Politechnika Wrocławska. BIOINFORMATYKA i BIOLOGIA OBLICZENIOWA

Transkrypt

1 BIOINFORMATYKA i BIOLOGIA OBLICZENIOWA

2 Kontakt Katedra Inżynierii Biomedycznej Konsultacje D1 pok. 115 Poniedziałek Poniedziałek Materiały:

3 Egzamin 1: Pisemny Termin: 1 luty? Egzamin 2: Pisemny oraz ustny Termin:? Zasady zaliczenia wykładu Premia za aktywne uczestnictwo w wykładzie Minimum 8 wykładów - prawo do terminu zerowego Minimum 13 wykładów 20% punktów (cała ocena), jeśli w terminie 0 lub 10% (pół oceny) jeśli w terminie 1 Premie dostępne pod warunkiem egzaminu zdanego także bez premii. Premię można wykorzystać tylko jednorazowo (termin 0 albo termin 1

4 Literatura P. G. Higgs, T.K. Atwood, Bioinformatyka i ewolucja molekularna, PWN 2012 Inżynieria Biomedyczna Podstawy i Zastosowania, Tom. 10 BIOINFORMATYKA, EXIT 2012 A. D. Baxevanis, B. F. F. Quellette, Bioinformatyka, PWN M. Zvelebil, J.O. Baum, Introduction to Bioinformatics, Garland Science 2008

5 DataCamp: Inne sprawy

6 Bioinformatyka Bioinformatyka Genomika Biologia obliczeniowa (systemów) Metabolomika Proteomika Genomika funkcjonalna Bioinformatyka strukturalna 6

7 Tematyka wykładu Podstawy biologii molekularnej (bardzo krótko) Bioinformatyka w genetyce Bioinformatyka strukturalna Podstawy metabolomiki Zagadnienia: Algorytmy Narzędzia obliczeniowe Bazy danych / bazy wiedzy

8 DNA Uzyskane w XIX wieku, ale dopiero w 1943 r. (Maclyn McCarty ) domyślono się i w 1952 r. dowiedziono, że tutaj jest ukryte dziedziczenie. Struktura DNA odkryta w r przez Jima Watsona (USA) & Francis Cricka (UK) w oparciu o obraz dyfrakcyjny Rosalind Franklin. Nagroda Nobla dla JW. i FC. w 1962 r.

9 Struktura biomolekuł Pierwsze struktury 3D za pomocą dyfrakcji X: cholesterol (1937) - Dorothy Crowfoot Hodgkin (Nagroda Nobla 1964) witamina B12 (1945), penicylina (1954), insulina 1969 (30 lat pracy!) Pierwsze białko - sekwencja insulina 1955 Frederick Sanger (2 nagrody Nobla 1958, 1980) Pierwsze białko struktura 3D - mioglobina 1959, John Kendrew Nagroda Nobla 1962

10 Pierwsza molekularna baza danych Margaret Dayhoff - Atlas of Protein Sequence and Structure, Pierwsza (papierowa) baza danych molekularnych, która ostatecznie doprowadzila do powstania serwisu GenBank (National Institute of Health). EFEKT: Kody jednoliterowe aminokwasów (zmniejszenie objętości bazy) Zorganizowane wpisów wg. rodzin genów Pierwsze obliczeniowe metody mutacji,1978 Efektem pierwsza rekonstrukcja drzewa ewolucji

11

12 Drzewa filogenetyczne (od 1965 r)

13 FASTA >gi gb CY Influenza A virus (A/New York/0259/2009(H1N1)) segment 6, complete sequence ATGAATCCAAACCAAAAGATAATAACCATTGGTTCGGTCTG TATGACAATTGGAATGGCTAACTTAATATTACAAATTGGAA ACATAATCTCAATATGGATTAGCCACTCAATTCAACTTGGG AATCAAAATCAGATTGAAACATGCAATCAAAGCGTCATTAC TTATGAAAACAACACTTGGGTAAATCAGACATATGTTAACA TCAGC gi kod sekwencji gb- Accession.ver DEFINITION z pliku GBFF

14

15 Wzrost liczby danych do analizy Źródło: GenBank

16 OBECNIE Udział różnych typów baz danych

17 Problemy Genomika Znajdowanie genów Dopasowywanie sekwencji, rodziny biomolekuł, pokrewieństwo, ewolucja Genomika funkcjonalna (Mikromacierze, chipy genowe ) Biochemia strukturalna Przewidywanie struktury białek Przewidywanie funkcji białek Dokowanie molekuł, selekcja kandydatów na leki, etc. Biologia obliczeniowa Szlaki metaboliczne i sygnałowe Medycyna spersonalizowana

18 gen Human Genome Project (plan 1984 struktura 3D białka i miejsce ekspresji US Dept. Energy, NIH ) (Celera Genomics 1998) HGP-Write (czerwiec 2016) synteza genomu Protein Structure Initiative (NIH 2000) IBM Blue Gene Project (2005) Human Proteome Folding Project (Inst. System Biology, 2004) procesy komórkowe PHYSIOME Project funkcjonowanie narządów

19 1000 Genomes Project Chimpanzee Genome Project ENCODE EuroPhysiome Genome Compiler Human Brain Project Human Connectome Project Human Cytome Project Human Microbiome Project Human proteome project Human Variome Project Neanderthal Genome Project The Genographic Project

20 Genomika

21 Genomy różnych organizmów

22 Genomy różnych organizmów

23 Genomy różnych organizmów (2012 r.)

24 Genom ludzki Cała informacja genetyczna w DNA. Zawiera sekwencje kodujące i niekodujące Projekt rozpoczęty w 1989 Pierwsza wersja w 2000 Koszt 3 mld dolarów pz (par zasad) genów

25 1000 Genomes Project

26

27 Projekt genomu Neandertalczyka Genom Neandertalczyka opublikowany w Green i in. Science 2010 Fot. BE&W/

28 Mikromacierze Ekspresja genów i algorytmy klastrowania

29 Proteomika

30 Nobel 2013 z chemii za modelowanie molekuł!

31 Struktura białka kanał potasowy PDB: 2XKY Source: Mus musculus Method: Electron Microscopy; Solution Scattering Resolution: 17.2 A

32 Dynamika molekularna cząstek Pierwsze MD M. Levitt Taniec dwóch cząstek:

33 Identyfikacja celu Odkrywanie leków Jakie białko możemy atakować, żeby powstrzymać chorobę? Identyfikacja pożądanych cech leku Jaka cząsteczka przyłączy się do tego białka? Toksykologia Czy nie zabije pacjenta? Czy ma efekty uboczne? Czy dotrze do właściwego miejsca?

34 Odkrywanie leków związków wyeliminowanych 250 kandydatów wiodących w testach przedklinicznych JEDEN lek zaakceptowany przez FDA

35 Przyłączanie się leków? KOMPLEMENTARNOŚĆ kształtu chemiczna elektrostatyczna 35

36 Odkrywanie leków współcześnie Mamy cel ataku który związek go unieczynni? Stary sposób: długotrwałe próby biochemiczne Nowy sposób: selekcja bioinformatyczna

37 Proteaza HIV HIV Proteaza + Peptidyl inhibitor (1A8G.PDB) Protein Structure Initiative

38 Biologia Systemów (Systems Biology)

39 Model komórki miocytu hybrydowe modelowanie kanałów jonowych Clancy, C. E. and Y. Rudy (1999). Nature 400(6744):

40 Sieci zależności w Reactome Ontologia szlaków wewnątrzkomórkowych

41 Fala spiralna w sercu model zespołu Brugadów Elisabeth Cherry, Cornell University,

42 Projekty Human Physiome

43 Human Physiome

44 Morfologia - Visible Human Project

45 Bazy danych

46 Gdzie najlepiej szukać danych ogólnych? NCBI (NIH, USA) EMBL-EBI (UK) DDBJ (Japonia) Ameryka Europa Azja International Nucleotide Sequence Database Collaboration (INSDC) 1988 r. Pierwsze określenie formatu elektronicznego i przepisanie na niego z nośników papierowych.

47 NCBI

48 Bazy danych NCBI GenBank - sekwencje DNA (indywidualne laboratoria, European Molecular Biology Laboratory (EMBL), DNA Database of Japan (DDBJ), U.S. Patent and Trademark Office RefSeq - nieredundantny zbiór referencyjny z GenBank, ulepszony przez ekspertów Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM) baza fenotypów (chorobowych) dla Human Genome Project Molecular Modeling Database (MMDB) struktury 3D białek Unique Human Gene Sequence Collection (UniGene), Gene Map of the Human Genome, Taxonomy Browser, Cancer Genome Anatomy Project (CGAP), wspólnie z National Cancer Institute. PubMed i PubMedCentral (PMC) publikacje z bazy Medline i współpracujących czasopism (u źródła lub z NCBI)

49 Serwisy i narzędzia NCBI Entrez system przeszukiwania baz danych NCBI BLAST (Basic Local Alignment Search Tool) przeszukiwanie podobieństwa sekwencji (w DNA/RNA, białkach) w celu identyfikacji genów, pokrewieństw, linii dziedziczenia. Wersje (do wybranych zastosowań, np. tylko białka): PSI-BLAST (Position Sensitive Iterated BLAST) lepsza dokł., PHI-BLAST, BLAST2sequences Open Reading Frame Finder (ORF Finder) Electronic PCR, Sequin and BankIt serwis składowania sekwencji.. Wszystkie narzędzia i bazy danych NCBI są dostępne poprzez www oraz ftp

50 EBI - EMBL

51 Pytania na dzisiaj Wymień 3 główne działy bioinformatyki Czym bioinformatyka jest, a czym nie jest Główne cele bioinformatyki Jak w ostatnim czasie zmieniły się główne wyzwania i profil bioinformatyki Jak stosowana jest Bioinformatyka w firmach

52 Antón SC, Potts R, Aiello LC. Lektura na dzisiaj Human evolution. Evolution of early Homo: an integrated biological perspective. Science Jul 4;345(6192): Anthon_ Science2014_evolution_review.pdf Lazaridis I. i in. Ancient human genomes suggest three ancestral populations for present-day Europeans. Nature Sep 18;513(7518): doi: /nature GroupsofEurope.pdf ( Europa_pochodzenie_nature2014.pdf )