Seminarium : Algorytmy biologii obliczeniowej. WPROWADZENIE

Seminarium :

Algorytmy biologii
obliczeniowej.

WPROWADZENIE

Justyna Zakręt
Alicja Kubicka

Zarys historyczny 

V I - V w . p . n . e – p i e r w s z e te o r i e d z i e d z i c z n o ś c i

X I I I – X I X w . n . e – r o z w ó j g e n e ty k i ( p r z y c z y n ą r o z w o j u te j g a ł ę z i

w i e d z y ,

s ta ł o s i ę d ą ż e n i e d o d o s k o n a l e n i a o d m i a n z b ó ż i b y d ł a )

1 8 2 2 - 1 8 8 4 - a u s tr y j a c j i m n i c h G r z e g o r z M e n d e l i j e g o

o b s e r w a c j e g r o s z k u

1 9 0 9 - W i l h e l m J o h a n n s e n – n a z w a n i e j e d n o s te k

o d p o w i e d z i a l n y c h z a p r z e n o s z e n i e c e c h g e n e m i

p o c z ą te k X X w . - T . H . M o r g a n i w s p ó ł p r a c o w n i c y z U n i w e r s y t e tu

C o l u m b i a – o b s e r w u j ą m u s z ę o w o c ó w k ę

1 9 1 0 - T . H . M o r g a n – g e n y tw o r z ą c h r o m o s o m

1 9 5 3 - F . C r i c k i J . W a t s o n – D N A j e s t d u ż ą c z ą s te c z k ą w

k s z t a ł c i e p o d w ó j n e j s p i r a l i )

Prawa Mendla to reguły przekazywania

cech

dziedzicznych

Zostały sformułowane w

1866

przez

Grzegorza

Mendla podczas jego

badań na groszku pachnącym.

W uwspółcześnionej postaci,

uwzględniającej naszą obecną wiedzę o
chromosomach i genach, brzmią następująco:

1.Pierwsze prawo Mendla- Prawo czystości
gamet - każda gameta wytwarzana przez

organizm

posiada tylko jeden

gen

z danej

pary

alleli

. Wynika z tego, że każda

komórka

płciowa musi zawierać po jednym genie z
każdej pary alleli.

2.Drugie prawo Mendla- Prawo niezależnej
segregacji cech - geny należące do jednej
pary alleli są dziedziczone niezależnie od
genów należących do drugiej pary alleli.

Prawa Mendla

Ludzkie chromosomy

Chromosom od greckiego

chromo

– barwa

soma

- ciało

Chromosomy

•najważniejsze składniki jąder
komórkowych

•Siedlisko czynników dziedzicznych

•Zbudowane z silnie barwiącej je
chromatyny

•W skład chromatyny wchodzą
długie cząsteczki DNA, RNA i białka

histynowe

•Każdy organizm posiada we
wszystkich

swych komórkach taką samą

liczbę

chromosomów

Chromosomy cd..

•Osobniki diploidalne posiadają w komórkach
somatycznych po

dwa takie same zestawy

chromosomów ( jeden od

organizmu matczynego

drugi od organizmu ojcowskiego);

•Liczba chromosomów ich kształt i wielkość są dla
danego

gatunku stałe i charakterystyczne

• U człowieka występują 22 pary chromosomów homologicznych

(jednakowych) i jedna para chromosomów płciowych
(różnych od siebie).

chromosomy cd..

Specjalne metody barwienia
Pozwalają dostrzec szczegóły
budowy, chromosomów.

Każdy z nich ujawnia po
wybarwieniu unikalny wzór
jasnych i ciemnych prążków.

RNA

ang. ribonucleic acid

struktura kwasu rybonukleinowego

• mRNA

• tRNA

Opis cząsteczki

Wygląd cząsteczki

Liczba aminokwasów

Peptydy

od 2

Oligopeptydy

kilka - kilkanaście

Polipeptydy

poniżej 100

Białka

powyżej 100

Budowa białek

Biosynteza białka

to proces

doprowadzający do wytworzenia w pełni
funkcjonalnych cząsteczek białek Proces
ten ma miejsce stale w każdej żywej
komórce.

Synteza białka jest to procesem wieloetapowym, na który
składają się:

transkrypcja

- przepisanie informacji z

DNA

RNA

proces ten odbywa się w

jądrze komórkowym

translacja

- RNA przedostaje się z jądra komórkowego

cytoplazmy

komórki i tam następuje odkodowanie

informacji zawartej w RNA i na tej podstawie tworzony
jest łańcuch polipeptydowy
3.ukształtowanie struktury drugo- i trzeciorzędowej, czyli
odpowiednie zwinięcie się łańcucha aminokwasów
4.potranslacyjna modyfikacja cząsteczki białkowej, ten
etap nie zawsze występuje, polega najcześciej na
doczepieniu do cząsteczki białka różnych cukrów
złożonych (glikozylacja)

Krótka charakterystyka poszczególnych etapów.

Geny

Założenia teorii Hunta Morgana :

-geny to jednostka dziedziczenia

-geny znajdują się w chromosomach

i maja tam swoje ściśle
określone miejsce

-geny ułożona są liniowo

Egzon –

(spotykane również ekson)

odcinki kodujące

Intron - odcinki nie kodujące

Genom

Zespół genów zawarty w pojedynczym zespole chromosomów
danego organizmu

do 1973 - zlokalizowano 60 ludzkich genów w 22 chromosomach

do 1981 – 400

do 1993 - 2150

Ludzki genom to 3 miliardy par zasad w haploidalnym ludzkim
genomie.
Każdy gen ma 10 000 par zasad.

Ponad 4 tysiące chorób
genetycznych
wynika z dziedziczenia
zmutowanego
genu. Niektóre z nich to :

-karłowatość

-Zwłóknienie torbielowate

-Pląsawica Huntingtona

-Niedokrwistość sierpowata

-Talassemia (choroba krwi)

-Zespół Downa – dodatkowa
kopia

chromosomu 21

Choroby wynikające z
dziedziczenia
„genów predysponujących”

-Choroby serca

-Cukrzyca

-Niektóre typy nowotworów

Choroby genetyczne

Choroby ludzkie zlokalizowane w
Chromosomie X

„Wiedza nigdy nie rozstrzygnie
jednego problemu bez
stworzenia dziesięciu nowych"

Bernard

Shaw

Narzędzia bioinformatyczne

i miejsce informatyki

Pole dla informatyki

katalogowanie informacji biologicznych (bazy danych,

wyszukiwanie sekwencji, adnotacji, danych
numerycznych w bazach danych)

analiza sekwencji DNA (składanie sekwencji,
adnotacja,

wyszukiwanie sekwencji kodujących,

motywów,

markerów)

analiza sekwencji genomów, porównywanie genomów
ustalanie ewolucyjnych relacji pomiędzy zbiorami
sekwencji /

organizmów

genotypowanie (używane między innymi do
wyszukiwania genów

odpowiedzialnych za choroby genetyczne, w

ustalaniu

ojcostwa, kryminalistyce)

analiza ekspresji genów (głównie ang. microarrays
analysis)

Pole dla informatyki

cd..

analiza sekwencji białek (porównywanie sekwencji,
wyszukiwanie

domen i motywów, przewidywanie własności

fizyko- chemicznych, drugo- i trzecio-rzędowej
struktury białka,

lokalizacji w obrębie komórki)

katalogowanie funkcji genów/białek, analiza dróg
metabolicznych

(np metabolizm lipidów)
oraz dróg sygnałowych (np od receptora na

powierzchni komórki

poprzez kaskadę kinaz do

czynników

transkrypcyjnych)

modelowanie układów biologicznych (np. kinetyka
szeregu reakcji

enzymatycznych w komórce)

morfometria / analiza obrazu?
tworzenie nowych algorytmów i metod statystycznych
do

analizy danych biologicznych

Algorytmy biologii

obliczeniowej

MEDYCYNA

INŻENIERIA
GENETYCZNA

SĄDOWNICTWO

GENETYKA

GENETYKA
MIKROORGANIZMÓW

BIOARCHEOLOGIA

ANTROPOLOGIA

EWOLUCJONIZM

???

Co warto pamiętać

Sekwencje nukleotydowe DNA(RNA) przedstawione

są jako szeregi jednoliterowych symboli !!!

(dla aminokwasów stosuje się czasem oznaczenia trzyliterowe).

Sekwencja białka – alfabet 20 – literowy ( dla 20

aminokwasów występujących w białkach).

Dla DNA i RNA – alfabet 4 literowy

Mapa fizyczna a

genetyczna

Mapa fizyczna (molekularna)
Odległość fizyczna.

Mapa genetyczna (klasyczna)
– pokazuje względne położenie
genów w chromosomie a nie
szczegóły molekularne.
Odległość genetyczna.

W ustaleniu położenia genu na chromosomie pomaga
porównanie mapy fizycznej i genetycznej

Algorytmy związane z mapami
fizycznymi i genetycznymi

Shortest Covering String Problem
n – liczba klonów
m – liczba sond
d

– macierz hybrydyzacji

=1 jeżeli klon C

zawiera sonde p

= 0 w przeciwnym wypadku

S-ciąg nad alfabetem próbek p

,...,p

Ciąg S pokrywa klon C jeżeli istnieje
podciąg ciągu S zawierający
dokładnie taki sam układ sond jak C
(porządek sond jest pomijany)

Sekwencjonowanie

Sekwencjonowanie - jeden z etapów
analizy genu,.

Sekwencjonowanie na zasadzie hybrydyzacji

genomowej wykorzystywane jest w :

-nowoczesnym tworzeniu map genetycznych

-Diagnozowanie chorób genetycznych i wirusowych
-medycynie sądowej

na podstawie sekwencji istnieje możliwość
ustalenia kolejności
aminokwasów w białku, które jest kodowane
przez dany gen

Algorytm

Shortest Superstring Problem

NP.-trudny

Dane : zestaw ciągów s

,...s

Znaleźć najkrótszy ciąg s taki że każdy z s

pojawia

się w S jako podciąg ciągu s

W roku 1988 zaproponowano
nowe rozwiązanie
z wykorzystaniem
DNA (array )

Analiza porównawcza

Porównywanie genów ma znaczenie dla badań ewolucyjnych

Opracowano metodę szacowania podobieństwa sekwencji

DNA pochodzącego z różnych gatunków.

Algorytm LCS (Longest Common Subsequence)
Dane : dwa ciągi V=v1,...vn ; W=w1,...wm
Znaleźć ich największy wspólny podciąg.

Document Outline