Che cos e la bioinformatica. Bioinformatica lezione 1

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1 Che cos e la bioinformatica

2 Che cos e la bioinformatica La disciplina che studia gli aspetti molecolari della vita con metodi computazionali.

3 Che cosa fa la bioinformatica Gestisce ed analizza i dati biologici usando tecniche computazionali piu o meno avanzate Il suo scopo ultimo e di rendere possibile scoperte biologiche e anche di costruire una prospettiva globale da cui si possano dedurre principi unificanti delle scienze della vita

4 Computers e bioinformatica Ci sono una varieta di strumenti bioinformatici liberamente disponibili sul Web Il numero di strumenti disponibili aumenta costantemente e quindi e impossibile elencarli tutti

5 Computers e bioinformatica Lo scopo di questa parte del corso e di mettervi in condizione di usare gli strumenti piu comuni comprendendone le basi razionali (non i dettagli) di navigare tra i vari strumenti e le banche dati in modo efficace di capire le limitazioni degli strumenti disponibili

6 Le banche dati Gran parte dei dati biologici (sequenze, strutture, analisi di gel 2D, analisi di spettrometria di massa, microarray) non sono piu pubblicati nella maniera convenzionale ma sono direttamente sottomessi alle banche dati

7 Le banche dati La maggior parte delle annotazioni (cioe delle assegnazioni funzionali) di geni e proteine provengono da analisi computazionali, i geni e le proteine per cui le annotazioni derivano da esperimenti sono la minoranza!

8 I dati della bioinformatica Sequenze (DNA, proteine) Genomiche Mutazioni / polimorfismi Domini / famiglie (da analisi evolutive) Proteomiche (gel 2D, Spettrometria di massa) strutture 3D Metaboliche Bibliografiche Altre (Microarrays, )

9 Le banche dati primarie DDBJ (DNA Data Bank of Japan) EMBL Nucleotide DB (European Molecular Biology Laboratory) GenBank [1] (National Center for Biotechnology Information) UniProtKB (Universal Protein Resource Knowledgebase) SwissProt

10 Meta banche dati Entrez[2] (National Center for Biotechnology Information) eugenes (Indiana University) GeneCards (Weizmann Inst.) SOURCE (Stanford University) mgen Bioinformatic Harvester[3] (Karlsruhe Institute of Technology) - Integrating 26 major protein/gene resources. MetaBase[4] (KOBIC) - A user contributed database of biological databases. ConsensusPathDB - A molecular functional interaction database, integrating information from 12 other databases.

11 Banche dati genomiche CAMERA Resource for microbial genomics and metagenomics Corn, the Maize Genetics and Genomics Database EcoCyc a database that describes the genome and the biochemical machinery of the model organism E. coli K-12 Ensembl provides automatic annotation databases for human, mouse, other vertebrate and eukaryote genomes. Flybase, genome of the model organism Drosophila melanogaster MGI Mouse Genome (Jackson Lab.) JGI Genomes of the DOE-Joint Genome Institute provides databases of many eukaryote and microbial genomes. National Microbial Pathogen Data Resource. A manually curated database of annotated genome data for the pathogens Campylobacter, Chlamydia, Chlamydophila, Haemophilus, Listeria, Mycoplasma, Neisseria, Staphylococcus, Streptococcus, Treponema, Ureaplasma, and Vibrio. Saccharomyces Genome Database, genome of the yeast model organism. Viral Bioinformatics Resource Center Curated database containing annotated genome data for eleven virus families. Xenbase, genome of the model organism Xenopus tropicalis and Xenopus laevis Wormbase, genome of the model organism Caenorhabditis elegans Zebrafish Information Network, genome of this fish model organism. TAIR, The Arabidopsis Information Resource. UCSC Malaria Genome Browser, genome of malaria causing species (Plasmodium falciparumata and others) RGD Rat Genome Database: Genomic and phenotype data for Rattus norvegicus

12 Genome browsers Integrated Microbial Genomes (IMG) system by the DOE- Joint Genome Institute UCSC Genome Bioinformatics Genome Browser and Tools (UCSC) Ensembl The Ensembl Genome Browser (Sanger Institute and EBI) Pathway Tools Genome Browser X:Map A genome browser that shows Affymetrix Exon Microarray hit locations alongside the gene, transcript and exon data on a Google maps api Viral Genome Organizer (VGO) A genome browser providing visualization and analysis tools for annotated whole genomes from the eleven virus families in the VBRC (Viral Bioinformatics Resource Center) databases

13 Banche dati di proteine UniProt Universal Protein Resource (UniProt Consortium: EBI, Expasy, PIR) PIR Protein Information Resource (Georgetown University Medical Center (GUMC)) Swiss-Prot Protein Knowledgebase (Swiss Institute of Bioinformatics) PEDANT Protein Extraction, Description and ANalysis Tool (Forschungszentrum f. Umwelt & Gesundheit) PROSITE Database of Protein Families and Domains DIP Database of Interacting Proteins (Univ. of California) Pfam Protein families database of alignments and HMMs (Sanger Institute) PRINTS PRINTS is a compendium of protein fingerprints (Manchester University) ProDom Comprehensive set of Protein Domain Families (INRA/CNRS) SignalP 3.0 Server for signal peptide prediction (including cleavage site prediction), based on artificial neural networks and HMMs SUPERFAMILY Library of HMMs representing superfamilies and database of (superfamily and family) annotations for all completely sequenced organisms

14 Banche dati di strutture Protein Data Bank (PDB) (Research Collaboratory for Structural Bioinformatics (RCSB)) Protein Model Portal (Biozentrum, Basel, Switzerland) CATH Protein Structure Classification SCOP Structural Classification of Proteins SWISS-MODEL Server and Repository for Protein Structure Models ModBase Database of Comparative Protein Structure Models (Sali Lab, UCSF)

15 Banche dati di interazioni BioGRID A General Repository for Interaction Datasets (Samuel Lunenfeld Research Institute) STRING: STRING is a database of known and predicted protein-protein interactions. (EMBL) DIP Database of Interacting Proteins BIND Biomolecular Interaction Network Database

16 Banche dati di vie metaboliche BioCyc Database Collection including EcoCyc and MetaCyc KEGG PATHWAY Database[10] (Univ. of Kyoto) MANET database [11] (University of Illinois) Reactome (Cold Spring Harbor Laboratory, EBI, Gene Ontology Consortium)

17 Banche dati di trascrittomica ArrayExpress (European Bioinformatics Institute) Gene Expression Omnibus (National Center for Biotechnology Information) GPX(Scottish Centre for Genomic Technology and Informatics) maxd (Univ. of Manchester) Stanford Microarray Database (SMD) (Stanford University)

18 E ancora Pubmed Antibody Central Antibody information database and search resource. BIOMOVIE (ETH Zurich) movies related to biology and biotechnology CGAP Cancer Genes (National Cancer Institute) Clone Registry Clone Collections (National Center for Biotechnology Information) CTD The Comparative Toxicogenomics Database describes chemical-genedisease interactions HGMD disease-causing mutations (HGMD Human Gene Mutation Database) HUGO (Official Human Genome Database: HUGO Gene Nomenclature Committee) OMIM Inherited Diseases (Online Mendelian Inheritance in Man) p53 The p53 Knowledgebase PhenCode linking human mutations with phenotype SciClyc An Open-access database to shared antibodies, cell cultures, and documents for biomedical research.

19 Cosa c e in una banca dati primaria Sequenza Accession number (AC) Dati tassonomici Referenze ANNOTAZIONI Keywords Cross-referenze Documentazione

20 Per esempio: banca dati primaria Accession number Taxonomy Reference Annotations (comments) Cross-references Keywords ID EPO_HUMAN STANDARD; PRT; 193 AA. AC P01588; Q9UHA0; Q9UEZ5; Q9UDZ0; DT 21-JUL-1986 (Rel. 01, Created) DT 21-JUL-1986 (Rel. 01, Last sequence update) DT 20-AUG-2001 (Rel. 40, Last annotation update) DE Erythropoietin precursor. GN EPO. OS Homo sapiens (Human). OC Eukaryota; Metazoa; Chordata; Craniata; Vertebrata; Euteleostomi; OC Mammalia; Eutheria; Primates; Catarrhini; Hominidae; Homo. OX NCBI_TaxID=9606; RN [1] RP SEQUENCE FROM N.A. RX MEDLINE= ; PubMed= ; RA Jacobs K., Shoemaker C., Rudersdorf R., Neill S.D., Kaufman R.J., RA Mufson A., Seehra J., Jones S.S., Hewick R., Fritsch E.F., RA Kawakita M., Shimizu T., Miyake T.; RT "Isolation and characterization of genomic and cdna clones of human RT erythropoietin."; RL Nature 313: (1985).. CC -!- FUNCTION: ERYTHROPOIETIN IS THE PRINCIPAL HORMONE INVOLVED IN THE CC REGULATION OF ERYTHROCYTE DIFFERENTIATION AND THE MAINTENANCE OF A CC PHYSIOLOGICAL LEVEL OF CIRCULATING ERYTHROCYTE MASS. CC -!- SUBCELLULAR LOCATION: SECRETED. CC -!- TISSUE SPECIFICITY: PRODUCED BY KIDNEY OR LIVER OF ADULT MAMMALS CC AND BY LIVER OF FETAL OR NEONATAL MAMMALS. CC -!- PHARMACEUTICAL: Available under the names Epogen (Amgen) and CC Procrit (Ortho Biotech). DR EMBL; X02158; CAA ; -. DR EMBL; X02157; CAA ; -. DR EMBL; M11319; AAA ; -. DR EMBL; AF053356; AAC ; -. DR EMBL; AF202308; AAF ; -. DR EMBL; AF202306; AAF ; JOINED.. KW Erythrocyte maturation; Glycoprotein; Hormone; Signal; Pharmaceutical.

21 Annotations (features) Sequence FT SIGNAL 1 27 FT CHAIN ERYTHROPOIETIN. FT PROPEP MAY BE REMOVED IN PROCESSED PROTEIN. FT DISULFID FT DISULFID FT CARBOHYD N-LINKED (GLCNAC...). FT CARBOHYD N-LINKED (GLCNAC...). FT CARBOHYD N-LINKED (GLCNAC...). FT CARBOHYD O-LINKED (GALNAC...). FT VARIANT SL -> NF (IN AN HEPATOCELLULAR FT CARCINOMA). FT /FTId=VAR_ FT VARIANT P -> Q (IN AN HEPATOCELLULAR CARCINOMA). FT /FTId=VAR_ FT CONFLICT E -> Q (IN REF. 1; CAA26095). FT CONFLICT Q -> QQ (IN REF. 5). FT CONFLICT G -> R (IN REF. 1; CAA26095). ** ** ################# INTERNAL SECTION ################## **CL 7q22; SQ SEQUENCE 193 AA; MW; C91F0E4C26A52033 CRC64; MGVHECPAWL WLLLSLLSLP LGLPVLGAPP RLICDSRVLE RYLLEAKEAE NITTGCAEHC SLNENITVPD TKVNFYAWKR MEVGQQAVEV WQGLALLSEA VLRGQALLVN SSQPWEPLQL HVDKAVSGLR SLTTLLRALG AQKEAISPPD AASAAPLRTI TADTFRKLFR VYSNFLRGKL KLYTGEACRT GDR //

22 Quando utilizziamo le sequenze come input di un tool, di solito: fasta format: >sp P01588 EPO_HUMAN ERYTHROPOIETIN PRECURSOR - Homo sapiens (Human). MGVHECPAWLWLLLSLLSLPLGLPVLGAPPRLICDSRVLERYLLEAKEAE NITTGCAEHCSLNENITVPDTKVNFYAWKRMEVGQQAVEVWQGLALLSEA VLRGQALLVNSSQPWEPLQLHVDKAVSGLRSLTTLLRALGAQKEAISPPD AASAAPLRTITADTFRKLFRVYSNFLRGKLKLYTGEACRTGDR

23 Qualche volta ci sono cose strane! FT source FT /db_xref="taxon:4097" FT /organelle="plastid:chloroplast" FT /organism="nicotiana tabacum" FT /isolate="cuban cahibo cigar, gift from President Fidel FT Castro" FT source FT /chromosome="complete mitochondrial genome" FT /db_xref="taxon:9267" FT /organelle="mitochondrion" FT /organism="didelphis virginiana" FT /dev_stage="adult" FT /isolate="fresh road killed individual" FT /tissue_type="liver"

24 Crescita delle banche dati

25 Banca dati genomica

26 Genome browser

27 Meta banca dati

28 Genome browser

29 Genome browser

30 Banca dati di proteine

31 Banca dati di struttura

32 Banca dati di struttura

33 Banca dati di trascrittomica

34 Banca dati di vie metaboliche

35 Pubmed

36 Text mining

37 OMIM

38 La chiave e l integrazione

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