Bioinformatyka. wykłady dla I r. studiów magisterskich, biologia (SGGW) 2007/2008. Wykład 1, 4.X.2007 Krzysztof Pawłowski

Transkrypt

1 Bioinformatyka wykłady dla I r. studiów magisterskich, biologia (SGGW) 2007/2008 Wykład 1, 4.X.2007 Krzysztof Pawłowski

2 Wykład 4.X.2007 Co to jest bioinformatyka? Program wykładów Sekwencjonowanie DNA Sekwencjonowanie genomów

3 definicja bioinformatyki / biologii obliczeniowej Rozwiązywanie problemów biologicznych metodami obliczeniowymi Solving biological problems by computational means Some synonyms: In silico biology Biocomputing Theoretical biology Substantial overlaps: Computational chemistry / cheminformatics Systems biology Structural biology Theoretical biophysics

4 Zakres zainteresowań bioinformatyki Objects: small molecules, structural motifs and domains, proteins, transcripts, genes, organelles, cells, tissues, organs, organisms Objects attributes: sequences, 3-D structures, expression data, clinical data, publications,.

5 oficjalne definicje NIH Bioinformatics: approaches for expanding the use of biological, medical, behavioral or health data, including those to acquire, store, organize, archive, analyze, or visualize such data. Computational Biology: The development and application of data-analytical and theoretical methods, mathematical modeling and computational simulation techniques to the study of biological, behavioral, and social systems.

6 ale pod innymi nazwami rozwijała się przynajmniej od lat 1960-tych bioinformatyka nowa dyscyplina? Publikacje bioinformatyczne (PubMed) bioinformatics[text Word] bioinformatics[mesh Heading]

7 Bioinformatyka w Google bioinformatics bioinformatyka bioinformatika bioinformatik bioinformatica bioinformatique biology biologia

8 BIOINFORMATYKA - dziedzina interdyscyplinarna bioinformatyka biologia (molekularna) = + dane biologiczne informatyka narzędzia,metody i obliczenia komputerowe dane dotyczące kwasów nukleinowych, białek, lipidów, węglowodanów i innych makrocząsteczek nauki i techniki komputerowe, teoria informacji, matematyka stosowana, statystyka, teoria prawdopodobieństwa

9 BIOINFORMATYKA - dziedzina interdyscyplinarna bioinformatyka biologia (molekularna) = + dane biologiczne informatyka narzędzia,metody i obliczenia komputerowe dane dotyczące kwasów nukleinowych, białek, lipidów, węglowodanów i innych makrocząsteczek fizyka i chemia nauki i techniki komputerowe, teoria informacji, matematyka stosowana, statystyka, teoria prawdopodobieństwa

10 BIOINFORMATYKA - cele Organizowanie i zarządzanie informacjami o makrocząsteczkach i innych danych biologicznych w formie skomputeryzowanych (cyfrowych) zapisów - baz danych Analiza tych danych przy pomocy metod obliczeniowych, rozwój metod i algorytmów

11 BIOINFORMATYKA - poziomy analiz DNA mrna białka interakcje i metabolizm

12 BIOINFORMATYKA - poziomy analiz poziom badań przedmiot badań dziedzina badań tematy badań genom wszystkie sekwencjie DNA zawarte w organizmie, geny, sekwencje regulatorowe genomika poszukiwanie sekwencji kodujących, rozpoznawanie eksonów i intronów, organizacja genomów, porównanie sekwencji transkryptom wszystkie sekwencie RNA zawarte w organizmie transkryptomika analiza ekspresji genów proteom wszystkie białka zawarte w organizmie proteomika porównanie sekwencji, identyfikacja zachowanych regionów, przewidywannie struktury, oddziaływania metabolom wszystkie procesy metaboliczne zachodzące w organizmie, metabolity metabolomika określanie sieci i szlaków metabolicznych, symulacje

13 Program wykładów Genomy Sekwencje biologiczne Biologiczne bazy danych Struktury makrocząsteczek biologicznych Elementy biologii systemowej Elementy epigenetyki dygresje w stronę biologii, fizyki, chemii

14 zaliczenie Ćwiczenia: lista obecności & kolokwium (a) Wykład: kolokwium (b) Ocena: średnia z ocen z kolokwiów a i b, jeśli obie oceny > 2

15 Literatura

16 Literatura

17 Baxevanis, Ouelette

18

19 1977 Sekwencjonowanie DNA Sanger i współpr. metoda terminacji łańcucha, dideoksy 1987 Prober i współpr. znakowanie fluorescencyjne i zautomatyzowanie metody analizator DNA (sekwenser) ABI PRISM 3700

20 Oczyszczanie fragmentów DNA: wyciętych z klonów plazmidowych lub fagowych zamplifikowanych przez PCR Denaturacja (pojedyncze nici) Hybrydyzacja ze starterem oligonukleotydowym Synteza nowej nici DNA od końca startera przy pomocy: polimerazy Taq puli trifosforanów deoksyrybonukleotydów (datp, dttp, dgtp, dctp) puli trifosforanów dideoksynukleotydów (ddatp, ddttp, ddgtp, ddctp) znakowanych fluorescencyjnie i powodujących zakończenie syntezy nici -A-G-T-C-G-T-A-T T-C-A-G-C-A-T-A -A-G-T-C-G-T-A-T T-C-A-G-C-A-T -A-G-T-C-G-T-A-T T-C-A-G-C-A T-C-A-G -A-G-T-C-G-T-A-T T-C-A-G-C -A-G-T-C-G-T-A-T

21 Elektroforeza kapilarna (sekwencje o długości do 1500 nukleotydów) GCATATCGGCTAATTGCTCTAGCAC T-C-A-G-C-A-T-A T-C-A-G-C-A-T T-C-A-G-C-A T-C-A-G-C T-C-A-G Odczyt sekwencji GCATATCGGCTAATTGCTCTAGCAC

22 Etapy sekwencjonowania genomów Oczyszczanie chromosomów Pofragmentowanie metodą sonikacji na odcinki o długości 100 kpz (kbp) lub większe Klonowanie fragmentów w wektorach (YAC, BAC) Tworzenie mapy chromosomu Wybór zachodzących pojedynczych klonów do sekwencjonowania

23 Subklonowanie w mniejszych fragmentach Tworzenie mapy subklonów Human Genome Project metoda tradycyjna

24 Wybór i sekwencjonowanie zachodzących subklonów SEKWENCJONOWANIE ATGCTCGATCTTGATAGAGCTACAACGGCTTGCGGTAGCTTATA Human Genome Project metoda tradycyjna ATGCTCGATCTTGATAGAGCTACAACGGCTTGCGGTAGCTTATA

25 Subklonowanie w mniejszych fragmentach Sekwencjonowanie wszystkich subklonów i tworzenie bazy komputerowej SEKWENCJONOWANIE Celera Genomics metoda shotgun ATGCTCGATCTTGATAGAGCTACAACGGCTTGCGGTAGCTTATA ATGCTCGATCTTGATAGAGCTACAACGGCTTGCGGTAGCTTATA

26 Komputerowy zapis sekwencji nukleotydowej G C C A T T C G A lub M A lub S C lub P A C T G G A T A T T A C G T CGTACGTMTASTATAGTACTPC

27 Obróbka bka sekwencji HTGS Faza 0 Faza 1 Faza 2 Faza 3 contigs

28 Sekwencjonowanie genomów 1977 Sanger i współpr. - fag ΦX 174 (5,4 tys. pz) 1981 Anderson i współpr. - mtdna człowieka (17 tys. pz) 1995 Fleischmann i współpr. - Haemophilus influenzae (1.8 mln pz) Fraser i współpr. - Mycoplasma genitalium (0.6 mln pz) 1997 Blattner i współpr. Escherichia coli (4.6 mln pz) Kunst i współpr. Bacillus subtilis (4.2 mln pz)

29 Sekwencjonowanie genomów Goffeau i współpr. Saccharomyces cerevisiae (13 mln pz) 1998 The C. elegans Sequencing Consortium Caenorhabditis elegans (100 mln pz)

30 Sekwencjonowanie genomu człowieka Celera Genomics od 1998 Human Genome Project od 1990 VI 2000 ogłoszenie zakończenie prac nad wstępną wersją genomu ludzkiego; zsekwencjonowano: 99 % 85 % Konferencja prasowa w Białym Domu w towarzystwie premiera Wielkiej Brytanii i prezydenta USA. Zespoły HPG oraz Celery postanowiły ze sobą współpracować w końcowej fazie badań po okresie zażartej konkurencji. Craig Venter Francis Collins

31 Celera Genomics Human Genome Project II 2001 niezależna publikacja wyników w: Venter i współpracownicy THE GENOME INTERNATIONAL SEQUENCING CONSORTIUM

32 The diploid sequence of an individual human PLoS Biol (2007) 5:e24 Individualised medicine?

33 GenBank statystyka Entries Bases Species Homo sapiens Mus musculus Rattus norvegicus Drosophila melanogaster Arabidopsis thaliana Oryza sativa (japonica cultivar-group) Caenorhabditis elegans Danio rerio Oryza sativa Brassica oleracea Tetraodon nigroviridis Pan troglodytes Zea mays Glycine max Bos taurus Xenopus laevis Medicago truncatula Triticum aestivum Hordeum vulgare Anopheles gambiae Grupa Archaea 45 Bacteria 521 Eucaryota 25 liczba genomów zsekwencjonowanych

34 Liczba całkowicie zsekwencjonowanych genomów bakteryjnych

35 Kompletnie zsekwencjonowane genomy Eucaryota: Drosophila melanogaster OWADY (1) Saccharomyces cerevisiae Schizosaccharomyces pombe Candida glabratha Encephalitozoon cuniculi GB-M1. Caenorhabditis elegans GRZYBY (10) Entamoeba histolytica Plasmodium falciparum Trypanosoma cruzi. NICIENIE (1) KRĘGOWCE (2) PIERWOTNIAKI (6) Homo sapiens Mus musculus ROŚLINY (4) Arabidopsis thaliana Oryza sativa Oltmansiellopsis viridis Ostreococcus lucimarinus

36 Za tydzień gen definicja? biologiczne bazy danych