BIOINFORMATIKA

1
BIOINFORMATIKA

• Bevezetés
• Biológiai alapok

2
Bioinformatika Biológiai adatok (adathalmazok)
kezelése, rendezése Célja Új következtetések
levonása a biológiai rendszerek (élolények)
muködésére vonatkozóan (és ezek gyakorlati
hasznosítása/ ipar, orvoslás)
Tudomány (alap és alkalmazott kutatás)
Bioinformatika
Üzlet (biotechnológiai ipar, gyógyszeripar)
3
A kísérleti módszerek fejlodése a biológiai
információhalmazok exponenciális növekedéséhez
vezetett
1972 A Nature címu tudományos folyóirat
címlapján egy 174 bp hosszúságú DNS molekula
szekvenciája (bázissorrendje) látható. Több éves
kutatómunka eredménye. Ma Egy modern
automatizált szekvenáló központban (pl. Sanger
Centre) naponta akár több millió bázis sorrendjét
is meghatározzák. Ilyen mennyiségu információ
nyilván csak informatikai eszközökkel
kezelheto. HTS High Throughput Screening (nagy
áteresztoképességu) módszerek. Óriási
információtömeget generálnak viszonylag rövid ido
alatt. A XXI. században a biológia módszertana
alapvetoen megváltozott Informatika nélkül nem
lehet a kísérleti eredményeket tárolni,
feldolgozni, kiértékelni, értelmezni.
4
Az élo sejt (szervezet) mint információ forrás
Statikus információk információhordozó
makromolekulák leltára Pl. DNS, RNS,
Fehérje szekvenciák, fehérje
térszerkezetek (koordináták)
Dinamikus információk génkifejezodési
mintázatok Kölcsönhatási hálózatok (microarr
ay, 2D elektroforézis, yeast-two hybrid, egyéb
high throughput módszerek)
5
Információáramlás a makromolekulák között
Centrális dogma
transzkripció
replikáció
transzláció
fehérje
prionok
DNS
RNS
reverz transzkripció
genom
transzkriptóma
proteóma
6
Systems biology Rendszer-szemléletu biológia
Integráció Egyedi komponensek (pl. fehérjék)
egyedi tulajdonságainak vizsgálata helyett a
biológiai rendszer (pl. élo sejt) összes
komponensét és azok összes kölcsönhatását tekinti
egyszerre. Az ismert egyedi kölcsönhatásokat
mintegy puzzle-szeruen térbeli és idobeli
hálózattá integrálni. Ez pont a fordítottja
annak, mint amit a biológusok eddig egy
évszázadon keresztül csináltak.
Metabolikus útvonalak Szabályozási útvonalak
Kölcsönhatási hálózatok
7
(No Transcript)
8
Genom
Egy élolény teljes genetikai állománya (össz. DNS
tartalom) Pl. ember 23 (222) kromoszóma
mitokondriális DNS
A különbözo élolények genomjai szerkezetükben és
információtartalmukban jelentosen eltérhetnek
egymástól. 1.) Méret (kbp1000bp, Mbp106bp) 2.)
Gének száma (génsuruség gének száma/genom
mérete) 3.) Génszerkezet (intron-exon) 4.)
Topológia (lineáris vs. cirkuláris)
9
C-érték paradoxon A genom mérete önmagában nem
fokméroje a biológiai rendszerek fejlettségének
(összetettségének)
10
A gének számától függ egy élolény
komplexitása? G-érték paradoxon
Organism bp   Time genes bp/gene
phi-X174 5,386 bp 1.5 hours 9 598
Escherichia coli  4,639,221 bp 54 days 4,288 1,072
Saccharomyces cerevisiae 12,057,849 bp 140 days 6,269 1,923
Caenorhabditis elegans 97,000,000 bp 3.1 years 19,427 5,079
Arabidopsis thaliana 125,000,000 bp 4 years 25,498 4,902
Drosophila melanogaster 180,000,000 bp 5.7 years 13,600 13,235
humans 3,400,000,000 bp 108 years 20,500 113,333
TIME the amount of time to read the entire
genome, at a rate of 1 bp per second.
11
A GÉN FOGALMA
Morgan, XX. század eleje A gén a kromoszóma egy
része (darabja), amely meghatározza az élolény
egy tulajdonságát (fenotípus). Beadle és Tatum,
1940 egy gén - egy enzim hipotézis egy gén
egy fehérje hipotézis egy gén egy
polipeptid Avery, 1944 A gének anyaga
DNS. Mai definíció A gén egy olyan DNS szakasz,
amely egy géntermék (polipeptid vagy RNS)
szintéziséhez szükséges információt tárolja. A
szuken vett definíció csak a struktúrgént jelenti
(polipeptid vagy RNS elsodleges szekvenciáját
kódoló DNS), a tágabb definícióba beleértjük a
regulátor szekvenciákat (promóterek, enhancerek,
stb.) is.
12
A gén
Stop kodon TAA, TAG, TGA
Start kodon ATG (Met)
Srtuktúrgén ORF open reading frame Eukarióták
esetén intronokat is tartalmaz
5 nemkódoló szakasz promóter, enhancer,
riboszómakötohely, stb
3 nemkódoló szakasz poliadeniláció,
transzkripciós terminátor, stb.
13
RNS gének
Vannak gének, amelyek olyan RNS-ek szekvenciáját
kódolják, amelyek nem fordítódnak le
fehérjévé. Riboszómális RNS (rRNS) A
legintenzívebben átíródó gének közé tartoznak
minden szervezetben (nucleolus
sejtmagvacska). Transzfer RNS (tRNS) A
fehérjeszintézishez (transzláció)
nélkülözhetetlenek. Kis nukleáris RNS (snRNS)
RNS molekulák érése (splicing) Kis nukleoláris
RNS (snoRNS) 60-300 nt, rRNS processzálás,
alternatív splicing, telomeráz RNS, stb. Mikro
RNS (miRNS) 22 nt, Hosszabb prekurzorokból
keletkeznek, génkifejezodést szabályozzák RNS
interferencia (Orvosi Nóbel díj, 2006)
Ezeknek a géneknek a felépítése jelentosen eltér
a fehérjét kódoló gének felépítésétol, ezért
sokkal nehezebb oket megtalálni a genomban. Pl.
az miRNS géneket csak néhány éve fedezték fel!
14
A DNS-ben 4 bázis (A,T,G,C) kódolja az
információt. Az RNS-ben szintén (A,U,G.C). Három
bázis (kódon) felel meg egy aminosavnak a
fehérjeszintézis során. Genetikai kód A
fehérjéket 20-féle aminosav alkotja. A fehérjék
elsodleges szerkezetében (szekvenciájában)
kódolva van a háromdimenziós szerkezetük. A kód
mibenléte nagyrészt ismeretlen.
15
(No Transcript)
16
Az információáramlás a makromolekulák között
(különösen eukarióták esetén) nagyfokú diverzitás
forrása
Ember kb. 21000 gén genom
transzkripció alternatív splicing
mRNS RNS editing
transzláció
Fehérje poszttranszlációs módosítás
Bonyolult anyagcsere hálózat
Több mint egymillió különbözo géntermék
proteóma
17
Splicing a ß globin gén kifejezodése során
18
A splicing mechanizmusa
19
(No Transcript)
20
RNS szerkesztés / RNA editing
Apolipoprotein B 100 (513 kDa) Apolipoprotein B
48 (250 kDa)
Az mRNS közepén egy stop kódon keletkezik.
A transzláció félúton leáll.
citozin dezamináz
CAA UAA
Gln
Stop
21
Az eukarióta genom felépítése
1.) Gének és szabályozó elemek exonok és
intronok transzkripciós szabályozó elemek
(promóter, enhancer, terminátor,
stb.) replikációt szabályozó elemek (replikációs
kezdopont) transzlációt szabályozó elemek
(start, stop kodon) rekombinációs
szekvenciák 2.) Ismétlodo (repetitív
szekvenciák) highly repetitive
sequences simple sequence DNA
centroméra, teloméra satellite DNA Az
egér kromoszóma 10-a. Kevesebb mint 10 bp
ismétlodik több milliószor. moderately
repetitive transzpozonok (Alu
repeat) Az egér kromoszóma 20-a. Néhány száz
bázispár, néhány ezerszer ismétlodik.
22
(No Transcript)
23
(No Transcript)
24
(No Transcript)
25
Szekvenálási stratégiák
1.) Szisztematikus stratégia Térképezés
restrikciós endonukleázokkal Kis darabok
szekvenálása Sanger módszerrel. A teljes DNS
molekula összeállítása a térkép alapján. (Lassú
de biztos módszer.) 2.) Sörétes puska (shotgun)
stratégia A nagy DNS molekulák összetörése
(mechanikai stressz, ultrahang) véletlenszeruen
kis darabokra. Kis darabok szekvenálása. Kis
darabokból az átfedések felhasználásával a teljes
DNS molekula összeállítása (puzzle). Problémák
Minimum 10-szer annyi nukleotidot kell leolvasni,
mint a DNS mérete. (Még így is maradnak
gap-ek.) Az ismétlodo (repetitív) szekvenciák az
összeállítást bizonytalanná teszik.
26
Sanger-féle szekvenálás
27
Automata DNS szekvenátor muködési elve
28
A DNS klónozása
Génsebészet (genetic engineering) a DNS
manipulálása (vágás/illesztés) speciális
enzimekkel. Restrikciós endonukleázok
Bakteriális eredetu enzimek. Egy adott DNS
szekvenciát ált. 4-6 bázis hosszúságú
ismernek fel a kettosszálú DNS molekulán belül és
elhasítják azt. Több száz különbözo restrikciós
endonukleázt ismerünk. Elkészíthetjük a DNS
restrikciós (fizikai) térképét. A restrikciós
fragmentumokat mesterséges hordozó (vektor)
DNS-be ültetjük (ligáz enzim).
Rekombináns DNS A rekombináns DNS-t megfelelo
gazdaszervezetben (pl. E. coli baktérium) több
millió kópiában megsokszorozhatjuk.
Klón A rekombináns klón elegendo
mennyiségu anyagot szolgáltat a DNS analízisére
(pl. szekvenálás).
29
Restrikciós endonukleázok
30
Rekombináns DNS
31
Rekombináns plazmid konstrukció
32
Polimeráz láncreakció (PCR)
Vektor és gazdatörzs (baktérium) használata
nélkül megsokszorozhatjuk (amplifikálhatjuk) a
DNS-t. A sejtmagban végbemeno DNS replikáció in
vitro imitálása. Tetszés szerinti DNS szakasz
megsokszorozható. A megsokszorozandó DNS-t
határoló rövid szakaszok szekvenciáját ismerni
kell.
33
Polimeráz láncreakció
34
A szekvencia adatbázisok rohamosan növekednek
Genom szekvenciák gének
keresése/azonosítása (annotálás)
Géntermékek funkciójának jóslása/azonosítása
(funkcionális genomika)
Hálózatok modellezése (systems
biology) Probléma A szekvencia adatbázisok
sokkal gyorsabban növekednek, mint az újonnan
azonosított gének funkciójára vonatkozó
adatok. Még egy egyszeru élolény esetén is
nagyon sok az ismeretlen génszekvencia/funkció.
35
(No Transcript)
36
Éleszto genom project
A legjobban jellemzett eukariótának tartották,
amikor 1996-ban meghatározták a
genomszekvenciáját. Ekkorra kb. 2000 gén volt
kísérletesen jellemezve és még néhány ezer új
génre számítottak. Meglepetés Az éleszto genom
több mint 6000 gént tartalmaz és ezek egyharmada
nem hasonlít semmilyen eddig ismert szekvenciához
(orphans/ árvák).
37
Éleszto gomba / Saccharomyces cerevisiae