politechnika wrocławska bioinformatyka i biologia...

Politechnika Wrocławska

BIOINFORMATYKA i BIOLOGIA

OBLICZENIOWA


Katedra Inżynierii Biomedycznej

Konsultacje D1 pok. 115

Poniedziałek 10.00-12.00

Poniedziałek 15.00-17.00

Mał[email protected]

Materiały: http://www.kotulska-lab.pwr.wroc.pl/forStudents/

Kontakt

mailto:Mał[email protected]://www.kotulska-lab.pwr.wroc.pl/forStudents/


Zasady zaliczenia wykładu

Egzamin 1: Pisemny

Termin: 1 luty ?

Egzamin 2: Pisemny oraz ustny

Termin: ?

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


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

2004.

• M. Zvelebil, J.O. Baum, Introduction to Bioinformatics,

Garland Science 2008


Inne sprawy

DataCamp:

https://www.datacamp.com


6

Biologia obliczeniowa (systemów)

Metabolomika

Bioinformatyka

Genomika

Proteomika

Genomika funkcjonalna

Bioinformatyka strukturalna

Bioinformatyka


Tematyka wykładu

•Podstawy biologii molekularnej (bardzo krótko)

•Bioinformatyka w genetyce

•Bioinformatyka strukturalna

• Podstawy metabolomiki

Zagadnienia:

•Algorytmy

•Narzędzia obliczeniowe

•Bazy danych / bazy wiedzy


DNAUzyskane 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. 1953 przez Jima Watsona (USA)

& Francis Cricka (UK) w oparciu o obraz dyfrakcyjny Rosalind

Franklin.

Nagroda Nobla dla JW. i FC. w 1962 r.


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


Pierwsza molekularna

baza danych

Margaret Dayhoff - Atlas of Protein Sequence and Structure,

1965.

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


Drzewa filogenetyczne (od 1965 r)


FASTA

>gi|295236985|gb|CY062036.1| 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


https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/CP014348.1?report=genbank&log$=seqview


Wzrost liczby danych do analizy

Źródło: GenBank

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


OBECNIE

Udział różnych typów baz danych


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


Human Genome Project (plan 1984US Dept. Energy, NIH 1990-2003-...)

(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)

funkcjonowanie narządów

gen

struktura 3D białka i miejsce ekspresji

procesy komórkowe

PHYSIOME Project

https://en.wikipedia.org/wiki/Human_Genome_Project_-_Write


• 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


Genomika


Genomy różnych organizmów

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/browse/


Genomy różnych organizmów

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/browse/

2016

2017


Genomy różnych organizmów (2012 r.)

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/static/gpstat.html

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/static/gpstat.html


Genom ludzki

Cała informacja genetyczna w DNA. Zawiera

sekwencje kodujące i niekodujące

•Projekt rozpoczęty w 1989

• Pierwsza wersja w 2000

•Koszt 3 mld dolarów

• 3109 pz (par zasad)

• 20 000 genów


1000 Genomes Project

http://www.internationalgenome.org/


https://www.encodeproject.org/


Projekt genomu Neandertalczyka

Fot. BE&W/www.bew.com.pl

Genom Neandertalczyka

opublikowany w

Green i in. Science 2010

http://www.sciencemag.org/special/neandertal/


Mikromacierze

Ekspresja genów i algorytmy klastrowania


Proteomika


Nobel 2013 z chemii za modelowanie molekuł !

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2013/


Struktura białka – kanał potasowy

PDB: 2XKY

Source: Mus musculus

Method: Electron Microscopy; Solution Scattering

Resolution: 17.2 Å


Dynamika molekularna cząstek

Taniec dwóch cząstek:

https://www.youtube.com/watch?v=B4sS1iIp-Qk

Pierwsze MD – M. Levitt

https://www.youtube.com/watch?v=_hMa6G0ZoPQ


Odkrywanie leków

• Identyfikacja celu

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?


Odkrywanie leków

5 000 – 10 000 związków wyeliminowanych

250 kandydatów

wiodących w testach

przedklinicznych

JEDEN lek zaakceptowany przez FDA


35

Przyłączanie się leków

KOMPLEMENTARNOŚĆ

kształtu

chemiczna

elektrostatyczna

?


Odkrywanie leków współcześnie

Mamy cel ataku – który związek go

unieczynni?

Stary sposób: długotrwałe próby

biochemiczne

Nowy sposób: selekcja bioinformatyczna


Proteaza HIV

Protein Structure Initiative

http://publications.nigms.nih.gov/structlife/chapter4.html

http://www.rcsb.org/pdb/explore.do?structureId=1a8g

HIV Proteaza + Peptidyl inhibitor (1A8G.PDB)

http://publications.nigms.nih.gov/structlife/chapter4.htmlhttp://www.rcsb.org/pdb/explore.do?structureId=1a8g


Biologia Systemów

(Systems Biology)


Clancy, C. E. and Y. Rudy (1999). Nature 400(6744): 566-9.

Model komórki miocytuhybrydowe modelowanie kanałów jonowych


Sieci zależności w „Reactome”

Ontologia szlaków wewnątrzkomórkowych


Fala spiralna w sercu – model zespołu

Brugadów

Elisabeth Cherry, Cornell University,

http://arrhythmia.hofstra.edu/emc/modeling.html


Projekty „Human Physiome”

http://physiomeproject.org/


Human Physiome


Morfologia - Visible Human Project


Bazy danych


Gdzie najlepiej szukać danych ogólnych?

NCBI (NIH, USA) Ameryka

EMBL-EBI (UK) Europa

DDBJ (Japonia) Azja

International Nucleotide Sequence Database Collaboration

(INSDC) –1988 r. Pierwsze określenie formatu elektronicznego i

przepisanie na niego z nośników papierowych.

http://insdc.org/


NCBI


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)


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


EBI - EMBL http://www.ebi.ac.uk/


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


Lektura na dzisiaj

Antón SC, Potts R, Aiello LC.

Human evolution. Evolution of early Homo: an integrated

biological perspective.

Science. 2014 Jul 4;345(6192):1236828.

Anthon_ Science2014_evolution_review.pdf

Lazaridis I. i in.

Ancient human genomes suggest three ancestral populations for

present-day Europeans. Nature. 2014 Sep 18;513(7518):409-13.

doi: 10.1038/nature13673.

3GroupsofEurope.pdf

( Europa_pochodzenie_nature2014.pdf )
Anthon_ Science2014_evolution_review.pdf3GroupsofEurope.pdfEuropa_pochodzenie_nature2014.pdf

politechnika wrocławska bioinformatyka i biologia...

Documents