Introdução a bioinformática e a biologia computacional

1. Introdução a bioinformática e a biologia computacional Itamar Leite de Oliveira Universidade Federal de Juiz de Fora Instituto de Ciências Exatas Departamento de Ciência da Computação

2. O QUE É BIOINFORMÁTICA? Bioinformática é uma das áreas de pesquisa que mais cresce em Ciência da Computação. Ela surgiu a partir de um boom no processo de seqüenciamento de DNA, que gerou um enorme volume de dados que agora precisam ser analisados para gerar informações úteis.

3. Características principais da Bioinformática Interdisciplinaridade - Área associada a: - Biologia - Química - Bio-física - Estatística - Matemática - Computação Cooperação - Open source / open code

4. Áreas da computação em que se pode atuar na BIOINFORMÁTICA • - Bancos de Dados • Data Mining • Redes Neurais • Aprendizagem de Máquina • Processos Estocásticos • - Algoritmos e Combinatória • Visualização / Realidade Virtual

5. A || T C ||| G T || A G ||| C DNA Estrutura do DNA

6. Dógma Central da Biologia Molecular Gene (DNA) mRNA Proteína Século 21 Genoma Transcriptoma Proteoma

7. Estrutura 3-D do DNA

8. Tipos RNAs

9. Transcrição do DNA • A síntese dos diferentes tipos de RNA, a partir de um molde de DNA, usando as regras da complementaridade, é um processo denominado Transcrição do DNA • A informação genética contida num segmento do DNA, é reescrita em uma fita simples de RNA • Esta fita apresenta uma seqüência de ribonucleotídios complementar a uma das fitas da dupla hélice de DNA (fita molde) e idêntica àidêntica à seqüência da outra fita (fita codificadora), com substituição de T por U

10. A Unidade de Transcrição Diz-se que as seqüências que antecedem o ponto de início localizam-se à montante (upstream) e as que o sucedem localizam-se à jusante (downstream) A posição das bases é numerada nos dois sentidos, a partir do ponto de início, ao qual se atribui o valor +1. Os valores aumentam (valor positivo) à jusante e diminuem (valor negativo) à montante

11. Processamento Pós-Transcricional

12. DNA Transcrição doador receptor exon intron Splicing mRNA Sítios de splicing

13. Expressão Gênica – Transcrição DNA T G C A G C T C C G G A C T C C A T . . . RNA Polimerase T promotor Transcrição mRNA A

14. Expressão Gênica – Transcrição DNA TGCA G C T C C G G A C T C C A T . . . RNA Polimerase promotor Transcrição mRNA CGU A C G A G G C C U G A G G U A . . .

15. Código Genético • Código Genético  mapeamento dos códons nos aminoácidos • 64 códons • 20 aminoácidos • 3 códons de parada aminoácidos mapeados por mais de um códon Degeneração do código genético

16. Código Genético 2a base no códon 3a base no códon 1a base no códon

17. Ribossomo ACG códon Tradução Expressão Gênica – Tradução DNA T G C A G C T C C G G A C T C C A T . . . RNA Polimerase promotor Transcrição mRNA A C G U C G A G G C C U G A G G U A . . . His

18. Expressão Gênica – Tradução DNA T G C A G C T C C G G A C T C C A T . . . RNA Polimerase promotor Transcrição mRNA A C G U C G A G G C C U G A G G U A . . . Tradução Ribossomo Ser His Ser Gli Leu Cis

19. Tamanho de Genomas

20. Transcriptoma Genoma Conjunto de genes de um organismo • Coleção completa de todos os possíveis mRNAs de um organismo. • Regiões de um genoma de um organismo que são transcritas em RNA mensageiro.

21. Proteoma • A coleção completa de proteínas que podem ser produzidas por um organismo. • Podem ser estudadas estaticamente (soma de todas as proteínas possíveis) ou dinamicamente (todas proteínas encontradas num determinado momento)

22. Do DNA ao Genoma primeira sequencia de proteína Watson e Crick modelo do DNA 1955 1960 Primeira estrutura de uma proteína 1965 1970 1975 1980 1985

23. 1990 Primeiro genoma bacterial Hemophilus Influenzae 1995 Genoma da levedura Primeiro rascunho do genoma humano 2000

24. O Projeto Genoma Humano Iniciado em 1986 Terminado em 2003 Objetivos eram: • Identificar todos os genes no DNA humano, • Determinar as 3 bilhões de sequencias de pares de bases que formam o DNA humano • Melhorar as ferramentas de análise de dados e desenvolver novas

25. A era“pós-genômica” Anotação Genômica Comparativa Genômica estrutural Genômica funcional Objetivo: compreender as redes funcionais de um célula viva

26. Open reading frames Sítios Funcionais Anotação Estrutura, funções

27. CCTGACAAATTCGACGTGCGGCATTGCATGCAGACGTGCATG CGTGCAAATAATCAATGTGGACTTTTCTGCGATTATGGAAGAA CTTTGTTACGCGTTTTTGTCATGGCTTTGGTCCCGCTTTGTTC AGAATGCTTTTAATAAGCGGGGTTACCGGTTTGGTTAGCGAGA AGAGCCAGTAAAAGACGCAGTGACGGAGATGTCTGATG CAA TAT GGA CAA TTG GTT TCT TCT CTG AAT ...... .............. TGAAAAACGTA

28. promotor Sítio de ligação TF CCTGACAAATTCGACGTGCGGCATTGCATGCAGACGTGCATG CGTGCAAATAATCAATGTGGACTTTTCTGCGATTATGGAAGAA CTTTGTTACGCGTTTTTGTCATGGCTTTGGTCCCGCTTTGTTC AGAATGCTTTTAATAAGCGGGGTTACCGGTTTGGTTAGCGAGA AGAGCCAGTAAAAGACGCAGTGACGGAGATGTCTGATGCAA TATGGACAATTGGTTTCTTCTCTGAAT ................................. ..............TGAAAAACGTA Transcription Start Site Ribosome binding Site ORF=Open Reading Frame CDS=Coding Sequence

29. Comparação do genoma inteiro Conclusões sobre as redes reguladoras Genômica Comparativa

30. Perfis, considerando o todo o genoma, dos: • Níveis de mRNA • Níveis de proteínas Co-expressão de genes e/ou proteínas Genômica Funcional

31. Compreensão das funções dos genes e outras partes do genoma

32. Identificação de iterações proteína-proteína Redes de interações Perfis, considerando o todo o genoma, de: • Níveis de mRNA • Níveis de proteínas Co-expressão de genes e/ou proteínas Genômica Funcional

33. Uma rede de iterações pode ser construída para todas as proteínas num organismo A large network of 8184 interactions among 4140 S. Cerevisiae proteins

34. Genômica Estrutural Descobrir a estrutura de todas as proteínas codificadas num genoma

35. Estrutura de Proteína

36. Bioinformática no DCC FIOCRUZ - BH • Núcleo de Bioinformática (NuBio) – ICE • Helio F. Dos Santos (D. Química) • Carlos Cristiano (DCC) • Itamar L. Oliveira (DCC) • Ilaim C. Jr (DCC) • Kelle Bellozzi (DCC) • Wagner Arbex (EMPRABA GL) • Lobosco (DCC) • Financiado pela FAPEMIG

37. Reações Bioquímicas

38. Rede metabólica

39. Enzimas (proteínas)

40. Enzimas

48. Lei de ação de das massas • A velocidade de uma reação química é proporcional a probabilidade de colisões das moléculas S1 + S2 2P A velocidade da reação: dP/dt = v = v+ - v- = k+S1S2 – k-P2 k+ e k-: constantes da reação (fator de proporcionalidade)

49. Cinética de Reações Enzimáticas

50. Cinética de Reações Enzimáticas