BIO_2024_1 PDF - Introduction to Bioinformatics

Вовед во биоинформатика Предавање 1: Основи на биоинформатиката Историски чекори проф. д-р Невена Ацковска Содржина Воведни поими Биоинформатика Историски настани во биоинформатика Важни технолошки откритија Биоинформатика Биоинформатика – информациски технологии и метод...

Вовед во биоинформатика Предавање 1: Основи на биоинформатиката Историски чекори проф. д-р Невена Ацковска Содржина Воведни поими Биоинформатика Историски настани во биоинформатика Важни технолошки откритија Биоинформатика Биоинформатика – информациски технологии и методологии кои го поддржуваат истражувањето на животните функции на клеточно ниво, особено на ниво на молекуларна генетика. Други дефиниции Пошироко – биоинформатика е истражување, развој или апликација на пресметковни алатки и приоди кои го прошируваат користењето на биолошки, медицински, однесувачки и здравствени податоци. Група на методи и алатки за аквизиција и визуелизација на таквите податоци. Потесно – употреба на пресметувачки методи и алатки за да се анализираат структурите на секвенците и производите на биолошките макромолекули. Еволуција дури и на дефинициите! Подрачјето многу брзо се развива Голем проблем да се најде подобна дефиниција која опфаќа сѐ! Што истражуваме? Детектирање гени и други значајни елементи во ДНА низите Сличност помеѓу ДНА секвенции Детекција на региони за регулација на експресијата на гените Предвидување молекуларни структури и функции Зошто е интересна биоинформатиката? Побарувачка на стручни лица: малкумина се соодветно обучени и во биологијата и во компјутерските науки Секвенционирањето на геномот (Genome sequencing), анализата на гени со микрополиња (microarrays),... доведоа до огрoмен број податоци што треба да се анализираат Води до важни откритија Нуди големи можности за истражување дури и за почетници Најважните откритија сѐ уште чекаат да бидат откриени! Примена Разбирање на животот и еволуцијата Откривање на гени предизвикувачи на заболувања Навремено дијагностицирање во медицината Наоѓање нови лекови кои делуваат на молекуларно ниво кај организмите Разбирање на интеракцијата помеѓу гените Избрано модифицирање на особини! етички проблеми Две основни гранки Развој на бази на податоци и пресметувачки алатки (практичен дел) Генерирање знаење за подобро разбирање на живите системи во целост (теоретски дел) Основни термини во молекуларна биологија Клетки ДНА (DNA) Хромозоми РНА (RNA) Амино киселини (Amino Acids) Протеини Геном  Што е клетка? Основна градбена единица на живите организми Човекот е составен од трилиони клетки Функции Овозможуваат телото да има структура Екстрахираат нутритивни материи од храната Ги конвертираат хранливите материи во енергија Изведуваат специјални функции (органели) Жив свет – поделба на типови клетки Прокариоти – немаат органели ниту јадро (едноклеточни организми) Архаеи – немаат јадро, но имаат поразвиен клеточен систем (живеат во екстремни услови) Еукариоти – имаат органели и јадро Не сите едноклеточни организми се прокариоти, некои се еукариоти. Пр. Парамециум Типови клетки на планетата Земја DNA ДНА – деоксирибонуклеинска киселина DNA: Deoxyribonucleic Acid Го носи целиот наследен материјал 4 различни хемиски бази: Adenine (A) Cytosine (C) Guanine (G) Thymine (T)  ДНА Човечката ДНА 3 милијарди бази, 99% сличност кај сите луѓе, Секвенцијата (редоследот) ја одредува информацијата за градење и одржување на организмите. Слично како што: Редоследот на букви формира зборови и реченици Музичките ноти формираат мелодија... ДНА Скоро секоја клетка во човековото тело ја содржи истата ДНА. Најголемиот дел од ДНА е лоциран во јадрото на клетката, но постои мал дел од ДНА кој е лоциран во митохондриите (митохондријална ДНА). Митохондриите се структури кои ја конвертираат енергијата од храната во форма која е искористлива за клетките.  Што се хромозоми? Начин на пакување на ДНА молекулите во клетките Секој хромозом е направен од густо спакувана ДНА околу протеини наречени хистони кои ја одржуваат оваа структура. Не се видливи дури ни под микроскоп, освен во процесот на делба на клетката кога извиткувањето станува уште погусто.  Хромозоми Кај еукариотите, јадрото содржи ДНА молекули, организирани како хромозоми. Човекот: 22 пара хромозоми (нумерирани по големина) 1 пар полови хромозоми 22та пара (autosomes) се исти кај двата пола. 23от пар (sex) се разликуваат кај двата пола: Жени – 2 копии на X хромозомот Мажи – 1 X и еден Y хромозом РНА РНА – рибонуклеинска киселина Хемиски, многу слична на ДНА. Разликите се во: РНА користи шеќер рибоза наместо деоксирибоза. РНА ја користи базата Uracil (U) наместо Thymine (T). U е исто така комплеметарно на A. РНА тежнее да биде еднострана (single-stranded). Функционална разлика помеѓу РНА и ДНА ДНА една функција, РНА повеќе функции Аминокиселини Протеини Блокови за градење на протеините се аминокиселините (20 различни) Краток линеарен ланец од помалку од 30 аминокиселини се нарекува пептид. Долг ланец од аминокиселини (понекогаш и до 4000 елементи), се нарекува полипептид. Протеините се полипептиди со 3-димензионална структура. Ген Физичка и функционална наследна единица која пренесува информации од една на друга генерација. ДНА секвенца која е неопходна за синтетизирање на функционален протеин или РНА молекула. Варираат по должина 100 – 2М бази Постојат различни репрезентации на ист ген (со мали разлики во ДНА нуклеотидите) – алели. Во човековото тело има приближно 25 000 гени кои кодираат протеини. Геном Комплетна низа на ДНА (сите видови) што се наоѓа во секоја негова клетка. Бројот на хромозомите и големината на геномот се разликуваат во голема мерка кај различни организми. Големината на геномот и бројот на гените не мора да ја определуваат комплексноста на организмот. Кај прокариотите големината на геномот е правопропорционална со комплексноста на организмот Кај еукариотите тоа не важи – C-value paradox. Најголемиот геном е најден кај амебата со големина од 686,000 Mb (200 пати поголем од човечкиот). Геном Голем дел од геномот содржи низи за кои се претпоставува дека не вршат никаква корисна функција. Безкодните делови од ДНА-та, сочинуваат голем дел од геномот кај многу еукариоти. Постари извори тврдат дека 97% од човековиот геном е безкодна ДНА. Во поскоро публикувани статии - до 98.7 % Што се знае до сега Пресликани се биолошките макромолекули како DNA, RNA, протеините... Во пребарливи text секвенци. Денес учењето за некоја конкретна DNA е прашање на пребарување низ постоечките бази на податоци за таа секвенца, наместо конкретна работа во биохемиска лабораторија но, лабораторија мора да верификува! Општо знаење DNA и RNA секвенците се стрингови на 4-буквена азбука Протеинските секвенци се стрингови на 20- буквена азбука Цел – за секоја од биолошките молекули треба да се знаат: Секвенцата Структурата Функцијата Колку се големи информациите кај организмите откриен геном Пронајдени букви битови гени 2003 human 25000 109 232=4 294 967 296 1998 nematode 1997 budding yeast 1997 E. coli 107 224=16 777 216 1995 hemophilus 1700 influenzae 1990 citomegalovirus 1982 phage  105 1977 phage X174 11 216=65 536 103 28=256 Колку треба да се дизајнира живот? За да дизајнираме организам кому му треба домаќин за да се размножи (фаг или вирус), доволни се 103 до 105 букви За да дизајнираме слободен жив организам кој се размножува без туѓ домаќин, потребен е опис со должина меѓу милион (106 ) и милијарда (109 ) букви Историски настани  1865 основни закони на наследните информации (Mendel)  1900 репронаоѓање на работата на Мендел  1905 воведен концептот на “human inborn error” (Garrold)  1913 нацртана прва линеарна мапа на гени (Sturtevant)  1944 генетскиот материјал е од DNA ! (Avery, MacLeod, McCarty)  1953 структурата на DNA е двоен хеликс! (Watson, Crick) DNA Обработка на информации кај прокариоти 1966 објавен генетскиот код (Nirenberg, Khorana, Holley) 1972 вметнување DNA сегмент во природна DNA (Cohen, Boyer) 1977 пронајден методот за DNA секвенцирање (Sanger, Maxam, Gilbert) Почеток на сфаќањата за обработка информации кај еукариоти 1982 GenBank базата оформена 1983 означен ген за болест 1985 измислен методот за Polymerase Chain Reaction (PCR) 1986 развиен првиот инструмент за DNA секвенционирање 1987 прикажана првата мапа на човечки геном 1988 развиен вештачки хромозом на квасец - yeast artificial chromosome (YAC) Најважниот проект  Human Genome Project (HGP)  Проблемот е поставен во доцните 1980ти да се прочитаат сите човечки DNA букви (околу 3 милијарди) и по можност да се најдат сите гени (повеќе од 25000).  Траеше 12 години од 1988 до 2003.  Првата верзија беше објавена 26.06.2000.  Главна алатка беше компјутер  Биологијата и компјутерските науки се споија во овој проект. Развој на HGP  1990 human genome project започна во USA  1996 прв геном на архаеа секвенциониран  1996 прв геном на квасец  1997 геном на Escherichia Coli  1998 геном на roundworm  1999 прв човечки хромозом (хромозом 22)  2000 геном на винска мушичка  2000 геном на прво растение (mustard cress)  2001 објавена почетна верзија на човечки геном  2002 почетна верзија: глушец, стаорец и ориз  2003 официјален крај на HGP Важни технолошки откритија Основен инструмент - микроскоп Други инструменти и методи воведен Метод Опис 1920ти Ултрацентрифуга Проценка на големина и облик на молекулата 1930ти Електрофореза Одделување на протеини или нуклеински киселини во однос на големината и/или наелектризираноста 1930ти Електронски Директна визуелизација на клеточната микроскоп структура, вклучувајќи и нуклеински киселини 1940ти Радиоизотопни Следење на текот на молекулата низ следачи метаболичките патишта 1950ти Дифракција на X- Прецизно мерење на 3-D структура на зраци протеин или нуклеинска киселина 1950 Секвенционирање Одредување на редот на аминокиселините амино киселини во протеините Други инструменти и методи воведен Метод Опис 1960 Хибридизација на Квантитативна проценка на сличност меѓу нуклеински RNAи илиr DNAи киселини 1970ти Секвенционирање Одредување на секвенците на базите во на нуклеотиди DNA 1970ти Рекомбинантна Генетско инженерство на нови гени DNA технологија 1980ти DNA синтеза Синтеза на посакувана DNA секвенца 1980ти Моноклонална Високо специфични реагенси за хистохемија на детектирање протеини антитела 1980ти Polymerase chain Произведување на голем број (милиони) reaction (PCR) копии на мали DNA секвенци Геномска биоинформатика Геномска биоинформатика ги наоѓа сите гени и релевантни секвенци на DNA кај суштествата. Новата ера не само што ги чита секвенците - Главната задача е наоѓање на нивните функции. Засега – на пола од понајдените гени не им се знае функцијата. Постгеномска биоинформатика Новата ера се нарекува постгеномска биоинформатика, која низ синтеза ги бара релациите меѓу гените и животните функции. Главната задача е да се изнајде ново знаење од секвенцираните геноми. Други важни истражувачки активности Не е повеќе важно само да бидат пронајдени сите гени (геномите) на организмите Важно е да се пронајдат и сите протеини (протеом) во една клетка Важно е да се пронајдат и сите метаболички процеси (метаболом) во една клетка Метаболизам – сума на сите хемиски реакции вклучени во катаболизам и анаболизам. Катаболизам – разложување на комплексни молекули во едноставни. Анаболизам – синтеза на комплексни молекули од повеќе едноставни.