Bioinformatik der Infektionsforschung

Die Arbeitsgruppe “Bioinformatik der Infektionsforschung” erforscht mit computergestützten Techniken das menschliche Mikrobiom, virale und bakterielle Pathogene sowie menschliche Zelllinien anhand von großen biologischen und epidemiologischen Datensätzen. Durch die Analyse von Metaom-, Populationsgenom- und Einzelzellgenomdaten erzeugen wir experimentell überprüfbare Hypothesen,  wie z.b. welche Veränderungen an Proteinen oder welche Gene assoziiert sind mit dem Auftreten einer Krankheit, von Antibiotikaresistenzen oder dem Ausweichen des Immunschutzes durch Pathogene. Wir arbeiten mit experimentellen Kollaborationspartnern zusammen, um unsere Erkenntnisse zu verifizieren und deren Translation in die medizinische Diagnostik und Behandlung zu fördern. Um die Forschungsziele zu erreichen, entwickelt die Arbeitsgruppe auch neue Algorithmen und Bioinformatik-Software.

Leitung

Bioinformatik der viralen Pathogene

Die Forschungsgruppe “Bioinformatik der Infektionsforschung” am HZI erforscht mit computergestützten Methoden sich schnell verändernde virale Pathogene wie z.B das Influenza Virus, Hepatitis Viren und menschliche Cytomegaloviren sowie deren Koevolution mit der adaptiven Immunantwort des Menschen. Ein besonderer Fokus unserer Arbeit liegt auf saisonalen Influenza A Viren, welche wir mit Hilfe von epidemiologischen, genetischen, antigenischen und strukturellen Informationen analysieren. Wir detektieren antigenisch relevante Regionen auf Proteinstrukturen und Aminosäureaustäusche um zu analysieren, wie sich diese Veränderungen auf die Fitness des Virus auswirken um die menschliche Immunantwort zu umgehen [1,3,5]. In Zusammenarbeit mit Infektionsbiologen vom HZI, der Medizinischen Hochschule Hannover und dem Deutschen Zentrum für Infektionsforschung (DZIF) untersuchen wir auch die Anpassung von Influenza Viren an neue Wirte und deren Fitnessveränderungen unter Selektionsdruck in Tiermodellen. Virale Pathogene wie das Hepatitis Virus und menschliche Cytomegaloviren können im Vergleich zu Influenza Viren chronische und Langzeitinfektionen verursachen. Zusammen mit unseren Kollaborationspartnern wollen wir die Evolution dieser Pathogene und die entsprechende adaptive Evolution des menschlichen Immunsystems innerhalb einzelner Patienten nachzuvollziehen. Hierdurch gewinnen wir neue Erkenntnisse über die Pathogen-Wirt Koevolution und Ergebnisse von translationaler Relevanz, wie z.B. für die Entwicklung von universellen Impfstoffen gegen Infektionen durch Hepatitis C Viren.

Insbesondere fokussieren wir uns auf folgende Themen:

  • Computerbasierte Vorhersage von Impfstoffen für menschliche Influenza A Viren
  • Bestimmung von viralen Epitopen, welche eine weitreichende Neutralisierung durch Antikörper hervorrufen können, zur Entwicklung eines universellen Impfstoffs gegen Hepatitis C Viren
  • Rekonstruktion von viralen Haplotypen aus deep sequencing Daten
  • Inferenz der viralen geographischen Ausbreitung mittels phylogeographischen Methoden
  • Development of a universal vaccine against influenza viruses

Ausgewählte Publikationen

  1. A.C. McHardy, B. Adams
    The role of genomics in tracking the evolution of influenza A virus.
    PLoS Pathogens 2009, 5(10): e1000566 
  2. L. Steinbrück, A.C. McHardy
    Inference of Genotype-Phenotype Relationships in the Antigenic Evolution of Human Influenza A (H3N2) Viruses.
    PLoS Comput Biol 2012, 8(4): e1002492

  3. C. Tusche, L. Steinbrück, A.C. McHardy
    Detecting patches of protein sites of influenza A viruses under positive selection.
    Mol Biol Evol 2012, 29(8): 2063-2071

  4. C. Kratsch, T.R. Klingen, L. Muemken, L. Steinbrueck, A.C. McHardy
    Determination of antigenicity-altering patches on the major surface protein of human influenza A/H3N2 viruses.
    Virus Evolution 2016, 2(1)

  5. L. Steinbrück, T.R. Klingen, A.C. McHardy
    Computational prediction of vaccine strains for human influenza A(H3N2) viruses.
    J Virol 2014, 88(20): 12123-32

  6. T.R. Klingen, S. Reimering, C.A. Guzman, A.C. McHardy
    In Silico Vaccine Strain Prediction for Human Influenza Viruses.
    Trends Microbiol 2018, 26(2):119-131

  7. T.R. Klingen, S. Reimering, J. Loers, K. Mooren, F. Klawonn, T. Krey, G. Gabriel, A.C. McHardy
    Sweep Dynamics (SD) plots: Computational identification of selective sweeps to monitor the adaptation of influenza A viruses
    Sci Rep 2018, 8(1):373

  8. T.R. Klingen, J. Loers, S. Stanelle-Bertram, G. Gabriel, A.C. McHardy
    Structures and functions linked to genome-wide adaptation of human influenza A viruses
    Sci Rep 2019, 9(1): 6267

  9. S. Reimering, S. Muñoz, A.C. McHardy
    Phylogeographic reconstruction using air transportation data and its application to the 2009 H1N1 influenza A pandemic
    bioRxiv 2019, doi: doi.org/10.1101/666982

Mitarbeiter

  • Akash Bahai
  • Adrian Fritz
  • Dr. Zhi-Luo Deng
  • Thorsten Klingen
  • Susanne Reimering

Kollaborationspartner

  • Wulf Blankenfeldt, Department of Structure and Functions of Proteins, Helmholtz Centre for Infection Research (HZI), Braunschweig, Germany
  • Mohammad Mofrad, Departments of Bioengineering and Mechanical Engineering, University of California, Berkeley, USA
  • Gülsah Gabriel, Heinrich Pette Institute, Leibniz Institute for Experimental Virology, Hamburg, Germany
  • Carlos Guzmán, Department of Vaccinology and Applied Microbiology, Helmholtz Centre for Infection Research (HZI), Braunschweig, Germany
  • Thomas Pietschmann, Institute for Experimental Virology, Twincore Centre for Experimental and Clinical Infection Research, Hannover, Germany (DZIF collaboration)
  • Thomas Schulz, Institute of Virology, Hannover Medical School  (MHH), Hannover, Germany
  • Klaus Schughart, Infection Genetics, Helmholtz Centre for Infection Research (HZI), Braunschweig, Germany
  • Thomas Krey, Institute of Virology, Hannover Medical School (MHH), Hannover, Germany

Video

  • Kann man die nächste Grippe-Epidemie vorhersagen?

    Es antwortet Dr. Andreas Bremges, stellv. Abteilungsleiter Bioinformatik der Infektionsforschung am HZI in Braunschweig.

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