Politechnika Wrocławska
BIOINFORMATYKA i BIOLOGIA
OBLICZENIOWA
Politechnika Wrocławska
Katedra Inżynierii Biomedycznej
Konsultacje D1 pok. 115
Poniedziałek 10.00-12.00
Poniedziałek 15.00-17.00
Materiały: http://www.kotulska-lab.pwr.wroc.pl/forStudents/
Kontakt
mailto:Mał[email protected]://www.kotulska-lab.pwr.wroc.pl/forStudents/
Politechnika Wrocławska
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
Politechnika Wrocławska
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
Politechnika Wrocławska
Inne sprawy
DataCamp:
https://www.datacamp.com
Politechnika Wrocławska
6
Biologia obliczeniowa (systemów)
Metabolomika
Bioinformatyka
Genomika
Proteomika
Genomika funkcjonalna
Bioinformatyka strukturalna
Bioinformatyka
Politechnika Wrocławska
Tematyka wykładu
•Podstawy biologii molekularnej (bardzo krótko)
•Bioinformatyka w genetyce
•Bioinformatyka strukturalna
• Podstawy metabolomiki
Zagadnienia:
•Algorytmy
•Narzędzia obliczeniowe
•Bazy danych / bazy wiedzy
Politechnika Wrocławska
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.
Politechnika Wrocławska
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
Politechnika Wrocławska
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
Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
Drzewa filogenetyczne (od 1965 r)
Politechnika Wrocławska
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
Politechnika Wrocławska
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/CP014348.1?report=genbank&log$=seqview
Politechnika Wrocławska
Wzrost liczby danych do analizy
Źródło: GenBank
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/
Politechnika Wrocławska
OBECNIE
Udział różnych typów baz danych
Politechnika Wrocławska
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
Politechnika Wrocławska
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
Politechnika Wrocławska
• 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
Politechnika Wrocławska
Genomika
Politechnika Wrocławska
Genomy różnych organizmów
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/browse/
Politechnika Wrocławska
Genomy różnych organizmów
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/browse/
2016
2017
Politechnika Wrocławska
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
Politechnika Wrocławska
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
Politechnika Wrocławska
1000 Genomes Project
http://www.internationalgenome.org/
Politechnika Wrocławska
https://www.encodeproject.org/
Politechnika Wrocławska
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/
Politechnika Wrocławska
Mikromacierze
Ekspresja genów i algorytmy klastrowania
Politechnika Wrocławska
Proteomika
Politechnika Wrocławska
Nobel 2013 z chemii za modelowanie molekuł !
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2013/
Politechnika Wrocławska
Struktura białka – kanał potasowy
PDB: 2XKY
Source: Mus musculus
Method: Electron Microscopy; Solution Scattering
Resolution: 17.2 Å
Politechnika Wrocławska
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
Politechnika Wrocławska
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?
Politechnika Wrocławska
Odkrywanie leków
5 000 – 10 000 związków wyeliminowanych
250 kandydatów
wiodących w testach
przedklinicznych
JEDEN lek zaakceptowany przez FDA
Politechnika Wrocławska
35
Przyłączanie się leków
KOMPLEMENTARNOŚĆ
kształtu
chemiczna
elektrostatyczna
?
Politechnika Wrocławska
Odkrywanie leków współcześnie
Mamy cel ataku – który związek go
unieczynni?
Stary sposób: długotrwałe próby
biochemiczne
Nowy sposób: selekcja bioinformatyczna
Politechnika Wrocławska
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
Politechnika Wrocławska
Biologia Systemów
(Systems Biology)
Politechnika Wrocławska
Clancy, C. E. and Y. Rudy (1999). Nature 400(6744): 566-9.
Model komórki miocytuhybrydowe modelowanie kanałów jonowych
Politechnika Wrocławska
Sieci zależności w „Reactome”
Ontologia szlaków wewnątrzkomórkowych
Politechnika Wrocławska
Fala spiralna w sercu – model zespołu
Brugadów
Elisabeth Cherry, Cornell University,
http://arrhythmia.hofstra.edu/emc/modeling.html
Politechnika Wrocławska
Projekty „Human Physiome”
http://physiomeproject.org/
Politechnika Wrocławska
Human Physiome
Politechnika Wrocławska
Morfologia - Visible Human Project
Politechnika Wrocławska
Bazy danych
Politechnika Wrocławska
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/
Politechnika Wrocławska
NCBI
Politechnika Wrocławska
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)
Politechnika Wrocławska
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
Politechnika Wrocławska
EBI - EMBL http://www.ebi.ac.uk/
Politechnika Wrocławska
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
Politechnika Wrocławska
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