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1
Explorando bancos de dados genômicos e introdução à
bioinformática
22/07/2011
Guilherme Targino Valente Marcos Tadeu Geraldo
Bioinformática
• É a aplicação de estatística e ciência da computação no campo
da Biologia Molecular
• O termo foi cunhado por Paulien Hogeweg e Ben Hesper em
1978 no estudo de processos de informática em sistemas
bióticos
Paulien Hogeweg
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Objetivo da Bioinformática
Aumentar o entendimento dos processos
biológicos
Bioinformática atualmente
• Criação e avanços em:
• banco de dados
• algoritmos
• técnicas computacionais
• estatísticas
• Finalidade: solucionar problemas teóricos e
práticos oriundos da manipulação e análise de
dados biológicos
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BIOINFORMÁTICA
Sequências
Genomas
Evolução
Regulação e expressão
gênica
Modelagem biológica
Estrutura molecular
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Importância da Análise de Sequências
• Comparação de sequências para analisar suas semelhanças e diferenças
• Análise da estrutura de genes: matrizes de leitura, distribuição de introns e exons e elementos regulatórios
• Busca por pontos de mutação, a fim utilizá-los como marcadores genéticos
• Informações sobre evolução e diversidade genética entre organismos
• Análise da funcionalidade de genes
Como recuperar sequências
dentro de um banco de dados
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5
FASTA
Programa de alinhamento e análise de
sequências criado por W.R. Pearson e D.J.
Lipman em 1988
Formato da sequência:
> nome_da_sequência
ARCGTCRGCKINTANDRGCKINTANDCKINTAN
DARCGTCRGCKINTANDRGCKINTAND
Linha de definição
Sequência
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Como obter sequências
experimentalmente?
Gene ou sequência de interesse
Restrição Enzimática
Reação em cadeia da polimerase (PCR)
http://www.bioinformatics.nl/cgi-bin/primer3plus/primer3plus.cgi
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Conseguimos as sequências...
...E AGORA?
Próximo passo,
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Alinhamento de sequências
• O que é? = um alinhamento de sequências é uma forma de organizar sequências primárias de DNA, RNA ou proteínas
• Por que alinhar? = identificar regiões similares que possam ser consequência de relações funcionais, estruturais ou evolucionárias entre elas
Homologia x Similaridade
Valor Qualitativo
Valor Quantitativo
Homólogo Não-homólogo
Valor de inferência
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2 sequências de um
alinhamento
Compartilham ancestral comum
Discordâncias entre as
sequências (mismatches)
Mutações pontuais
Espaços (gaps)
Inserções ou deleções
(indels)
SE,
Alinhamento: Global x Local
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Alinhamento: Par a par (pairwise alignment)
Múltiplo (multiple alignment)
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Algoritmos de alinhamento
ClustalW
MUSCLE
T-COFFEE
COBALT
MAFFT
PRRN
E muitos outros...
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CLUSTALW (http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalw2/)
MUSCLE (http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/muscle/)
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COBALT (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/tools/cobalt/)
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BLAST Basic Local Alignment Search Tool
O que é? = é um algoritmo para acessar um banco de dados e buscar sequências de aminoácidos ou nucleotídeos que sejam similares a uma sequência-alvo específica
Qual o objetivo do BLAST? = comparar informações de sequências biológicas primárias
www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/
Tipos de BLAST Query (sequência-
alvo)
Hits (sequências
retornadas)
blastn Nucleotídeos Nucleotídeos
blastp Aminoácidos Aminoácidos
blastx Nucleotídeos (Seis
matrizes de leitura) Aminoácidos
tblastn Nucleotídeos (Seis
matrizes de leitura)
Nucleotídeos (Seis
matrizes de leitura)
tblastx Aminoácidos Nucleotídeos (Seis
matrizes de leitura)
Tipos de BLAST
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VALOR DE
CONFIANÇA
chance do
acaso
Valor de E Confiança
AGTTTAGAGATTCCGCCTGGCGCTGGAAGAGATCAGG Query
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25
AGTTTAGAGATTCCGCCTGGCGCTGGAAGAGATCAGG
CCGCCTGG
Query
Hit 1
AGTTTAGAGATTCCGCCTGGCGCTGGAAGAGATCAGG
CCGCCTGG
GAGATTCCACCTGGCCATGGAAGAGA
Query
Hit 2
Hit 1
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OUTRAS
FERRAMENTAS PARA
ANALISAR
SEQUÊNCIAS
ORF Finder
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/gorf.html
ORF = Open Reading Frame
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ATGCCATGCGATGTTTGAGCATCTA...
ATG CCA TGC GAT GTT TGA
A TGC CAT GCG ATG TTT GAG CAT...
AT GCC ATG CGA TGT TTG AGC ATC...
RF 1
RF 2
RF 3
ATGCCATGCGATGTTTGAGCATCTA...
ATG CCA TGC GAT GTT TGA
A TGC CAT GCG ATG TTT GAG CAT...
AT GCC ATG CGA TGT TTG AGC ATC...
RF 1
RF 2
RF 3
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ATGCCATGCGATGTTTGAGCATCTA...
ATG CCA TGC GAT GTT TGA
A TGC CAT GCG ATG TTT GAG CAT...
AT GCC ATG CGA TGT TTG AGC ATC...
RF 1
RF 2
RF 3
ATGCCATGCGATGTTTGAGCATCTA...
ATG CCA TGC GAT GTT TGA
A TGC CAT GCG ATG TTT GAG CAT...
AT GCC ATG CGA TGT TTG AGC ATC...
RF 1
RF 2
RF 3
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Transeq
• Traduz em aminoácidos uma sequência de nucleotídeos
• http://www.ebi.ac.uk/Tools/emboss/transeq/
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Busca por Motifs
• Motif (ou domínio): é um padrão de sequência de nucleotídeo ou aminoácido, normalmente associada a alguma significância biológica
GENE MOTIF
SEQUÊNCIA DE NUCLEOTÍDEOS OU AMINOÁCIDOS
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pFam
• Banco de dados de famílias de proteínas
• Busca e alinhamento de motifs característicos de cada família
• http://pfam.sanger.ac.uk/
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(http://hits.isb-sib.ch/cgi-bin/PFSCAN)
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(http://www.genome.jp/tools/motif/)
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Bibliografia em Bioinformática
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Bibliografia em Bioinformática
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For Dummies Collection