Bioinformatyka 

wykłady dla I r. studiów magisterskich, biologia 

(SGGW)

 

2007/2008

Wykład 1, 4.X.2007

Krzysztof Pawłowski

Wykład 4.X.2007

„

Co to jest bioinformatyka?

„

Program wykładów

„

Sekwencjonowanie DNA

„

Sekwencjonowanie genomów

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

„

definicja”

 

bioinformatyki

 

/ biologii obliczeniowej

•

 

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,….

Zakres zainteresowań

 

bioinformatyki

„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.

„bioinformatyka”

 

–

 

nowa dyscyplina?

Publikacje bioinformatyczne (PubMed)

1

10

100

1000

10000

1

9

89

1

9

90

1

9

91

1

9

92

1

9

93

1

9

94

1

9

95

1

9

96

1

9

97

1

9

98

1

9

99

2

0

00

2

0

01

2

0

02

2

0

03

2

0

04

2

0

05

2

0

06

2

0

07

2

0

08

2

0

09

bioinformatics[Text Word]

bioinformatics[MeSH Heading]

…ale pod innymi nazwami rozwijała się

 

przynajmniej od lat 1960-tych

Bioinformatyka w Google

17 500 000 

47 300 

241 000 

1 160 000  1 140 000  1 730 000 

126 000 000 

27 700 000 

 bi

oin

fo

rm

at

ics

 bi

oin

fo

rm

at

yk

a

 bi

oin

fo

rm

at

ika

 bi

oinf

or

m

at

ik

 bi

oinf

or

ma

tic

a

 bi

oinf

or

m

at

ique  

 bi

ology

  

 bi

ologi

a

bio

informatyka

BIOINFORMATYKA 

BIOINFORMATYKA 

-

-

 

dziedzina interdyscyplinarna

dziedzina interdyscyplinarna

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

bio

informatyka

BIOINFORMATYKA 

BIOINFORMATYKA 

-

-

 

dziedzina interdyscyplinarna

dziedzina interdyscyplinarna

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

fizy

ka

 i c

he

mi

a

BIOINFORMATYKA 

BIOINFORMATYKA 

-

-

 

cele

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

DNA

BIOINFORMATYKA 

BIOINFORMATYKA 

-

-

 

poziomy analiz

poziomy analiz

mRNA

białka

interakcje

 

i metabolizm

genom

BIOINFORMATYKA 

BIOINFORMATYKA 

-

-

 

poziomy analiz

poziomy analiz

wszystkie

 

sekwencjie

 

DNA 

zawarte

 

w organizmie, geny, 

sekwencje regulatorowe

genomika

genomika

poziom

 

badań

przedmiot

 

badań

dziedzina

 

badań

poszukiwanie

 

sekwencji

 

kodujących, rozpoznawanie

 

eksonów

 

i intronów, 

organizacja

 

genomów,

porównanie

 

sekwencji

tematy

 

badań

transkryptom

wszystkie

 

sekwencie

 

RNA 

zawarte

 

w organizmie

transkryptomika

transkryptomika

analiza

 

ekspresji

 

genów

proteom

wszystkie

 

białka

 

zawarte

 

w 

organizmie

proteomika

proteomika

porównanie

 

sekwencji, 

identyfikacja

 

zachowanych

 

regionów, przewidywannie

 

struktury, oddziaływania

metabolom

wszystkie

 

procesy

 

metaboliczne

 

zachodzące

 

w organizmie, 

metabolity

metabolomika

metabolomika

określanie

 

sieci i szlaków

 

metabolicznych, symulacje

Program wykładów

„

Genomy 

„

Sekwencje biologiczne

„

Biologiczne bazy danych

„

Struktury makrocząsteczek biologicznych

„

Elementy biologii systemowej

„

Elementy epigenetyki

„

…dygresje w stronę biologii, fizyki, chemii

zaliczenie

„

Ćwiczenia:

lista obecności & kolokwium (a)

„

Wykład:

kolokwium (b)

„

Ocena: średnia z ocen z kolokwiów a i b, 
jeśli obie oceny > 2

Literatura

Literatura

Literatura

Literatura

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books

Baxevanis, Ouelette

Sekwencjonowanie DNA

Sekwencjonowanie DNA

1977

Sanger

 

i współpr.

 

–

 

metoda terminacji

 

łańcucha, dideoksy

1987

Prober

 

i współpr.

 

–

 

znakowanie fluorescencyjne i zautomatyzowanie metody

analizator DNA (sekwenser) 

ABI PRISM 3700

Hybrydyzacja ze starterem oligonukleotydowym

Synteza nowej nici DNA od końca startera przy pomocy:

 

polimerazy

 

Taq

Oczyszczanie fragmentów DNA:

wyciętych z klonów plazmidowych lub fagowych
zamplifikowanych

 

przez PCR

puli trifosforanów

 

deoksyrybonukleotydów

 

(dATP, dTTP, dGTP, dCTP)

puli trifosforanów

 

dideoksynukleotydów

 

(

dd

A

TP

, 

dd

T

TP

, 

dd

G

TP

, 

dd

C

TP

) 

znakowanych fluorescencyjnie i powodujących zakończenie syntezy nici

Denaturacja (pojedyncze nici)

G-C-A-T-

A

G-C-A-

T

G-C-

A

G

-

C

G

-

A-G-T-C-G-T-A-T

-A-G-T-C-G-T-A-T

-A-G-T-C-G-T-A-T

-A-G-T-C-G-T-A-T

-A-G-T-C-G-T-A-T

T-C-A-

T-C-A-

T-C-A-

T-C-A-

T-C-A-

Elektroforeza kapilarna (sekwencje o długości do 1500 nukleotydów)

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

0

5

10

15

20

25

G

C

A

T

A

T

C

GG

C

T

AA

TT

G

C

T

C

T

A

G

C

A

C

0

5

10

15

20

25

G

C

A

T

A

T

C

GG

C

T

AA

TT

G

C

T

C

T

A

G

C

A

C

Odczyt sekwencji

Etapy sekwencjonowania genom

Etapy sekwencjonowania genom

ó

ó

w

w

Wybór zachodzących pojedynczych klonów do sekwencjonowania

Oczyszczanie chromosomów

Pofragmentowanie metodą

 

sonikacji

 

na odcinki 

o długości 100 kpz

 

(kbp) lub większe

Klonowanie fragmentów w wektorach (YAC, BAC) 

Tworzenie mapy chromosomu

Subklonowanie

 

w   mniejszych         fragmentach 

Human

 

Genome

 

Project

metoda tradycyjna

Tworzenie mapy subklonów

SEKWENCJONOWANIE

ATGCTCGATCTTGATAGAGCTACAACGGCTTGCGGTAGCTTATA

ATGCTCG

TCGATCTT

TTGATAGA

AGAGCTAC

TACAACGG

GGCTTGC

GCGGTAGC

AGCTTATA

Human

 

Genome

 

Project

metoda tradycyjna

Wybór i sekwencjonowanie

 

zachodzących subklonów

ATGCTCGATCTTGATAGAGCTACAACGGCTTGCGGTAGCTTATA

ATGCTCG

TTGATAGA

TACAACGG

GCGGTAGC

TCGATCTT

AGAGCTAC

GGCTTGC

AGCTTATA

SEKWENCJONOWANIE

Subklonowanie

 

w   mniejszych         fragmentach 

Celera

 

Genomics

metoda ”shotgun”

Sekwencjonowanie wszystkich 
subklonów

 

i tworzenie bazy 

komputerowej

Komputerowy zapis sekwencji nukleotydowej

Komputerowy zapis sekwencji nukleotydowej

A

A

A

A

A

C

C

C

C

T

T

T

T

T

T

T

G

G

G

C

lub

A

G

lub

C

A

lub

G

M

S

P

C

G

T

A

C

G

T

M

T

A

S

T

A

T

A

G

T

A

C

T

P

C

Obr

Obr

ó

ó

bka sekwencji HTGS

bka sekwencji HTGS

Faza 0

Faza 1

Faza 2

Faza 3

contigs

1977

Sanger

 

i współpr. -

 

fag

 

ΦX 174 (5,4 tys. pz)

Sekwencjonowanie genom

Sekwencjonowanie genom

ó

ó

w

w

1995

Fleischmann

 

i współpr. -

 

Haemophilus influenzae 

(1.8 mln

 

pz)

1981

Anderson i współpr. -

 

mtDNA

 

człowieka (17 tys. 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)

1996
1997

Goffeau

 

i współpr. 

Saccharomyces

 

cerevisiae

 

(13 mln

 

pz)

Sekwencjonowanie genom

Sekwencjonowanie genom

ó

ó

w

w

1998

The

 

C. elegans

 

Sequencing

 

Consortium

Caenorhabditis

 

elegans

 

(100 mln

 

pz)

Human

 

Genome

 

Project

od 1990

Celera

 

Genomics

od 1998

VI 2000

ogłoszenie zakończenie prac nad wstępną

 

wersją

 

genomu ludzkiego; zsekwencjonowano:

85 %

99 %

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. 

Sekwencjonowanie genomu cz

Sekwencjonowanie genomu cz

ł

ł

owieka

owieka

Francis Collins

Craig

 

Venter

Human

 

Genome

 

Project

Celera

 

Genomics

II 2001

niezależna publikacja wyników w:

Venter

 

i współpracownicy 

THE GENOME INTERNATIONAL 

SEQUENCING CONSORTIUM

The

 

diploid sequence

 

of

 

an

 

individual

 

human

PLoS

 

Biol

 

(2007) 5:e24

Individualised

 

medicine?

Entries

 

Bases

 

Species

5910385   8975089696   Homo sapiens

3693368   4248000223   Mus musculus

440177     2845643085   Rattus

 

norvegicus

334184     684138071     Drosophila

 

melanogaster

364947     340669960     Arabidopsis

 

thaliana

73786       324515226     Oryza

 

sativa

 

(japonica

 

cultivar-group)

196469     220265073     Caenorhabditis

 

elegans

280958     200452421     Danio rerio

140766     196468644     Oryza

 

sativa

299860     195352078     Brassica

 

oleracea

189102     169109095     Tetraodon

 

nigroviridis

160484     161781732     Pan troglodytes

319238     148070112     Zea

 

mays

279229     128872165     Glycine

 

max

242987     128784744     Bos

 

taurus

219188     115991395     Xenopus

 

laevis

174573     112789672     Medicago

 

truncatula

205617     103041525     Triticum

 

aestivum

179025     99099713       Hordeum

 

vulgare

155282     95915175       Anopheles

 

gambiae

GenBank

GenBank

 

–

–

 

statystyka

statystyka

Grupa  

liczba genomów 

zsekwencjonowanych

Archaea

 

45

Bacteria

 

521 

Eucaryota

 

25

Liczba całkowicie zsekwencjonowanych

 

genomów bakteryjnych

Kompletnie 

Kompletnie 

zsekwencjonowane

zsekwencjonowane

 

genomy

genomy

„

Eucaryota:

„

Drosophila melanogaster

ƒ

Saccharomyces cerevisiae

ƒ

Schizosaccharomyces pombe

ƒ

Candida glabratha

ƒ

Encephalitozoon cuniculi GB-M1….

„

Caenorhabditis elegans

„

Entamoeba histolytica

„

Plasmodium falciparum

„

Trypanosoma cruzi

…. 

ƒ

Homo sapiens 

ƒ

Mus musculus

ƒ

Arabidopsis thaliana

ƒ

Oryza sativa

ƒ

Oltmansiellopsis viridis

ƒ

Ostreococcus lucimarinus

KRĘGOWCE (2)

ROŚLINY (4)

OWADY (1)

GRZYBY (10)

PIERWOTNIAKI 

(6)

NICIENIE (1)

Za tydzień…

„

gen – definicja?

„

biologiczne bazy danych