Биоинформатика: биологические тексты

Слайд 0

Биоинформатика: биологические тексты М.С.Гельфанд 29 октября 2006 Первый фестиваль науки МГУ Факультет биоинженерии и биоинформатики

Слайд 1

Расшифрован геном!

Слайд 2

Расшифрован ли геном? Перехватить зашифрованное сообщение – еще не значит его понять

Слайд 3

Фрагмент генома (0.1% генома E. coli) Геном бактерии: несколько миллионов нуклеотидов От 600 до 9 тысяч генов (примерно 90% генома кодирует белки)

Слайд 4

Фрагмент генома (0.0001% генома человека) Геном человека: 3 000 000 000 нуклеотидов Примерно 25 тысяч генов, < 5% генома кодирует белки

Слайд 5

Что же мы хотим понять? Где картировать гены в геноме и определить аминокислотные последовательности кодируемых белков Что предсказать функции генов (кодируемых белков) Когда описать регуляцию генов, зависимость экспрессии от внешних условий и внутреннего состояния клетки Где – 2 определить локализацию белка в клетке (или вне её) Таблица генетического кода

Слайд 6

Пропаганда Проблемы: нет возможности исследовать все экспериментально Возможности: можно использовать методы сравнительной геномики > 1000 геномов бактерий (~400 полных) простейшие: малярийный плазмодий, инфузория, лейшмания, … растения: арабидопсис, тополь, рис пара дюжин дрожжей и другие грибы насекомые: дюжина дрозофил, комар, пчела, … позвоночные: человек, шимпанзе, мышь, крыса, собака, курица, 2 рыбы, … последовательности статьи

Слайд 7

Поиск генов если известен белок: просто

Слайд 8

… или родственный белок: тоже просто

Слайд 9

Статистические особенности Отличия в частотах олигонуклеотидов в кодирующих и некодирующих областях Стартовые кодоны GenMark

Слайд 10

Начала генов Bacillus subtilis dnaN ACATTATCCGTTAGGAGGATAAAAATG gyrA GTGATACTTCAGGGAGGTTTTTTAATG serS TCAATAAAAAAAGGAGTGTTTCGCATG bofA CAAGCGAAGGAGATGAGAAGATTCATG csfB GCTAACTGTACGGAGGTGGAGAAGATG xpaC ATAGACACAGGAGTCGATTATCTCATG metS ACATTCTGATTAGGAGGTTTCAAGATG gcaD AAAAGGGATATTGGAGGCCAATAAATG spoVC TATGTGACTAAGGGAGGATTCGCCATG ftsH GCTTACTGTGGGAGGAGGTAAGGAATG pabB AAAGAAAATAGAGGAATGATACAAATG rplJ CAAGAATCTACAGGAGGTGTAACCATG tufA AAAGCTCTTAAGGAGGATTTTAGAATG rpsJ TGTAGGCGAAAAGGAGGGAAAATAATG rpoA CGTTTTGAAGGAGGGTTTTAAGTAATG rplM AGATCATTTAGGAGGGGAAATTCAATG

Слайд 11

Участок связывания рибосом dnaN ACATTATCCGTTAGGAGGATAAAAATG gyrA GTGATACTTCAGGGAGGTTTTTTAATG serS TCAATAAAAAAAGGAGTGTTTCGCATG bofA CAAGCGAAGGAGATGAGAAGATTCATG csfB GCTAACTGTACGGAGGTGGAGAAGATG xpaC ATAGACACAGGAGTCGATTATCTCATG metS ACATTCTGATTAGGAGGTTTCAAGATG gcaD AAAAGGGATATTGGAGGCCAATAAATG spoVC TATGTGACTAAGGGAGGATTCGCCATG ftsH GCTTACTGTGGGAGGAGGTAAGGAATG pabB AAAGAAAATAGAGGAATGATACAAATG rplJ CAAGAATCTACAGGAGGTGTAACCATG tufA AAAGCTCTTAAGGAGGATTTTAGAATG rpsJ TGTAGGCGAAAAGGAGGGAAAATAATG rpoA CGTTTTGAAGGAGGGTTTTAAGTAATG rplM AGATCATTTAGGAGGGGAAATTCAATG

Слайд 12

Сравнение генов в родственных геномах Гены консервативнее, чем межгенные области (точнее, особенности эволюции другие)

Слайд 13

Мораль Комплексный подход: использование многих разнородных соображений, каждое из которых по отдельности – слабое Сравнительный подход: одновременный анализ множества геномов (находящихся на различных эволюционных расстояниях друг от друга)

Слайд 14

Как предсказывать функции Белки, похожие по последовательности, имеют сходные функции Если нет родственных белков с известной функцией, то: предсказав структурные особенности, можно определить функциональный класс изучение геномного контекста позволяет отнести белок к функциональной подсистеме

Слайд 15

Метаболический путь биосинтеза рибофлавина (витамина В2)

Слайд 16

Консервативная последовательность перед генами рибофлавинового пути

Слайд 17

… и еще перед одним геном (ypaA) цветные стрелки – гены пути желтые стрелки – ypaA, ген с неизвестной функцией черные стрелки – регуляторный элемент

Слайд 18

YpaA: транспортёр рибофлавина 5 предсказанных ТМ-сегментов => потенциальный транспортёр регуляторный RFN-элемент => ко-регуляция с генами метаболизма рибофлавина => транспорт рибофлавина или предшественника S. pyogenes, E. faecalis, Listeria spp.: есть ypaA, нет генов биосинтеза рибофлавина => транспорт рибофлавина Предсказание: YpaA – рибофлавиновый транспортёр (Gelfand et al., 1999) Проверка: YpaA переносит рибофлавин (генетический анализ, Кренева и др., 2000) ypaA регулируется рибофлавином (анализ экспрессии на микрочипах, Lee et al., 2001; прямой эксперимент, Winkler et al., 2002).

Слайд 19

Молекулярная эволюция После расхождения видов изменения в генах накапливаются почти случайно=> гены в близких видах более похожи, чем в далеких => степень различия генов можно использовать для датировки расхождений

Слайд 20

Молекулярная палеонтология: как видели динозавры

Слайд 21

Таксономическое дерево

Слайд 22

Реконструированный белок и его свойства

Слайд 23

Не только тексты Можно использовать данные, которые порождаются другими типами массовых экспериментов Уровень экспрессии: Концентрации мРНК Концентрации белков Время жизни мРНК и белков Взаимодействия: Белок-ДНКовые Белок-белковые Структура генома Метилирование ДНК Положение и модификация нуклеосом Функционально-генетические Летальность мутаций Фенотип Синтетические летали

Слайд 24

Графы белок-белковых (структурных, сигнальных и др.) и белок-ДНКовых (регуляторных) взаимодействий в дрожжах

Слайд 25

Экспрессия (уровень работы) генов Цикл развития малярийного плазмодия

Слайд 26

Биоинформатика Биоинформатика – это биология in silico Кто этим занимается: биологи, математики, физики, химики … биоинформатики Хорошая биоинформатика связана с биологией обработка результатов проверка предсказаний в хороших современных проектах эти шаги повторяются несколько раз, начиная с этапа планирования

Слайд 27

Происхождение жизни