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Genômica e Bioinformática - Introdução à Biologia de Sistemas

• Curso: BMP0216
• Professor: Robson Francisco de Souza, Ph.D
• Laboratório: LEEP (Laboratório de Estrutura e Evolução de Proteínas)
• Instituição: ICB/USP

Biologia de Sistemas

• Área interdisciplinar que combina métodos e técnicas matemáticas e computacionais com experimentos biológicos para compreender como as interações dos componentes de um sistema biológico determinam o comportamento global do sistema.
• Tópicos incluem teoria de grafos e suas aplicações, ferramentas como cytoscape, a definição, características e estratégias da biologia de sistemas e a descrição de dados "ômicos" em termos computáveis.

Teoria de Grafos

• Conceitos e métodos matemáticos para representação de redes.

• Exemplos de aplicações em redes biológicas.

• Ferramentas: cytoscape.

• Grafos como entidades matemáticas abstratas compostas por vértices (nós) e arestas (ligações) que representam as relações entre os nós.

• Redes biológicas, como outras redes, são representadas por grafos.

• Grafos: tipos - cíclico/acíclico, direcionado/não-direcionado, ponderado/não-ponderado

• Grau ou conectividade de um nó (k): número de nós diretamente conectados a ele. Grafos dirigidos e não-direcionados.

• Distribuição de graus (P(k)): probabilidade de um nó ter um determinado grau em uma rede; redes biológicas frequentemente exibem uma distribuição de potência.

• Hubs: nós com elevado número de conexões, desempenham papéis cruciais na estabilidade e função da rede.

• Propriedades topológicas de grafos: distância entre nós (menor caminho entre dois nós), diâmetro da rede (maior distância entre dois nós).

• Propriedades comuns em redes biológicas: distribuição de grau seguindo leis de potência, redes de pequeno mundo, robustez, modularidade.

• Motivos, padrões topológicos em redes biológicas, como auto-regulação, cascata de fatores de transcrição, laço retroalimentação, laço feedforward.

Identificação de genes associados com doenças (top-down)

• Redes de co-expressão gênica: co-expressão de genes correlacionada durante o processo de diferenciação.
• Genes diferencialmente expressos em esquizofrenia.
• As 228 novas expressões gênicas em relação a um grupo-controle são avaliadas em sua co-expressão através da diferenciação de neurônios (iPS-NPC) in vitro.

Modelos do ciclo celular (bottom-up)

• Fases do ciclo celular (G1, S, G2, M) e suas relações.
• Modelo explicando as interações entre proteínas em cada estágio.

Tecnologia “Ômicas” - Definições e procedimentos

• Tecnologia que permite medir o estado de milhares de variáveis de um sistema biológico em diferentes condições.
• Procedimento para análise funcional; isolamento (amostração) e detecção (quantificação)
• Dados gerados podem ser apenas valores relativos entre diferentes condições, como quantificação do número de cópias gênicas, nível de transcrição, e massas moleculares.

Tecnologia “Ômicas” - Tipos:

• Genômica
• Transcriptômica
• Proteômica
• Metabolômica
• Interactoma: Estudo de interações entre proteínas (e outros tipos de moléculas). - Duplo-híbrido, TAP.

Redes biológicas e seus exemplos

• Redes biológicas como redes complexas construídas a partir da ligação de componentes celulares.
• Exemplos: redes metabólicas, transcrição regulatória, vias de sinalização, transdução de sinal, interações genéticas (epistase).
• Tipos de redes: ptn-ptn, metabólicas, transcricionais, interações físicas entre proteínas ou interações genéticas.
• Interações genéticas - conceito de epistasia e co-regulação mostrando relações entre genes.
• Redes Regulatórias como redes que modelam a influência dos fatores de transcrição em promotores de genes.
• Redes de co-expressão gênica: conexão de genes com padrões correlacionados de expressão.

Predição de funções e novas enzimas

• Escolha de novas moléculas para preencher lacunas nas vias bioquímicas conhecidas e descobrir novas vias.

Bancos de dados

• Bancos de dados para redes biológicas: armazenam e organizam dados das vias, funções e interações de proteínas. Exemplo: STRING, KEGG (exemplo: ciclo celular)