. Diese Daten stammen sowohl aus Messungen als auch aus Simulationen von Prozessen einzelner Moleküle über die Expression von Genen bis hin zur Modellierung ganzer Populationen. Die Analyse solcher Daten ist besonders schwierig, da sie häufig fehlerbehaftet, heterogen sowie hochdimensional sind und daher ohne moderne Visualisierungs- und Analysetechniken nicht mehr auskommen würden.



Visuelle Analytik für Genexpressionsdaten


Visualisierung der Expression Zellzyklus-abhängiger Gene der Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae). Durch die Einfärbung der Genprofile in Abhängigkeit eines statistischen Parameters werden die typischen zyklischen Muster erkennbar.

Speicher der Erbinformation aller Lebewesen auf der Erde ist die DNA, welche als lineare Abfolge von Nukleotiden vorliegt. Ein DNA-Abschnitt, der in ein Protein übersetzt werden kann, wird Gen genannt; die gesamte Erbinformation eines Organismus ist das Genom. Aufgrund moderner Hochdurchsatztechnologien sind mittlerweile zahlreiche Genome verschiedenster Organismen vollständig entziffert worden.

Unter Genexpression versteht man das Umschreiben (engl. transcription) der DNA in Boten-RNA (mRNA), die dann wiederum in Proteine übersetzt wird. Proteine führen die meisten Funktionen einer Zelle aus. Dabei ist die Genexpression ein hoch komplexer und genau regulierter Prozess, der es der Zelle erlaubt, dynamisch sowohl auf Umweltveränderungen als auch auf ihre eigenen wechselnden Bedürfnisse zu reagieren. Dieser Mechanismus agiert dabei sowohl als “an/aus”-Schalter – um zu kontrollieren, welche Gene in der Zelle exprimiert werden – wie auch als “Lautstärkeregler“, der den Grad der Genexpression erhöht oder verringert.

In den vergangenen Jahren wurden verschiedene Technologien entwickelt, die das parallele Messen der Expression von mRNA und Proteinen auf genomweiter Ebene erlauben. Bekannte Vertreter solcher Technologien sind Microarrays oder moderne Sequenzierverfahren, welche zur Analyse der Expression vieler Gene gleichzeitig verwendet werden können. Ziel solcher Messungen ist oft ein Vergleich der Expression zwischen zwei oder mehreren Zelltypen, beispielsweise zur Untersuchung gewebespezifischer Gene, der Genexpression in gesundem und krankem Gewebe, den Einfluss von Umweltveränderungen auf die Expression oder die Abhängigkeit der Genexpression vom Stadium des Zellzyklus. Als Ergebnis der Messungen erhält man folglich die Expression tausender Gene zu verschiedenen Konditionen, deren manuelle Analyse aufgrund des hohen Datenaufkommens nahezu unmöglich ist.



Visuelle Analytik für Genomweite Assoziationsstudien (GWAS)


Anwendung des Visual Analytics Tools iHAT, um in 15 Sequenzen des Neurominidase Proteins de H5N1 Grippeviruses diejenigen Sequenzpositionen zu finden, welche zur Virulenz führen (mit der Metainformation virulent ja/nein) korrelieren.

Auf der Suche nach Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs), haben sind Genomweite Assoziationsstudien (GWAS) zu einer wichtigen Technik zur Identifikation von Assoziationen zwischen Genotyp und Phänotyp eines vielfältigen Sets Sequenz-basierter Daten etabliert. Genomweite Assoziationsstudien werden genutzt, um auftretende Variationen von Genen zwischen Individuen (Genotyp) und ihrer Assoziation mit einer Vielzahl komplexer Merkmale oder Krankheiten, wie z.B. Diabetes, Herzkrankheiten oder Arthritis, zu untersuchen. GWAS sind mittlerweile eine etablierte Methode zur Bestimmung von genetischen Risikofaktoren von Krankheiten, da sie neueste Techniken nutzen, welche eine schnelle und kosteneffiziente Analyse genetischer Unterschiede ermöglichen. Die großen Datenmengen, welche durch Genomweite Assoziationsstudien produziert werden, stellen eine große Herausforderung für die Datenanalyse und Visualisierung dar. Um Abhängigkeiten identifizieren und Zusammenhänge erkennen zu können, bedarf es einer adäquaten visuellen Repräsentation der Daten (mit geeignetem Mapping von Daten auf visuelle Attribute) und geeigneter Interaktion um die Sicht auf die Daten zu verändern. Letztere beinhaltet neben Fokus-und-Kontext-Techniken und dem Ein- und Ausblenden relevanter/uninteressanter Informationen auch das Aggregieren von Informationen, insofern sich diese (hierarchisch) sinnvoll gruppieren lassen.

Für die visuelle Analytik von genomweiten Assoziationsstudien wurde iHAT entwickelt.



Visuelle Analytik für biologische Netzwerke

Netzwerke spielen eine zentrale Rolle in der Erforschung von Organismen. Sie werden genutzt, um Prozesse biologischer Systeme zu repräsentieren und Interaktionen und Abhängigkeiten zwischen biologischen Entitäten wie z.B. Genen, Transkriptionen, Proteinen und Stoffwechselprodukten zu erfassen. Ein großes Anwendungsgebiet für Netzwerk-basierte Analyse und Visualisierung ist die System Biologie, welche ein umfassendes Verständnis bezüglich der Umformungsprozesse in Lebewesen anstrebt. Auf Grund des stetigen Wissenswachstums in den Biowissenschaften werden derartige Netzwerke immer komplexer und größer. Um dieses Problem der Komplexität anzugehen und die Analyse und Interpretation solcher komplizierten Netze von Interaktionen zu unterstützen, ist die Erstellung aussagekräftiger Visualisierungen von biologischen Netzwerken essentiell.

Die Visualisierung von biologischen Netzwerken wendet typischer Weise keine Standardtechniken zum Graphzeichnen ein, da diese in der Regel nicht die Konventionen der Biowissenschaftsgemeinschaft zum Graphzeichnen respektieren. Aus diesem Grund wurde der Entwicklung von automatischen Zeichenmethoden für biologische Netzwerke verstärkt Aufmerksam gewidmet mit dem Resultat dass diverse Layoutalgorithmen und eine Standardnotation (Systems Biology Graphical Notation) entwickelt wurden. Layout Algorithmen für biologische Graphen, müssen diverse Metainformationen, wie z.B. das Zellkompartiment in dem eine Reaktion stattfindet, in den Berechnungsprozess mit einbeziehen.

Weitere Herausforderungen für die Visualisierung von Graphen sind die Zeitkomponente und die Unsicherheit. Die Zeitkomente kann sich dabei auf die zeitliche Veränderung des Netzwerkes an sich (Reaktionen in Netzwerken sind mitunter zeitabhängig) oder bestimmter Eigenschaften der Entitäten, wie z.B. Expressionslevel, beziehen. Die Reaktionen welche in Netzwerken enthalten sind, treten oftmals nur zu einer bestimmten Wahrscheinlichkeit auf, was zu Unsicherheiten in den Netzwerken führt, welche es visuell hervorzuheben gilt. Das von uns entwickelte Tool iVUN kann dazu genutzt werden, Unsicherheiten geschätzer bzw. simulierter statischer aber auch dynamischer Parameter von biologischen Netzwerken zu analysieren.



Publikationen

  1. Krone, Michael ; Frieß, Florian ; Scharnowski, Katrin ; Reina, Guido ; Fademrecht, Silvia ; Kulschewski, Tobias ; Pleiss, Jürgen ; Ertl, Thomas: Molecular Surface Maps. In: IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics (Proceedings of the Scientific Visualization 2016), IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics (Proceedings of the Scientific Visualization 2016). Bd. 23 (2017a), Nr. 1
  2. Alharbi, Naif ; Alharbi, Mohammad ; Martinez, Xavier ; Krone, Michael ; Rose, Alexander ; Baaden, Marc ; Laramee, Robert S. ; Chavent, Matthieu: Molecular Visualization of Computational Biology Data: A Survey of Surveys. In: EuroVis 2017 Short Papers, EuroVis 2017 Short Papers, 2017
  3. Krone, Michael ; Reina, Guido ; Zahn, Sebastian ; Tremel, Tina ; Bahnmüller, Carsten ; Ertl, Thomas: Implicit Sphere Shadow Maps. In: IEEE PacificVis - Visualization Notes, IEEE PacificVis - Visualization Notes. Bd. 4, 2017b
  4. Hermosilla, Pedro ; Krone, Michael ; Guallar, Victor ; Vázquez, Pere-Pau ; Vinacua, Àlvar ; Ropinski, Timo: Interactive GPU-based Generation of Solvent Excluded Surfaces. In: The Visual Computer (Proceedings of CGI’2017), The Visual Computer (Proceedings of CGI’2017). Bd. 33, Springer (2017), Nr. 6
  5. Sancho-Chavarria, Lilliana ; Beck, Fabian ; Mata-Montero, Erick ; Weiskopf, Daniel: Visual Comparison of Biological Taxonomies: A Task Characterization. In: EuroVis 2016 Posters, EuroVis 2016 Posters, 2016. — Rezensiertes Poster
  6. Müller, Christoph ; Krone, Michael ; Scharnowski, Katrin ; Reina, Guido ; Ertl, Thomas: An Evaluation of the Utility of Large High-Resolution Displays for Comparative Scientific Visualisation. In: International Journal of Software and Informatics, International Journal of Software and Informatics. Bd. 9 (2016), Nr. 3
  7. Krone, Michael ; Kozlíková, Barbora ; Lindow, Norbert ; Baaden, Marc ; Baum, Daniel ; Parulek, Julius ; Hege, Hans-Christian ; Viola, Ivan: Visual Analysis of Biomolecular Cavities: State of the Art. In: Computer Graphics Forum, Computer Graphics Forum. Bd. 35, Whiley (2016), Nr. 3
  8. Mwalongo, Finian ; Krone, Michael ; Becher, Michael ; Reina, Guido ; Ertl, Thomas: GPU-based Remote Visualization of Dynamic Molecular Data on the Web. In: Graphical Models, Graphical Models. Bd. 88, Elsevier (2016)
  9. Kozlíková, Barbora ; Krone, Michael ; Falk, Martin ; Lindow, Norbert ; Baaden, Marc ; Baum, Daniel ; Viola, Ivan ; Parulek, Julius ; u. a.: Visualization of Molecular Structure: State of the Art Revisited. In: Computer Graphics Forum, Computer Graphics Forum. (2016)
  10. Vehlow, Corinna ; Kao, David P. ; Bristow, Michael R. ; Hunter, Lawrence E. ; Weiskopf, Daniel ; Görg, Carsten: Visual analysis of biological data-knowledge networks. In: BMC Bioinformatics, BMC Bioinformatics. Bd. 16 (2015), Nr. 135
  11. Kozlíková, Barbora ; Krone, Michael ; Lindow, Norbert ; Falk, Martin ; Baaden, Marc ; Baum, Daniel ; Viola, Ivan ; Parulek, Julius ; u. a.: Visualization of Molecular Structure: State of the Art. In: Eurographics Conference on Visualization (EuroVis) - STARs, Eurographics Conference on Visualization (EuroVis) - STARs, 2015
  12. Lawonn, Kai ; Krone, Michael ; Ertl, Thomas ; Preim, Bernhard: On the Reproducibility of Line Integral Convolution for Real-Time Illustration of Molecular Surface Shape and Salient Regions. In: EuroRV3: EuroVis Workshop on Reproducibility, Verification, and Validation in Visualization, EuroRV3: EuroVis Workshop on Reproducibility, Verification, and Validation in Visualization. Bd. 3, 2015. — Rezensiertes Abstract
  13. Grottel, Sebastian ; Krone, Michael ; Müller, Christoph ; Reina, Guido ; Ertl, Thomas: MegaMol – A Prototyping Framework for Particle-based Visualization. In: IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. Bd. 21, IEEE (2015), Nr. 2
  14. Rau, Benjamin ; Frieß, Florian ; Krone, Michael ; Müller, Christoph ; Ertl, Thomas: Enhancing Visualization of Molecular Simulations using Sonification. In: International Workshop on Virtual and Augmented Reality for Molecular Science (VARMS@IEEEVR), International Workshop on Virtual and Augmented Reality for Molecular Science (VARMS@IEEEVR). Bd. 1 : IEEE, 2015
  15. Mwalongo, Finian ; Krone, Michael ; Becher, Michael ; Reina, Guido ; Ertl, Thomas: Remote Visualization of Dynamic Molecular Data using WebGL. In: ACM ; ACM (Hrsg.) ; ACM (Hrsg.): International Conference on 3D Web Technology (Web3D), International Conference on 3D Web Technology (Web3D). Bd. 20, 2015
  16. Müller, Christoph ; Krone, Michael ; Scharnowski, Katrin ; Reina, Guido ; Ertl, Thomas: On the Utility of Large High-Resolution Displays for Comparative Scientific Visualisation. In: International Symposium on Visual Information Communication and Interaction (VINCI), International Symposium on Visual Information Communication and Interaction (VINCI). Bd. 8 : ACM, 2015
  17. Scharnowski, Katrin ; Krone, Michael ; Reina, Guido ; Ertl, Thomas: On the Reproducibility of our Biomolecular Visualization. In: Aigner, W. ; Rosenthal, P. ; Scheidegger, C. ; Aigner, W. ; Rosenthal, P. ; Scheidegger, C. (Hrsg.) ; Aigner, W. ; Rosenthal, P. ; Scheidegger, C. (Hrsg.): EuroRV3: EuroVis Workshop on Reproducibility, Verification, and Validation in Visualization, EuroRV3: EuroVis Workshop on Reproducibility, Verification, and Validation in Visualization. Bd. 3 : The Eurographics Association, 2015. — Rezensiertes Abstract
  18. Krone, Michael ; Müller, Christoph ; Ertl, Thomas ; Kauker, Daniel ; Silva, Augusto Cravo ; Salsa, Diana ; Gräber, Manuel ; Kallert, Manuela: Remote Rendering and User Interaction on Mobile Devices for Scientific Visualization. In: International Symposium on Visual Information Communication and Interaction (VINCI), International Symposium on Visual Information Communication and Interaction (VINCI). Bd. 8 : ACM, 2015
  19. Krone, Michael: Interactive Visual Analysis of Biomolecular Simulations, Universität Stuttgart, PhD dissertation, 2015
  20. Ertl, Thomas ; Krone, Michael ; Kesselheim, Stefan ; Scharnowski, Katrin ; Reina, Guido ; Holm, Christian: Visual Analysis for Space-Time Aggregation of Biomolecular Simulations. In: for Chemistry, R. S. (Hrsg.) Faraday Discussions, Faraday Discussions. Bd. 169 (2014)
  21. Scharnowski, Katrin ; Krone, Michael ; Reina, Guido ; Kulschewski, Tobias ; Pleiss, Jürgen ; Ertl, Thomas: Comparative Visualization of Molecular Surfaces Using Deformable Models. In: Computer Graphics Forum, Computer Graphics Forum. Bd. 33 (2014), Nr. 3
  22. Heinrich, Julian ; Krone, Michael ; Weiskopf, Daniel ; O’Donoghue, Seán: Visualising Intrinsic Disorder and Conformational Variation in Protein Ensembles. In: for Chemistry, R. S. (Hrsg.) Faraday Discussions, Faraday Discussions. Bd. 169 (2014)
  23. Lawonn, Kai ; Krone, Michael ; Ertl, Thomas ; Preim, Bernhard: Line Integral Convolution for Real-Time Illustration of Molecular Surface Shape and Salient Regions. In: Computer Graphics Forum, Computer Graphics Forum. Bd. 33 (2014), Nr. 3
  24. Krone, Michael ; Kauker, Daniel ; Reina, Guido ; Ertl, Thomas: Visual Analysis of Dynamic Protein Cavities and Binding Sites. In: IEEE PacificVis - Visualization Notes, IEEE PacificVis - Visualization Notes. Bd. 1, 2014
  25. Mwalongo, Finian ; Krone, Michael ; Karch, Grzegorz Karol ; Becher, Michael ; Reina, Guido ; Ertl, Thomas: Visualization of Molecular Structures using State-of-the-Art Techniques in WebGL. In: International Conference on 3D Web Technology (Web3D’14), International Conference on 3D Web Technology (Web3D’14). Bd. 19, 2014
  26. Vehlow, Corinna ; Hasenauer, Jan ; Kramer, Andrei ; Raue, Andreas ; Hug, Sabine ; Timmer, Jens ; Radde, Nicole ; Theis, Fabian J. ; u. a.: iVUN: interactive Visualization of Uncertain biochemical reaction Networks. In: Bioinformatics, B. (Hrsg.) BMC Bioinformatics, BMC Bioinformatics. Bd. 14 (2013)
  27. Falk, Martin: Visualization and mesoscopic simulation in systems biology, Visualization Research Center, Universität Stuttgart, PhD dissertation, 2013
  28. Falk, Martin ; Krone, Michael ; Ertl, Thomas: Atomistic Visualization of Mesoscopic Whole-Cell Simulations using Ray-Casted Instancing. In: Computer Graphics Forum, Computer Graphics Forum. Bd. 32 (2013), Nr. 8
  29. Falk, Martin ; Krone, Michael ; Ertl, Thomas: Atomistic Visualization of Mesoscopic Whole-Cell Simulations. In: EG Workshop on Visual Computing for Biology and Medicine (VCBM), EG Workshop on Visual Computing for Biology and Medicine (VCBM), 2012
  30. Krone, Michael ; Stone, John E. ; Ertl, Thomas ; Schulten, Klaus: Fast Visualization of Gaussian Density Surfaces for Molecular Dynamics and Particle System Trajectories. In: EuroVis 2012 Short Papers, EuroVis 2012 Short Papers. Bd. 1, 2012
  31. Bartlett, Christopher ; Cheong, Soo ; Hou, Liping ; Paquette, Jesse ; Lum, Pek ; Jaeger, Guenter ; Battke, Florian ; Vehlow, Corinna ; u. a.: An eQTL biological data visualization challenge and approaches from the visualization community. In: Bioinformatics, B. (Hrsg.) BMC Bioinformatics, BMC Bioinformatics. Bd. 2012 (2012), Nr. 13
  32. Vehlow, Corinna ; Hasenauer, Jan ; Kramer, Andrei ; Heinrich, Julian ; Radde, Nicole ; Allgöwer, Frank ; Weiskopf, Daniel: Uncertainty-Aware Visual Analysis of Biochemical Reaction Networks. In: IEEE ; IEEE (Hrsg.) ; IEEE (Hrsg.): IEEE Symposium on Biological Data Visualization, IEEE Symposium on Biological Data Visualization. Bd. 2012, 2012
  33. Heinrich, Julian ; Vehlow, Corinna ; Battke, Florian ; Jaeger, Guenter ; Weiskopf, Daniel ; Nieselt, Kay: iHAT: interactive Hierarchical Aggregation Table for Genetic Association Data. In: Bioinformatics, B. (Hrsg.) BMC Bioinformatics, BMC Bioinformatics. Bd. 2012 (2012), Nr. 13
  34. Hasenauer, Jan ; Heinrich, Julian ; Doszczak, Malgorzata ; Scheurich, Peter ; Allgöwer, Frank: Visualization methods and support vector machines as tools for determining markers in models of heterogeneous populations: Proapoptotic signaling as a case study. In: Proceedings Workshop on Computational Systems Biology, Proceedings Workshop on Computational Systems Biology, 2011
  35. Vehlow, Corinna ; Preim, Bernhard ; Lappe, Michael: Visualization of Anisotropic Contact Potentials within Protein Structures. In: IEEE ; IEEE (Hrsg.) ; IEEE (Hrsg.): IEEE Symposium on Biological Data Visualization, IEEE Symposium on Biological Data Visualization. Bd. 2011 : IEEE, 2011b
  36. Vehlow, Corinna ; Heinrich, Julian ; Battke, Florian ; Weiskopf, Daniel ; Nieselt, Kay: iHAT: interactive Hierarchical Aggregation Table. In: IEEE ; IEEE (Hrsg.) ; IEEE (Hrsg.): IEEE Symposium on Biological Data Visualization, IEEE Symposium on Biological Data Visualization. Bd. 2011, 2011a
  37. Heinrich, Julian ; Seifert, Julian ; Burch, Michael ; Weiskopf, Daniel: BiCluster Viewer: A Visualization Tool for Analyzing Gene Expression Data. In: Proceedings of International Symposium on Visual Computing (ISVC), Proceedings of International Symposium on Visual Computing (ISVC) : Springer, 2011a
  38. Krone, Michael ; Grottel, Sebastian ; Ertl, Thomas: Parallel Contour-Buildup Algorithm for the Molecular Surface. In: Proceedings of IEEE Symposium on Biological Data Visualization (biovis’11), Proceedings of IEEE Symposium on Biological Data Visualization (biovis’11), 2011b
  39. Falk, Martin ; Klann, Michael ; Ott, Michael ; Koeppl, Heinz ; Ertl, Thomas: Parallelized Agent-based Simulation on CPU and Graphics Hardware for Spatial and Stochastic Models in Biology. In: Fages, F. ; Fages, F. (Hrsg.) ; Fages, F. (Hrsg.): International Conference on Computational Methods in Systems Biology (CMSB 2011), International Conference on Computational Methods in Systems Biology (CMSB 2011) : ACM, 2011b
  40. Krone, Michael ; Falk, Martin ; Rehm, Sascha ; Pleiss, Jürgen ; Ertl, Thomas: Interactive Exploration of Protein Cavities. In: Computer Graphics Forum, Computer Graphics Forum. Bd. 30 (2011a), Nr. 3
  41. Falk, Martin ; Daub, Markus ; Schneider, Guido ; Ertl, Thomas: Modeling and Visualization of Receptor Clustering on the Cellular Membrane. In: IEEE Symposium on Biological Data Visualization (BioVis 2011), IEEE Symposium on Biological Data Visualization (BioVis 2011), 2011a
  42. Heinrich, Julian ; Seifert, Julian ; Burch, Michael ; Weiskopf, Daniel: BiCluster Viewer: A Visualization Tool for Analyzing Gene Expression Data. In: Proceedings of International Symposium on Visual Computing (ISVC), Proceedings of International Symposium on Visual Computing (ISVC) : Springer, 2011b
  43. Falk, Martin ; Grottel, Sebastian ; Ertl, Thomas: Interactive Image-Space Volume Visualization for Dynamic Particle Simulations. In: Proceedings of The Annual SIGRAD Conference, Proceedings of The Annual SIGRAD Conference : Linköping University Electronic Press, 2010a
  44. Falk, Martin ; Klann, Michael ; Reuss, Matthias ; Ertl, Thomas: 3D Visualization of Concentrations from Stochastic Agent-based Signal Transduction Simulations. In: IEEE International Symposium on Biomedical Imaging: From Nano to Macro (ISBI ’10), IEEE International Symposium on Biomedical Imaging: From Nano to Macro (ISBI ’10), 2010b
  45. Krone, Michael ; Dachsbacher, Carsten ; Ertl, Thomas: Parallel Computation and Interactive Visualization of Time-varying Solvent Excluded Surfaces. In: International Conference On Bioinformatics and Computational Biology, International Conference On Bioinformatics and Computational Biology. Bd. 2010 : ACM, 2010
  46. Krone, Michael ; Bidmon, Katrin ; Ertl, Thomas: Interactive Visualization of Molecular Surface Dynamics. In: IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics (Proceedings Visualization / Information Visualization 2009), IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics (Proceedings Visualization / Information Visualization 2009). Bd. 15 (2009), Nr. 6
  47. Falk, Martin ; Klann, Michael ; Reuss, Matthias ; Ertl, Thomas: Visualization of Signal Transduction Processes in the Crowded Environment of the Cell. In: IEEE Pacific Visualization Symposium (PacificVis 2009), IEEE Pacific Visualization Symposium (PacificVis 2009), 2009
  48. Krone, Michael ; Bidmon, Katrin ; Ertl, Thomas: GPU-based Visualisation of Protein Secondary Structure. In: Proceedings of TP.CG’08, Proceedings of TP.CG’08, 2008