introducció a la bioinformàtica

introducció a la bioinformàtica

roderic guigó i serraIMIM/UPF/CRG

tecnologies de la genòmica

• DNA sequencing

• DNA microarrays

• mass spectroscopy and 2-D gels

• yeast two hibrids

• X-ray cristallography and NMR

tecnologies de la genòmica

L’aplicació de les tecnologies de la genòmica permet per primer cop una aproximació global al funcionament de la cél.lula viva.

La biologia de ser una ciència “analítica”: la realitat és

diseccionada en els seus components més elementals per tal de ser entesa

ha passat a ser una ciència “sintètica”: en la qual el repte

és integrar informació globlal sobre el funcionament dels éssers vius

bioinformàtica

• La biologia, una disciplina en la que l’esforç ha estat tradicionalment dedicat a l’obtenció de les dades, ha esdevingut en poc temps una disciplina en la que les dades s’obtenen de manera gairebé automàtica, i l’esforç s’ha desplaçat cap a l’anàlisi de les dades.

DNA microarrays

bioinformàtica

• la bioinformática és una nova disciplina científica, en la intersecció entre la biologia i la computació, l’objectiu de la qual és l’aplicació i el desenvolupament de mètodes per l’obtenció, l’emmagatzamatge, l’anàlisi i la integració de les dades que genera la investigació en biologia.

bioinformàtica

decodificació del genomaACTCAGCCCCAGCGGAGGTGAAGGACGTCCTTCCCCAGGAGCCGGTGAGAAGCGCAGTCGGGGGCACGGGGATGAGCTCAGGGGCCTCTAGAAAGATGTAGCTGGGACCTCGGGAAGCCCTGGCCTCCAGGTAGTCTCAGGAGAGCTACTCAGGGTCGGGCTTGGGGAGAGGAGGAGCGGGGGTGAGGCCAGCAGCAGGGGACTGGACCTGGGAAGGGCTGGGCAGCAGAGACGACCCGACCCGCTAGAAGGTGGGGTGGGGAGAGCATGTGGACTAGGAGCTAAGCCACAGCAGGACCCCCACGAGTTGTCACTGTCATTTATCGAGCACCTACTGGGTGTCCCCAGTGTCCTCAGATCTCCATAACTGGGAAGCCAGGGGCAGCGACACGGTAGCTAGCCGTCGATTGGAGAACTTTAAAATGAGGACTGAATTAGCTCATAAATGGAAAACGGCGCTTAAATGTGAGGTTAGAGCTTAGAATGTGAAGGGAGAATGAGGAATGCGAGACTGGGACTGAGATGGAACCGGCGGTGGGGAGGGGGAGGGGGTGTGGAATTTGAACCCCGGGAGAGAAAGATGGAATTTTGGCTATGGAGGCCGACCTGGGGATGGGGAAATAAGAGAAGACCAGGAGGGAGTTAAATAGGGAATGGGTTGGGGGCGGCTTGGTAACTGTTTGTGCTGGGATTAGGCTGTTGCAGATAATGGAGCAAGGCTTGGAAGGCTAACCTGGGGTGGGGCCGGGTTGGGGTCGGGCTGGGGGCGGGAGGAGTCCTCACTGGCGGTTGATTGACAGTTTCTCCTTCCCCAGACTGGCCAATCACAGGCAGGAAGATGAAGGTTCTGTGGGCTGCGTTGCTGGTCACATTCCTGGCAGGTATGGGGCGGGGCTTGCTCGGTTTTCCCCGCTTCTCCCCCTCTCATCCTCACCTCAACCTCCTGGCCCCATTCAAGCACACCCTGGGCCCCCTCTTCTTCTGCTGGTCTGTCCCCTGAGGGGAAAGCCCAGGTCTGAGGCTTCTATGCTGCTTTCTGGCTCAGAACAGCGATTTGACGCTCTGTGAGCCTCGGTTCCTCCCCCGCTTTTTTTTTTTCAGCCAGAGTCTCACTCTGTCGCCCAGGCTGGAGTGCAGTGGCGCAATCTCAGCTCACTGCAAGCTCCGCCTCCCGGGTTCACGCTATTCTCCCGCCTCAGCCTCCCGAGTAGCTGGGACTACAGGCGCCCGCCACCATGCCCGGCTAATTTTTTGTACTTTGAGTAGGGAAGGGGTTTCACTGTATTATCCAGGATGGTCTCTATCTCCTGACCTCGTGATCTGCCCGCCTGGCCTCCCAAAGTGCTGGAATTACAGGCGTGAGCCTCCGCGCCCGGCCTCCCCATCCTTAATATAGGAGTTAGAAGTTTTTGTTTGTTTGTTTTGTTTTGTTTTTGTTTTGTTTTGAGATGAAGTCCCTCTGTCGCCCAGGCTGGAGTGCAGTGGCTCCCAGGCTGGAGTTCAGTGGCTGGATCTCGGCTCACTGCAAGCTCCGCCTCCCAGGTTCACGCCATTCTCCTGCCTCAGCCTCCGGAGTAGCTGGGACTACAGGAACATGCCACCACACCCGACTAACTTTTTTTGTATTTTTAGTAGAGACGGGGTTTCACCATGTTGGCCAGGCTGGTCTGGAACTCCTGACCTCAGGTGATCTGCCTGCTTCAACCTCCCAAAGTGCTGGGATTACAGACGTGGGCCACCGCGCCCGGCTGGGAGTTAAGAGGTTTCTAATGCATTGCATTAGAATACCAGACACGGGACAGCTGTGATCTTTATTCTCCATCACCCCACACAGCCCTGCCTGGGGCACACAAGGACACTCAATACACGCTTTTCGGGCGCGGTGGCTCAAGCTGTAATCCCAGCACTTTGGGAGGCTGAGGCGGGTGGTACATGAGGTCAGGAGATCGAGACCATCCTGGCTAACATGGTGAAACCCCGTCTCTACTAAAAATACAAAAAACTAGCCCGGGCGTGGTGGCGGGCGCCTGTAGTCCCAGCTACTCGGAGGCTGAGGCAGGAGAATGGCGTGAACCTGGGAGGCGGAGCTTGCAGTGAGCCGAGATCGCGCCACTGCACTCCAGCCTGGGTGACACAGCGCGAGACTCCGTCTCAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAATACACGCTTTTCCGCTAGGCACGGTGGCTCACCCCTGTAATCCCAGCATTTTGGGAGGCCAAGGTGGGAGGATCACTTGAGCCCAGGAGTTCAACACCAGACTCAGCAACATAGTGAGACTCTCTCTACTAAAAATACAAAAATTAGCCAGGCCTGGTGCCACACACCTGTGGTCCCAGCTACTCAGAAGGCTAAGGCAGGAGGATCGCTTAAGCCCAGAAGGTCAAGGTTGCAGTGAACCACGTTCAGGCCACTGCAGTCCAGCCTGGGTGACAGAGCAAGACCCTGTCTGTAAATAAATAACGCTTTTCAAGTGATTAAACAGACTCCCCCCTCACCCTGCCCACCATGGCTCCAAAGCAGCATTTGTGGAGCACCTTCTGTGTGCCCCTAGGTACTAGCTGCCTGGACGGGGTCAGAAGGAACCTGAACCACCTTCAACTTGTTCCACACAGGATGCCAGGCCAAGGTGGAGCAACCGGTGGAGCCAGAGACAGAACCCGACGTTCGCCAGCAGGCTGAGTGGCAGAGCGGCCAGCCCTGGGAGCTGGCACTGGGTCGCTTTTGGGATTACCTGCGCTGGGTGCAGACACTGTCTGAGCAGGTGCAGGAGGAGCTGCTCAGCCCCCAGGTCACCCAGGAACTGACGTGAGTGTCCCCATCCCGGCCCTTGACCCTCCTGGTGGGCGGCTATACCTCCCCAGGTCCAGGTTTCATTCTGCCCCTGCCACTAAGTCTTGGGGGCCTGGGTCTCTGCTGGTTCTAGCTTCCTCTTCCCATTTCTGACTCCTGGCTTTAGCTCTCTGGAATTCTCTCTCTCAGTTCTGTTTCTCCCTCTTCCCTTCTGACTCAGCCTGTCACACTCGTCCTGGCGCTGTCTCTGTCCTTCACTAGCTCTTTTATATAGAGACAGAGAGATGGGGTCTCACTGTGTTGCCCAGGCTGGTCTTGAACTTCTGGGCTCAAGCGATCCTCCCACCTCGCCTCCCAAAGTGCTGGGAATAGAGACATGAGCCACCTTGCTCGGCCTCCTAGCTCTTTCTTCGTCTCTGCCTCTGCTCTCTGCGTCTGTCTTTGTCTCCTCTCTGCCTCTGTCCCGTTCCTTCTCTCTTGGTTCACTGCCCTTCTGTCTCTCCCTGTTCTCCTTAGGAGACTCTCCTCTCTTCCTTCTCGAGTCTCTCTGGCTGATCCCCATCTCACCCACACCTATCC

la seqüència del genoma humà

QIKDLLVSSSTDLDTTLVLVNAIYFKGMWKTAFNAEDTREMPFHVTKQESKPVQMMCMNNSFNVATLPAEKMKILELPFASGDLSMLVLLPDEVSDLERIEKTINFEKLTEWTNPNTMEKRRVKVYLPQMKIEEKYNLTSVLMALGMTDLFIPSANLTGISSAESLKISQAVHGAFMELSEDGIEMAGSTGVIEDIKHSPESEQFRADHPFLFLIKHNPTNTIVYFGRYWSP

la seqüència i l’estructura de les proteïnes

la funció dels gens

gene function

ACTCAGCCCCAGCGGAGGTGAAGGACGTCCTTCCCCAGGAGCCGGTGAGAAGCGCAGTCGGGGGCACGGGGATGAGCTCAGGGGCCTCTAGAAAGATGTAGCTGGGACCTCGGGAAGCCCTGGCCTCCAGGTAGTCTCAGGAGAGCTACTCAGGGTCGGGCTTGGGGAGAGGAGGAGCGGGGGTGAGGCCAGCAGCAGGGGACTGGACCTGGGAAGGGCTGGGCAGCAGAGACGACCCGACCCGCTAGAAGGTGGGGTGGGGAGAGCATGTGGACTAGGAGCTAAGCCACAGCAGGACCCCCACGAGTTGTCACTGTCATTTATCGAGCACCTACTGGGTGTCCCCAGTGTCCTCAGATCTCCATAACTGGGAAGCCAGGGGCAGCGACACGGTAGCTAGCCGTCGATTGGAGAACTTTAAAATGAGGACTGAATTAGCTCATAAATGGAAAACGGCGCTTAAATGTGAGGTTAGAGCTTAGAATGTGAAGGGAGAATGAGGAATGCGAGACTGGGACTGAGATGGAACCGGCGGTGGGGAGGGGGAGGGGGTGTGGAATTTGAACCCCGGGAGAGAAAGATGGAATTTTGGCTATGGAGGCCGACCTGGGGATGGGGAAATAAGAGAAGACCAGGAGGGAGTTAAATAGGGAATGGGTTGGGGGCGGCTTGGTAACTGTTTGTGCTGGGATTAGGCTGTTGCAGATAATGGAGCAAGGCTTGGAAGGCTAACCTGGGGTGGGGCCGGGTTGGGGTCGGGCTGGGGGCGGGAGGAGTCCTCACTGGCGGTTGATTGACAGTTTCTCCTTCCCCAGACTGGCCAATCACAGGCAGGAAGATGAAGGTTCTGTGGGCTGCGTTGCTGGTCACATTCCTGGCAGGTATGGGGCGGGGCTTGCTCGGTTTTCCCCGCTTCTCCCCCTCTCATCCTCACCTCAACCTCCTGGCCCCATTCAAGCACACCCTGGGCCCCCTCTTCTTCTGCTGGTCTGTCCCCTGAGGGGAAAGCCCAGGTCTGAGGCTTCTATGCTGCTTTCTGGCTCAGAACAGCGATTTGACGCTCTGTGAGCCTCGGTTCCTCCCCCGCTTTTTTTTTTTCAGCCAGAGTCTCACTCTGTCGCCCAGGCTGGAGTGCAGTGGCGCAATCTCAGCTCACTGCAAGCTCCGCCTCCCGGGTTCACGCTATTCTCCCGCCTCAGCCTCCCGAGTAGCTGGGACTACAGGCGCCCGCCACCATGCCCGGCTAATTTTTTGTACTTTGAGTAGGGAAGGGGTTTCACTGTATTATCCAGGATGGTCTCTATCTCCTGACCTCGTGATCTGCCCGCCTGGCCTCCCAAAGTGCTGGAATTACAGGCGTGAGCCTCCGCGCCCGGCCTCCCCATCCTTAATATAGGAGTTAGAAGTTTTTGTTTGTTTGTTTTGTTTTGTTTTTGTTTTGTTTTGAGATGAAGTCCCTCTGTCGCCCAGGCTGGAGTGCAGTGGCTCCCAGGCTGGAGTTCAGTGGCTGGATCTCGGCTCACTGCAAGCTCCGCCTCCCAGGTTCACGCCATTCTCCTGCCTCAGCCTCCGGAGTAGCTGGGACTACAGGAACATGCCACCACACCCGACTAACTTTTTTTGTATTTTTAGTAGAGACGGGGTTTCACCATGTTGGCCAGGCTGGTCTGGAACTCCTGACCTCAGGTGATCTGCCTGCTTCAACCTCCCAAAGTGCTGGGATTACAGACGTGGGCCACCGCGCCCGGCTGGGAGTTAAGAGGTTTCTAATGCATTGCATTAGAATACCAGACACGGGACAGCTGTGATCTTTATTCTCCATCACCCCACACAGCCCTGCCTGGGGCACACAAGGACACTCAATACACGCTTTTCGGGCGCGGTGGCTCAAGCTGTAATCCCAGCACTTTGGGAGGCTGAGGCGGGTGGTACATGAGGTCAGGAGATCGAGACCATCCTGGCTAACATGGTGAAACCCCGTCTCTACTAAAAATACAAAAAACTAGCCCGGGCGTGGTGGCGGGCGCCTGTAGTCCCAGCTACTCGGAGGCTGAGGCAGGAGAATGGCGTGAACCTGGGAGGCGGAGCTTGCAGTGAGCCGAGATCGCGCCACTGCACTCCAGCCTGGGTGACACAGCGCGAGACTCCGTCTCAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAATACACGCTTTTCCGCTAGGCACGGTGGCTCACCCCTGTAATCCCAGCATTTTGGGAGGCCAAGGTGGGAGGATCACTTGAGCCCAGGAGTTCAACACCAGACTCAGCAACATAGTGAGACTCTCTCTACTAAAAATACAAAAATTAGCCAGGCCTGGTGCCACACACCTGTGGTCCCAGCTACTCAGAAGGCTAAGGCAGGAGGATCGCTTAAGCCCAGAAGGTCAAGGTTGCAGTGAACCACGTTCAGGCCACTGCAGTCCAGCCTGGGTGACAGAGCAAGACCCTGTCTGTAAATAAATAACGCTTTTCAAGTGATTAAACAGACTCCCCCCTCACCCTGCCCACCATGGCTCCAAAGCAGCATTTGTGGAGCACCTTCTGTGTGCCCCTAGGTACTAGCTGCCTGGACGGGGTCAGAAGGAACCTGAACCACCTTCAACTTGTTCCACACAGGATGCCAGGCCAAGGTGGAGCAACCGGTGGAGCCAGAGACAGAACCCGACGTTCGCCAGCAGGCTGAGTGGCAGAGCGGCCAGCCCTGGGAGCTGGCACTGGGTCGCTTTTGGGATTACCTGCGCTGGGTGCAGACACTGTCTGAGCAGGTGCAGGAGGAGCTGCTCAGCCCCCAGGTCACCCAGGAACTGACGTGAGTGTCCCCATCCCGGCCCTTGACCCTCCTGGTGGGCGGCTATACCTCCCCAGGTCCAGGTTTCATTCTGCCCCTGCCACTAAGTCTTGGGGGCCTGGGTCTCTGCTGGTTCTAGCTTCCTCTTCCCATTTCTGACTCCTGGCTTTAGCTCTCTGGAATTCTCTCTCTCAGTTCTGTTTCTCCCTCTTCCCTTCTGACTCAGCCTGTCACACTCGTCCTGGCGCTGTCTCTGTCCTTCACTAGCTCTTTTATATAGAGACAGAGAGATGGGGTCTCACTGTGTTGCCCAGGCTGGTCTTGAACTTCTGGGCTCAAGCGATCCTCCCACCTCGCCTCCCAAAGTGCTGGGAATAGAGACATGAGCCACCTTGCTCGGCCTCCTAGCTCTTTCTTCGTCTCTGCCTCTGCTCTCTGCGTCTGTCTTTGTCTCCTCTCTGCCTCTGTCCCGTTCCTTCTCTCTTGGTTCACTGCCCTTCTGTCTCTCCCTGTTCTCCTTAGGAGACTCTCCTCTCTTCCTTCTCGAGTCTCTCTGGCTGATCCCCATCTCACCCACACCTATCC

gene function

LA SEQÜÈNCIA DEL GENOMA HUMÀ

computing at Celera Genomics

•200 teraflops•1000 vegades més potent que deep blue•Més potent que els 500 ordinadors més potents avui en dia

llei de Moore

growth of genomic data(http://www.dna.affrc.go.jp/htdocs/growth/)

de que tracta la bioinformàtica?

predicció de gens

predicció de gens

alineament de seqüències

Margaret Dayhoff i colaboradors van començar a compilar lesseqüències d’aminoàcids conegudes: els Atlas of Protein Sequence and structure. En la quarta edició a finals dels 60, l’Atlas contenia al voltant de 300 seqüències de proteïnes.

alineament de seqüències

alineament de seqüències

Les seqüències d’aminoàcids i de nucleòtids són portadores de gran quantiat de informació sobre la funció i la història d’aquestes molècules: seqüències similars indiquen una funció o una història similar.

El problema de determinar el grau de similitud entre dues seqüències és clau en Biologia Molecular.

Query: 25 IPREVIERLARSQIHSIRDLQRLLEIDSVGSEDSLDTSLRAHGVHATKHVPEKRPLPIRR 84 IP E+ + L+ I S DLQRLL+ DS G ED + L H+ + R Sbjct: 10 IPEELYKMLSGHSIRSFDDLQRLLQGDS-GKEDGAELDLNMTRSHSGGELESLA----RG 64

Query: 85 KRSI------EEAVPAVCKTRTVIYEIPRSQVDPTSANFLIWPPCVEVKRCTGCCNTSSV 138 KRS+ E A+ A CKTRT ++EI R +D T+ANFL+WPPCVEV+RC+GCCN +VSbjct: 65 KRSLGSLSVAEPAMIAECKTRTEVFEISRRLIDRTNANFLVWPPCVEVQRCSGCCNNRNV 124

Query: 139 KCQPSRVHHRSVKVAKVEYVRKKPKLKEVQVRLEEHLECAC 179 +C+P++V R V+V K+E VRKKP K+ V LE+HL C CSbjct: 125 QCRPTQVQLRPVQVRKIEIVRKKPIFKKATVTLEDHLACKC 165

cerques de similaritat en bases de dades

FASTA

1982: Wilbur and Lipman,

1985: Lipman and Pearson

BLAST

1990: Altschul, Gish, Miller, Myers and Lipman

growth factors and oncogens.

>sp|P01128|TSIS_SMSAV TRANSFORMING PROTEIN P28-SIS Length = 226

Score = 140 bits (350), Expect = 2e-33 Identities = 75/161 (46%), Positives = 100/161 (61%), Gaps = 11/161 (6%)

Query: 25 IPREVIERLARSQIHSIRDLQRLLEIDSVGSEDSLDTSLRAHGVHATKHVPEKRPLPIRR 84 IP E+ + L+ I S DLQRLL+ DS G ED + L H+ + R Sbjct: 10 IPEELYKMLSGHSIRSFDDLQRLLQGDS-GKEDGAELDLNMTRSHSGGELESLA----RG 64

Query: 85 KRSI------EEAVPAVCKTRTVIYEIPRSQVDPTSANFLIWPPCVEVKRCTGCCNTSSV 138 KRS+ E A+ A CKTRT ++EI R +D T+ANFL+WPPCVEV+RC+GCCN +VSbjct: 65 KRSLGSLSVAEPAMIAECKTRTEVFEISRRLIDRTNANFLVWPPCVEVQRCSGCCNNRNV 124

Query: 139 KCQPSRVHHRSVKVAKVEYVRKKPKLKEVQVRLEEHLECAC 179 +C+P++V R V+V K+E VRKKP K+ V LE+HL C CSbjct: 125 QCRPTQVQLRPVQVRKIEIVRKKPIFKKATVTLEDHLACKC 165

Doolittle: Search of the Platelet Derived Growth Factor sequence

predicció de l’estructura de les proteïnes

modelització molecular

disseny de fàrmacs

reconstrucció filogenètica

Construcció de filogènies a partir de les seqüències compilades per Dayhoff

genomics as information science

anàlisi comparativa de genomes:Helicobacter pylori

gens humans implicats en malaties, en llevat

informàtica de microarrays

interaccions entre proteïnes

gene function

decodificació del genoma computational biology,biological computations

LM Adelman, “Molecular computations of soluctions to combinatorial problems”,Science 1994.