Bioinformatyka Laboratorium, 30h. Michał Bereta

Transkrypt

1 Laboratorium, 30h Michał Bereta

2 Zasady zaliczenia przedmiotu Kolokwia (3 4 ) Ocena aktywności i przygotowania Obecność

3 Literatura, materiały Bioinformatyka i ewolucja molekularna Paul G. Higgs, Teresa K. Attwood Podstawy bioinformatyki, Xiong Jin Bioinformatyka. Podręcznik do analizy genów i białek A.D. Baxevanis (red.), B.F.F. Ouellette (red.)

4 Definicja Bioinformatyka technologie wykorzystujące komputery do przechowywania, pozyskiwania i rozpowszechniania danych dotyczących makrocząsteczek biologicznych (DNA, RNA, białka) oraz do manipulowania tymi danymi za pomocą specjalnych programów wykorzystujących często modele matematyczne i statystyczne.

5 Definicja Bioinformatyka interdyscyplinarna dziedzina nauki obejmująca wykorzystanie metod obliczeniowych do badania danych biologicznych makrocząsteczek biologicznych. Rozwój metod obliczeniowych służących do badania struktury, funkcji i ewolucji genów, białek i całych genomów Rozwój metod wykorzystywanych do zarządzania i analizy informacji biologicznej gromadzonej w toku badań genomicznych oraz badań prowadzonych z zastosowaniem wysokoprzepustowych technik eksperymentalnych. Do bioinformatyki nie zalicza się np. modeli dynamiki liczebności populacji, modeli teorii gier do modelowania zachowania zwierząt itd.

6 Definicja Bioinformatyka nie jest tym samym co biologia obliczeniowa

7 Nie mylić z pojęciem: Algorytmy genetyczne (jest to grupa metod inteligencji obliczeniowej, które w swoim działaniu wzorują się na mechanizmach ewolucji).

8 Główne zadania Bioinformatyka: Rozwój baz danych Wyszukiwanie danych Weryfikacja i aktualizacja Rozwój narzędzi obliczeniowych Analiza sekwencyjna Analiza strukturalna Analiza funkcjonalna Wykorzystanie baz i narzędzi do uzyskania wiedzy biologicznej

9 Główne zadania Analiza sekwencji -Przeszukiwanie baz danych sekwencji -Porównywanie sekwencji -Składanie sekwencji genomów -Rekonstrukcje pokrewieństw ewolucyjnych -Porównywanie genomów -Filogenetyka -Przewidywanie genu i promotora -Wykrywanie motywów

10 Analiza struktury Bioinformatyka Główne zadania -Przewidywanie struktury białka -Klasyfikacja struktur białek -Porównywanie struktur białek

11 Analiza funkcji Bioinformatyka Główne zadania -Przewidywanie oddziaływań białko-białko -Przewidywanie lokalizacji komórkowej białka -Profilowanie ekspresji genu -Modelowanie ścieżek metabolicznych -Symulacje metabolizmu

12 Cele bioinformatyki Obsługa rosnących baz danych biologicznych Wyszukiwanie informacji w bazach danych biologicznych (również bazach publikacji) Analiza, dopasowanie sekwencji nukleotydów Lokalizacja genów Przewidywanie struktury i funkcji białek na podstawie sekwencji Analiza ekspresji genów (analiza mikromacierzy) Projektowanie leków Ewolucja molekularna Biologia systemowa (ang. System biology) - badanie złożonych oddziaływań występujących w systemach biologicznych

13 Ograniczenia bioinformatyki Jakość przewidywań bioinformatycznech zależy od Danych Dane sekwencyjne mogą zawierać błędy Redundancja danych (nadmiarowość, powielanie się) Błędy ludzkie Algorytmów Zbyt proste modele by opisać złożony problem Konieczność użycia uproszczonych modeli z powodu ograniczeń mocy obliczeniowej komputerów

14 Zakres przedmiotu Rys historyczny Biologiczne bazy danych Analiza sekwencji Konstrukcja drzew filogenetycznych Dane mikromacierzowe (?) Wykorzystanie języków programowania Python/ R (?)

15 Ewolucja różnicowanie się materiału genetycznego Ewolucja molekularna porównawcze analizy na poziomie molekularnym między gatunkami Genetyka populacyjna badanie zróżnicowania genetycznego u osobników tego samego gatunku

16 Rys historyczny 1965 Margaret Dayhoff, pierwsza baza danych sekwencji białkowych: Atlas of Protein Sequence and Structure Lata utworzono Protein Data Bank (archiwizacja struktur trzeciorzędowych białek) początkowo kilkanaście struktur, obecnie kilkadziesiąt tysięcy 1970 Needleman i Wunsh pierwszy algorytm dopasowywania sekwencji (sequence alignment) 1974 Chou i Fasman pierwszy algorytm do przewidywania struktury białka 1982 Utworzenie bazy GeneBank, opracowanie algorytmów do szybkiego przeszukiwania baz danych: FASTA oraz BLAST Projekt poznania genomu ludzkiego Lata 90 szybki dostęp do danych przez Internet 2000 Ukończenie prac nad ogólną sekwencją genomu ludzkiego - Eksplozja danych -> Bioinformatyka

17 Rys historyczny

18

19

20 Zależność wykładnicza Zależność liniową widoczną na wykresach otrzymujemy przez wzięcie logarytmu obu stron równania

21

22

23

24 Bazy danych

25 Bazy danych

26 Cztery główne rodzaje danych w bioinformatyce

27

28

29

30

31 Dopasowanie sekwencji

32

33

34 Genomika dziedzina biologii molekularnej i biologii teoretycznej (pokrewna genetyce i ściśle związana z bioinformatyką) zajmująca się analizą genomu organizmów. Głównym celem genomiki jest poznanie sekwencji materiału genetycznego oraz mapowanie genomu ale również określenie wszelkich zależności i interakcji wewnątrz genomu.

35 DNA kwas deoksyrybonukleinowy RNA kwas rybonukleinowy Zasady azotowe Adenina (A) Tymina (T) Guanina (G) Cytozyna (C) Uracyl (U) (zastępuje tyminę w RNA) Parowanie C-G A-T

36 fosfocukrowy szkielet cząsteczki RNA Bioinformatyka

37 Podstawową jednostką budulcową kwasów nukleinowych są nukleotydy. Nukleotyd = cząsteczka zasady azotowej+cukier (ryboza)+reszta fosforanowa Nukleotydy występują nie tylko w formie łańcuchów.

38

39

40

41 Szkielet cząsteczki białka W ramkach zaznaczone wiązania peptydowe.

42 Aminokwasy Kwas asparginowy Kwas glutaminowy Tryptofan Fenyloalanina Glicyna Alanina Walina Izoleucyna Leucyna Metionina Prolina Lizyna Arginina Histydyna Tyrozyna Seryna Treonina Asparagina Glutamina Cysteina Bioinformatyka

43 Analiza podobieństwa aminokwasów za pomocą metod grupowania hierarchicznego

44 Centralny Dogmat Biologii Molekularnej DNA RNA Białka transkrypcja translacja

45 Kod genetyczny jak sekwencje nukleotydów przekładają się na sekwencje aminokwasów Tłumaczeniu podlegają trójki nukleotydów, tzw. kodony Kodonów (64) jest więcej niż aminokwasów (20). Większości aminokwasów odpowiada więcej niż jeden kodon.

46

47 Jednym z celi jest przewidywanie struktury i właściwości białek - struktura drugo-, trzeciorzędowa białek Proteomika gałąź nauki zajmująca się badaniem białek - ich struktury, sprawowanych przez nie funkcji i zależności między nimi.

48 Poziomy organizacji białek Struktura pierwszorzędowa Struktura drugorzędowa Struktura trzeciorzędowa Struktura czwartorzędowa

49 Poziomy organizacji białek Struktura pierwszorzędowa Liniowy układ aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym (jednowymiarowa sekwencja 20 znaków) np. insulina 51 aminokwasów

50 Poziomy organizacji białek Struktura drugorzędowa Opisuje przestrzenne uporządkowanie łancuchów polipeptydowych białek (skutek wiązań wodorowych) Helisy alfa Harmonijka beta Beta zakręt (petle omega)

51

52 Poziomy organizacji białek Struktura trzeciorzędowa Określa wzajemny przestrzenny układ elementow struktury drugorzędowej Decyduje o aktywności biochemicznej białka Wiązania odpowiedzialne za tę strukturę są dość słabe Denaturacja zniszczenie struktury przez np. temperaturę powyżej st. C Spora część białek nie ma stabilnej struktury trzeciorzędowej

53 Poziomy organizacji białek Struktura czwartorzędowa Tworzy ją tylko część białek Określa wzajemny przestrzenny układ oraz sposób łącznia Podjednostek (osobnych łańcuchów polipeptydowych) niepołączonych kowalencyjnie Grup prostetycznych (niebiałkowe składniki białek np. cukry, lipidy, jony metali)

54 Poziomy organizacji białek Struktura czwartorzędowa Model wstęgowy hemoglobiny

55 Drzewo filogenetyczne (drzewo rodowe) graf acykliczny przedstawiający ewolucyjne zależności pomiędzy sekwencjami lub gatunkami wszystkich organizmów żywych(analogicznie do pokrewieństwa w rodzie ludzkim zobrazowanym przez drzewo genealogiczne). Jest to rodzaj dendrogramu, w którym podstawa (pień) drzewa filogenetycznego symbolizuje wspólnego przodka taksonów znajdujących się wyżej (czyli bardziej współczesnych i wyżej stojących ewolucyjnie), konary odpowiadają taksonom potomnym; długość gałęzi, a czasem również kąt pomiędzy nimi, określają tempo zachodzących przemian ewolucyjnych.

56

57

58 Koniec