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Lexikon der Biologie: Sequenzraum

Sequenzraum, abstrakter Raum zur Repräsentation sämtlicher Alternativen einer Symbol-Sequenz gegebener Länge und zur Beschreibung der zwischen ihnen bestehenden Informationsbeziehungen (Information). In einem solchen Raum muß jede der möglichen Sequenzen durch einen Punkt eindeutig lokalisiert sein, und die Anordnung der Punkte sowie ihre gegenseitigen Abstände müssen die Verwandtschaftsbeziehungen aller Sequenzen korrekt wiedergeben. Für eine binäre (d.h. aus nur 2 Symbolklassen zusammengesetzte) Sequenz sind diese Bedingungen durch einen ν-dimensionalen Hyperkubus erfüllt, dessen 2ν-Eckpunkte den 2ν möglichen Sequenzalternativen entsprechen. Abstände in diesem Raum werden durch Abzählen der Kanten bestimmt, die die kürzeste Verbindung zwischen 2 Punkten herstellen (so wie man in New York Abstände in „street blocks“ angibt). Die Metrik eines solchen Raums binärer Sequenzen nennt man Hamming-Metrik, die Abstände Hamming-Distanzen (nach Richard W. Hamming, der diese Darstellung in die Informatik einführte). Typische Kennzeichen des Sequenzraums sind seine unermeßliche Kapazität, die exponentiell (Exponentialfunktion) mit der Sequenzlänge ansteigt (man bezeichnet die Gesamtzahl der Punkte auch als Volumen), seine demgegenüber geringe Ausdehnung (alle Direktabstände bleiben < ν) und der große Vernetzungsgrad aller Punkte – Eigenschaften, die bei der Informationserzeugung durch Selbstorganisation reproduzierfähiger Sequenzen ausschlaggebend sind. Der Sequenzraum der Nucleinsäuren, die aus 2 Symbolklassen (Purine: R und Pyrimidine: Y) mit je 2 Symbolen (R: A und G; Y: U bzw. T und C) zusammengesetzt sind (Purinbasen, Pyrimidinbasen), wird folgendermaßen aufgebaut. Man ordnet in der Sequenz zunächst die beiden Basenklassen (R, Y) zu und gelangt damit zu einem ν-dimensionalen Hyperkubus, in dem jede gegebene Sequenz durch einen bestimmten Eckpunkt repräsentiert ist. Für jeden dieser Eckpunkte gibt es nunmehr einen Unterraum, der ebenfalls ein ν-dimensionaler Hyperkubus ist, und der wiederum einer binären Entscheidung für jede einzelne Position (R: A oder G; bzw. Y: U oder C) zugrunde liegt. Der Sequenzraum findet in der Theorie der Quasispezies Anwendung. Hier wird jedem Punkt im Sequenzraum ein Selektionswert – analog einer topographischen Karte – zugeordnet, der durch die Reproduktionsgeschwindigkeit und Genauigkeit sowie durch die Stabilität des betreffenden Sequenzzustands (bezogen auf definierte Umweltbedingungen) determiniert ist. Selektion (und damit Informationserzeugung) erweist sich dann als „Kondensation“ einer Sequenzverteilung in einer „Gebirgsregion“ der Wertlandschaft des Sequenzraums. Bei der vergleichenden Sequenzanalyse benutzt man den Sequenzraum, um die zwischen Sequenzen bestehenden Verwandtschaftsverhältnisse durch geometrische Figuren zu repräsentieren (statistische Geometrie). Sequenz-alignment.

R.W.-O.

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