Internet web: >8,000,000,000 pagine - biochimica.unipr.itbiochimica.unipr.it/biocomp/ab/bioinformatica/PRESENTAZIONE...•Algoritmi genetici ... File: PRESENTAZIONE_Abilita_INFORMATICA.SXI

Internet web: >8,000,000,000 pagine

Merck Index: >10.000 monografie su composti chimici

Uric Acid

Ammonia is a universal participant in amino acid synthesis and degradation, but its accumulation has toxic consequences. Because terrestrial animals must conserve water, they convert ammonia to a form that can be excreted without large water losses. Birds, terrestrial reptiles, and insects convert most of their excess ammonia to uric acid, an oxidized purine. Most mammals excrete the bulk of their nitrogen as urea. See urea cycle reactions here. Uric acid is an intermediate in purine nucleotide metabolism (Figure 22.7) and is quite insoluble in water. Consequently, increasing concentrations of it causes it to precipitate as crystals of sodium urate, and cause the painful condition of gout.Uric acid also has antioxidant properties.

Riccardo Percudani 01/10/2007 File: PRESENTAZIONE_Abilita_INFORMATICA.SXI

Bioinformatica

Biologia (molecolare)+

Informatica

:studio dei problemi biologici attraverso le metodologie dell'informatica

~Biologia molecolare computazionale~Biochimica computazionale


...viceversa

•Biocomputazione•Algoritmi genetici•Reti neurali

:Metodi informatici di applicazione generale che si ispirano ai principi della biologia


Gli oggetti principali della bioinformatica

Sequenze di acidi nucleici

Sequenze di proteine

Strutture di macromolecole

>P25032 MASSSSATSGDDRPPAAGGGTPAQAHAEWAASMHAYYAAAASAAGHPYAAWPLPPQAQQHGLVAAGAGAAYGAGAVPHVPPPPAGTRHAHASMAAGVPYMA

>gi|8886401|gb|AF162269.1| CCCACTCCTCCATCTCACAAACACTTCTCTATACCCAACAATCCCTTTTACAATCCCTGCTCATTTAGTCAAAATGGTCAAGATTGCTGCTATCATCCTCCTCATGGGCATTCTCGCCAATGCTGCCGCCATCCCTGTCATTTCAACACCCAAATTACAGAGCCAACCGGCGAGGGCGACCGTGGGGACGTGGCCGAC


Gli scopi della bioinformatica

Gestione dei dati biologicimantenimento, organizzazione, distribuzione...

Analisi dei dati biologiciinferenze e predizioni sul significato biologico


Crescita esponenziale dei dati bioinformatici


Incremento dei dati di sequenza Vs diminuizione dei costi

Sequencing costs have dropped several orders of magnitude, from $10 per finished base in 1990 to today's cost, which are estimated at about 5 or 6 cents per base for finished sequence and about 2 to 4 cents for draft sequence.

The Scientist 17, 2003


= Dogma centrale della biologia

Dogma centrale della bioinformatica

DNA RNA Proteine

struttura/funzione struttura/funzione

Secondo il dogma centrale della biologia le funzioni biologiche sono interamente codificate nella sequenza del DNA


Affidabilità e completezza dei dati di sequenza

Completezza dell'informazione

Disponibili informazioni genomiche complete per numerosi organismi

Esattezza dell'informazione

A differenza di altre osservazioni biologiche, i dati di sequenza hanno una bassa percentuale di errore.Un sequenziamento accurato ha un errore di ~10-4


Importanza della bioinformatica

●Quantità di informazione●Valore dell'informazione ●Esattezza e completezza dell'informazione


Genomica

“Genoma” indica l'insieme del materiale genetico trasmissibile di unessere vivente (Hans Winkler, 1920). La genomica è la disciplina che studia i genomi completi.


Genomica

http://www.nslij-genetics.org/seq/

Organismi a genoma completo

Studio dei genomi completi degli organismi. Possibile grazie a:- Metodi di sequenziamento automatico- Metodi bioinformatici

http://www.nslij-genetics.org/seq/


Genomica

Dimensione del genoma e numero di geni

Homo sapiens: 30.000 geni, 3 * 109 caratteri


Post-genomica?


Storia evolutiva degli organismi

Nature is a tinkerer and not an inventorJacob, 1977

voi siete qui

LCA


ATCGGCCACTTTCGCGATCA Sequenza ancestrale

ATAGGCCACTTTCGCGATCA ATAGGCCACTTTCGCGATTA

ATAGGGCACTTTCGCGATTA ATAGGGCACTTT-GCGATTA

ATAGGGCACTTT-GCGATGA

ATCGGCCACTTTCGCGATCG

ATCGGCCACTTTCGTGATCG

ATCGGCCACGTTCGTGATCG

ATCGCCCACGTTCGCGATCG

ATTGCCCACGTTCGCGATCG

Sequenze omologhe

ATCGGCCACGTTCGCGATCG

Evoluzione nel tempo dell'informazione biologica

Omologia = condivisione di un ancestore comune

Evento di separazione


Separazione per speciazione


ATCGGCCACTTTCGCGATCA Organismo ancestore

ATAGGGCACTTT-GCGATGA ATTGCCCACGTTCGCGATCG

Sequenze ortologhe

Separazione dei geni per speciazione

Specie moderna A Specie moderna B

Evento di speciazione

Lo stesso gene in organismi diversi


I geni hanno una storia evolutiva più complicata di quella degli organismi

MIOGLOBINA

α-GLOBINA β-GLOBINA

α

α α

β

β β

Separazionedel gene

Separazione della specie

GLOBINA

GLOBINA


ATCGGCCACTTTCGCGATCA gene ancestore


Sequenze paraloghe

Separazione per duplicazione genica

gene moderno A gene moderno B

Evento di duplicazione

Geni originati per duplicazione in uno stesso genoma


Caratteristiche dei geni omologhi

- Proteine derivanti da geni omologhi hanno struttura tridimensionale (3D) simile

- Proteine derivanti da geni ortologhi hanno probabilmente una funzione uguale o simile

- Proteine derivanti da geni paraloghi possono avere una funzione uguale o simile


ATCGGCCACTTTCGCGATCA Sequenza ancestrale


ATAGGGCACTTT-GCGATGA** * *** ** *****ATTGCCCACGTTCGCGATCG

Sequenze allineate

L'omologia è dedotta dall'allineamento

?

Osservazione

Ipotesi


Allineamento di sequenze biologiche

• DNA: alfabeto di 4 lettere + gaps

• Proteine: alfabeto di 20 lettere + gaps

AATGTCAAC-GTAA

SPRRNQ-ACTCCNPR-NQGASCCC


Penalità per apertura gap e penalità per allungamento gap

Se in una posizione è tollerata l'inserzione o delezione di un residuo è probabile che siano tollerate inserzioni o delezioni di più residui

Penalità gap= penalita apertura penalità allungamento

Uno o più gap tollerati dalla struttura

Regione in cui non sono tollerati i gap


Criteri per la somiglianza di nucleotidi e amninoacidi

● Nucleotidi: identità

● Aminoacidi: identità + somiglianza

VLSSADKTNVKAAWGKVGAHAGEYGAEALERMFL

VLSAADKANIKAAW-KVGGQAGDHGAEALERMPL

***:*** *:**** ***: **: ******** *

AGGCTGACCTGGGAAGGGAAACTCTCAAAACCAT

AGGATGAGCT-GGAAGGATA-CTCTCAAAAACAT

*** *** ** ******* ** ******** ***


Matrici empiriche di sostituzione


Significatività di un allineamento

ATAGGGCACTTT-GCGATGA** * *** ** *****ATTGCCCACGTTCGCGATCG

Sequenze allineate

Osservazione

Ipotesi

OMOLOGIA? CASO?

P(omologia) + P(caso) = 1


Banche dati primarie: acidi nucleiciTre consorzi che scambiano informazioni(International Nucleotide Sequence Database Collaboration):

GenBank (americana) EMBL(europea)DDBJ (giapponese)

Genetic Sequence Data Bank October 15 2001

NCBI-GenBank Flat File Release 126.0

Distribution Release Notes

13602262 loci, 14396883064 bases, from 13602262 reported sequences

This document describes the format and content of the flat files thatcomprise releases of the GenBank database. If you have any questions orcomments about GenBank or this document, please contact NCBI via emailat [email protected] or:

Una Release in cui la banca dati viene “congelata” ad una certa data

+

Aggiornamenti quotidiani:Es: GenBank_new, EMBL_new

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

http://www.ebi.ac.uk/ebi_docs/embl_db/ebi/topembl.html

http://www.ddbj.nig.ac.jp/


Ricerca di omologia in banca dati>AAAAacgctaggctagctggatcggggatcggataggctcggatcgggatttgagtctagggatg

>BBBBgctagctggatcggggatcggatggatcgggatttgagtctagggatg

>CCCCcgctaggatagctggatcggggatcggatggctcggatcgggatttgagtctagggatgacgctaggctagctggatcggggatcggatacgctaggctagctggatcggggatcggatacgctaggctagctggatcggggatcggat

>DDDDacgctaaaaggctagcatcggggatcggat

>FFFFFcggctcggatcgggatttgagtctagggatgccgctaggctagccatcggggatcggatacgctaggctagctggatcgggg

>EEEEEcggctcggatcgggatttgagtctagggatgccgctaggctagccatcggggatcggatacgctaggctagctggatcgggg

Filtro statistico

>EEEEEcggctcggatcgggatttgagtctagccgctaggctagcc....

>DDDDacgctaaaaggctagcatcgggga...

>AAAAacgctaggctagctggatcggggatcggat.....

1°

n°

2°>queryccgctaggctagccatcggggatcggatacgctaggctagctggatcggggaaaa


BLAST Output ESequences producing significant alignments: Valuegi|6320379|ref|NP_010459.1| High mobility group (HMG)-like ... 332 3e-90gi|7446209|pir||T12113 transcription factor - fava bean >gi... 50 1e-05gi|1731110|sp|Q09390|YR44_CAEEL HYPOTHETICAL 23.8 KD PROTEI... 48 8e-05gi|14550383|gb|AAK67237.1|U22831_8 (U22831) Hypothetical pr... 48 1e-04gi|4507241|ref|NP_003137.1| structure specific recognition ... 48 1e-04gi|11359753|pir||T43009 HMG protein 1.2 - Caenorhabditis el... 47 1e-04gi|14550384|gb|AAK67238.1|U22831_9 (U22831) Hypothetical pr... 47 1e-04gi|12857100|dbj|BAB30892.1| (AK017716) putative [Mus musculus] 46 2e-04gi|15022805|ref|NP_080088.1| high mobility group 20A [Mus m... 46 3e-04gi|8922633|ref|NP_060670.1| high-mobility group 20A [Homo s... 46 3e-04gi|7446219|pir||JC6179 dorsal switch protein 1 - fruit fly ... 46 3e-04gi|1079089|pir||S50068 nonhistone chromosomal protein HMG1-... 46 3e-04gi|136657|sp|P25980|UBF2_XENLA NUCLEOLAR TRANSCRIPTION FACT... 45 4e-04gi|65265|emb|CAA42523.1| (X59863) a xenopus upstream bindi... 45 4e-04gi|587104|emb|CAA57212.1| (X81456) unnamed protein product ... 45 4e-04

gi|3915056|sp|Q91731|SX11_XENLA TRANSCRIPTION FACTOR SOX-11... 37 0.11gi|14786454|ref|XP_030626.1| hypothetical protein XP_030626... 37 0.11gi|1431689|pdb|1AAB| Nmr Structure Of Rat Hmg1 Hmga Frag... 37 0.12gi|12836358|dbj|BAB23621.1| (AK004857) putative [Mus musculus] 37 0.13gi|576153|pdb|1HME| High Mobility Group Protein Fragment... 37 0.13gi|7446228|pir||T03375 high mobility group protein HMGd1 - ... 37 0.17gi|13559761|gb|AAK29965.1| (AC024859) Hypothetical protein ... 37 0.18


Trascrittomica

- Studio dei profili di esperssione (quantità di mRNA) dei geni in una cellula o tessuto

- Il segnale misurato dipende dall'ibridazione tra le molecole di mRNA estratte e sequenze complementari depositate su microsupporti

- E' usata tipicamente per confrontare cellule in diverse condizioni (es. 'normale' vs 'tumorale')


Proteomica

- Separazione attraverso gel bidimensionale delle proteine presenti nella cellula

- Comparazione tra diverse condizioni e individuazione delle macchie differenziali

- Sequenziamento parziale attraverso spettrometria di massa

- Identificazione tramite confronto con un database di sequenze

Documents

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