Bài giảng Tin sinh học đại cương - Chương 1: Giới thiều về Tin sinh học

IntroBioinf01 pptx 1 TIN SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG (Introduction to Bioinformatics) http //fair conf vn/lang/bioinf PGS TS Trần Văn Lăng Email langtv@vast vn Assoc Prof Tran Van Lang, PhD, VIETNAM ACADEMY OF[.]

Trang 1

TIN SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG

(Introduction to Bioinformatics)

http://fair.conf.vn/lang/bioinf

PGS.TS Trần Văn Lăng Email: langtv@vast.vn

Assoc Prof Tran Van Lang, PhD, VIETNAM ACADEMY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

MỤC TIÊU MÔN HỌC

• Về kiến thức: trang bị kiến thức tin học ứng dụng trong công nghệ sinh học như:

Assoc Prof Tran Van Lang, PhD, VIETNAM ACADEMY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 2

– cơ sở dữ liệu (CSDL) sinh học phân tử,

• Về kỹ năng (thông qua giờ thực hành): Sử

dụng được một số phần mềm thông dụng

trong việc:

– so sánh các trình tự,

– phân tích trình tự,

– cây phát sinh loài,

– truy cập đến các CSDL sinh học lớn để tìm kiếm

sự tương đồng giữa các trình tự sinh học

vấn đề cơ sở của sinh học phân tử đặt ra cho:

– công nghệ sinh học, – y học,

– dược liệu học

Trang 2

• Phương pháp gióng hàng (bắt cặp) hai và nhiều trình tự sinh học,

• Phương pháp BLAST trong việc tìm kiếm sự tương đồng các trình tự sinh học từ các ngân hàng trình tự

• Cách thức sử dụng một số

phần mềm thông dụng đề thiết

kế mồi, lập bản đồ enzyme, về

cây phát sinh loài

• Một số hướng nghiên cứu mới

trong lĩnh vực tin sinh học

đang được thế giới quan tâm

TÀI LIỆU HỌC TẬP

• Trần Linh Thước, et al, Thực tập Bioinformatics, tài liệu lưu hành nội bộ của Khoa Sinh học, Trường ĐHKHTH, 2012

Trang 3

TÀI LIỆU ĐỌC THÊM

dụng Tin học trong việc

giải quyết một số bài

toán của Sinh học phân

tử Nxb Giáo dục,

2008, 230tr

TÀI LIỆU ĐỌC THÊM

• Nguyễn Văn Cách, Tin –Sinh học, Nxb Khoa học

Kỹ thuật, 2008, 144tr (eBook)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

• Robert John, Introduction to Bioinformaticshttp://macdevcenter.com/pub/a/mac/2004/06/11/bioinformatics.html, 2004

• Arthur M Lesk, Introduction to Bioinformatics, Oxford University Express,

2002 (eBook)

Trang 4

• A.D Baxevanis, B.F F Ouellette,

Bioinformatics: A practical guide to the

analysis of genes and proteins, Third Edition,

2005, http://books.google.com.vn

• Cynthia Gibas, Per Jabeck, Developing

Bioinformatics Computer Skills O’Reilly &

Associates, Inc., USA,

• Protein alignments: Clustal Omega

• DNA alignments: MUSCLE or MAFFT

• http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/

Trang 6

GIỚI THIỆU VỀ TIN SINH HỌC

Chương 1:

Who am I?

• Assoc Prof Tran Van Lang, PhD.

• Born: 18 Dec 1959, Quang Tri, Vietnam

• Residence: Saigon, Vietnam

• Nationality: Vietnam

• Fields: Computer Science

– High Performance Parallel and Distributed Computing

– Bioinformatics

– Scientific Computation Methods

• Institutions: Vietnam Academy of Science and Technology

• Alma mater:

– HCM University of Natural Science (1977)

– Dorodnitsyn Computing Center (1991)

Trang 7

1.1 Lịch sử

• Một trong những nền tảng cơ bản của sinh

học đó là tế bào (cell)

• DNA chứa các gene mã hóa RNA mà nó sẽ

sinh ra các protein, để từ đó điều chỉnh tất cả

các quá trình phát triển của một sinh vật

• Tất cả vật thể sống (living thing), bao gồm con người, đều được tạo thành từ tế bào

• Chẳng hạn, với con người

có khoảng 100 ngàn tỷ =

1014tế bào (100 trilion cells)

• Bên trong mỗi tế bào có nhân (nucleus) để

lưu trữ tất cả các chỉ thị di truyền(genetic

instruction) hay thông tin di truyền (genetic

information) - ngoại trừ hồng huyết cầu

trưởng thành (mature red blood cell)

• Những chỉ thị này là chức

năng của tế bào, và cũng để

phân biệt cá thể này với cá

• Chẳng hạn, mỗi tế bào người có 46 nhiễm sắc thể, được tổ chức thành 23 cặp

• Mỗi nhiễm sắc thể được cấu thành bởi một phân tử DNA dài (gọi là một trình

Trang 8

• Những trình tự DNA này cấu tạo bởi các base

A, C, G, và T

• Những base này bắt cặp và xếp chồng với

nhau tạo thành một dạng thang xoắn gấp

(twisted ladder) hay một dạng xoắn kép

(double helix)

• Có khoảng 3 tỷ cặp base cho một phân tử DNA

• Một gene là một đoạn của DNA với trình tự base đặc trưng – cụ thể, gọi là mã di truyền (genetic code) để xác định chức năng của tế bào (hay là physical trait – nét vật chất)

• Mỗi nhiễm sắc thể có khoảng 30.000 gene

• Như vậy,

– Mỗi tế báo có nhiều nhiễm sắc thể, mỗi nhiễm

sắc thể là một trình tự DNA

– Những mã di truyền nằm trong trình tự DNA này

• Số lượng gene quá lớn, trong khi đó sự hiểu biết của con người về trình tự gene mã hóa thành một protein cụ thể lại quá cơ bản

Trang 9

• Chẳng hạn, chúng ta thiếu thông tin cần thiết

để hiểu một cách đầy đủ

– về vai trò của DNA trong rất nhiều căn bệnh

– chức năng của những protein được sản sinh ra.

• Sự đột biến có thể được chuyển xuống các

thế hệ sau từ cha mẹ

• Chẳng hạn, có đột biến ở nhiễm sắc thể số 7

trong tế bào tinh trùng

• Nó sẽ mang nhiễm sắc thể có đột biến này lắm ghép với nhiễm sắc thể số 7 bình thường của tế bào trứng

• Từ đó tạo ra một tế bào mới, gọi là hợp tử (zygote), rồi phát triển thành phôi (embryo),

mà trong đó có đột biến ở nhiễm sắc thể số 7

Trang 10

• Mục đích của nó là cung cấp cho những nhà

khoa học cách thức lý giải:

– sự tiến triển sinh học bình thường

– trục trặc trong quá trình phát triển này dẫn đến

bệnh tật

– cách thức tiếp cận để cải thiện, điều trị

Chức năng chính của tin sinh học

• Xây dựng các ngân hàng dữ liệu để lưu trữ

và quản lý dữ liệu sinh học phân tử

• Tìm ra các phương pháp để xác định mối quan hệ về mặt sinh học giữa các dữ liệu

• Xây dựng các công cụ để phân tích từ đó có những hiểu biết rõ hơn về nguồn dữ liệu sinh học

Trang 11

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN TIN SINH HỌC

• 1869: Friedrich Meischer, người Thụy Sĩ khám phá

ra trong nhân tế bào chất

có tính acid, Ông ta gọi

đò là Nuclein hay Nucleic acid

• 1891: Albrecht Kossel, người Đức đã thủy phân

và xác định Nucleic acid

có đường, phosphate và

4 base hữu cơ, và có 2 loại là DNA và RNA

• Nhận giải Nobel Sinh lý

• 1915: Hai cha con nghiên cứu về tinh thể học, cùng nhận giải Nobel Vật Lý 1915

• Họ có đóng góp trong việc tạo ra X-rays

Trang 12

(Nguồn: http://http://www.netsci.org)

• 1930: Arne Wilhelm Kaurin Tiselius

(Stockholm) sử dụng kỹ thuật điện di

(electrophoresis) để đưa ra giải pháp phân

tách protein trong luận án tiến sĩ "The

moving-boundary method of studying the

electrophoresis of proteins" (published in

Nova Acta Regiae Societatis Scientiarum

Upsaliensis, Ser IV, Vol 7, No 4)

• Nhận giải Nobel

về hóa học 1948

• 1951: Linus Carl Paulingvà

nghị cấu trúc cho xoắn alpha (alpha-helix) và dãi beta (beta-sheet) trong Proc Natl Acad

Sci USA, 27: 205-211, 1951

và Proc Natl Acad Sci USA,

37: 729-740, 1951

• Từ đó có “Pauling-Corey

Trang 13

• 1952: Alexander R Todd, nhà nghiên cứu sinh hóa người Scotland, tìm ra cấu trúc của đơn vị thành phần Nucleotide của Nucleic acid.

• Nhận giải Nobel Hóa học 1957

• 1953: James Dewey Watson(US) và Francis

xoắn kép của DNA

• Mô hình này có được

Trang 14

• 1954: Perutz's groupphát triển phương pháp

nguyên tử nặng (heavy atom) để giải quyết

vấn đề nhiều giai đoạn trong việc mô tả hình

thể protein

• 1955: Frederick Sanger (UK)thông báo trình

tự protein đầu tiên được phân tích - bovine insulin

• Nhận giải Nobel hóa học 1958, 1980

• 1958: (Tin học) Mạch tích hợp điện tử đầu tiên được xây dựng bởi Jack Kilby(US)

• Nhận giải Nobel Vật lý năm 2000

• Cũng năm 1958, Tổ chức Advanced Research Projects Agency (ARPA) được thành lập ở US

Trang 15

• 1965: Margaret Belle (Oakley) Dayhoff (US) khởi động việc xây dựng tập bản đồ (atlas) của trình tự và cấu trúc protein

• 1968: (Tin học) Giao thức mạng chuyển

mạch gói (packet-switching network

protocols) được trình diễn bởi ARPA

• 1969: Mạng ARPANET được tạo ra bằng cách nối các máy tính của Stanford University, UCSB, The University of Utah và UCLA lại với nhau

Trang 16

• 1970: Chi tiết của thuật toán

Needleman-Wunsch về việc so sánh các trình tự được

xuất bản

• 1971: Raymond Samuel Tomlinsonphát minh ra email, hiện thực đầu tiên trên mạng ARPANET

• 1972: Phân tử DNA tái tổ hợp (recombinant

DNA) đầu tiên được tạo ra bởi Paul Berg

(US) và nhóm của ông ta

Sequence Database (PSD)

• Paul Berg nhận giải Nobel Hóa học 1980 cùng với Sanger và Gilbert

Trang 17

• 1973: Protein Data Bank ở Brookhaven

National Laboratories được công bố (Acta

Cryst.B, 1973, 29: 1746)

• 1973: Stanley Cohenphát minh ra việc nhân

bản DNA Nhận giải Nobel Y khoa 1986

• 1973: Robert Melancton Metcalfe(US) đưa

ra Ethernet trong luận án tiến sĩ của mình

nhận giải Nobel Y học 1986

• 1974: Vint Cerfvà Robert

Kahn phát triển khái niệm

• 1975: E M Southern công bố phương pháp

để phát hiện của một chuỗi DNA cụ thể trong các mẫu DNA gọi là Southern Blot (J Mol

Biol., 98: 503-517, 1975)

Trang 18

• 1980: Trình tự gene đầy đủ đầu tiên của một

sinh vật (Bacteriophage FX174) được công

bố; nó bao gồm 5.386 cặp base trong đó có

9 mã protein

• 1981: Thuật toán Smith-Waterman về việc bắt cặp trình tự (sequence alignment) được công bố

• 1981: IBM giới thiệu máy tính cá nhân (Personal Computer) ra thị trường

• 1983: Phản ứng PCR

(Polymerase Chain Reaction)

được mô tả bởi Kary Banks

Mullis (US, nhận giải Nobel Hóa

Trang 19

• 1984: Hãng Apple công bố máy tính

Macintosh

• 1985: Thuật toán FASTP được công bố bởi Lipman và Pearson

• National Center for Biotechnology Information (NCBI) được thành lập

• 1986: Thuật ngữ "Genomics" xuất hiện lần

đầu tiên để mô tả các nguyên tắc khoa học

của việc sắp xếp (mapping), phân tích trình

tự gene Thuật ngữ này được đặt ra bởi

Thomas Roderick thông qua tên của một tạp

chí

• Cơ sở dữ liệu SWISS-PROT được tạo bởi

Department of Medical Biochemistry,

• 1987: Perl (Practical Extraction Report Language) được đưa ra bởi Larry Wall

Trang 20

• 1988: Bản đồ vật lý của E.coli được công bố

• Sáng kiến về dự án gene người được khởi

động

• Thuật toán FASTA để so sánh trình tự được

công bố bởi Pearson và Lipman

• Des Higgins, Paul Sharpe thông báo phát

triển phần mềm CLUSTAL

• 1990: Chương trình BLAST program (Altschul, et al.) được hiện thực

• Đặc tả HTTP 1.0 được công bố Tim Berners-Lee công bố văn bản HTML đầu tiên

• 1991: CERN thông báo tạo ra giao thức để

hiện thực World Wide Web

• Linus Torvalds công bố về hệ điều hành

giống như Unix, sau này có tên gọi là Linux

• 1992: Human Genome Systems được hình thành bởi William Haseline

• The Institute for Genome Research (TIGR) được thành lập bởi Craig Venter ở Rockville

Trang 21

• 1994: The PRINTS

database of protein

motifs được công bố

bởi Attwood và Beck

• 1995: Sun Microsystems đưa ra version 1.0 của ngôn ngữ Java Sun và Netscape đưa ra version 1.0 của JavaScript

• Haemophilus influenzea và Mycoplasma genitalium genome được giải trình tự

• 1996: Affymetrix là chip

DNA thương mại đầu tiên

• 1997: The genome for E

coli (4.7 Mbp) được công bố

Trang 22

• 1998: The Swiss Institute of Bioinformatics

được thành lập như một tổ chức phi lợi

nhuận

• 2001: The human genome (3.000 Mbp) được công bố

• Khám phá cơ chế điều hòa hệ thống vận chuyển trong tế bào

• Qua đó giải mã được những bí ẩn về cách thức các tế bào tổ chức hệ thống vận chuyển

Trang 23

• Giải Nobel năm 2013 ba nhà khoa học đã

giải mã được bí ẩn về cách thức các tế bào tổ

• Các tín hiệu hóa học được gọi là tín hiệu dẫn truyền thần kinh được gửi từ một tế bào thần kinh này đến tế bào thần kinh khác

quanh tế bào trong các gói nhỏ được gọi là túi Họ đã phát hiện ra các nguyên lý phân tử quản lý cách thức vận chuyển hàng hóa đến đúng nơi và đúng lúc trong tế bào

[http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2013/press.html]

– Ông William C Campbell (Đại học Drew, New Jersey, Mỹ),

– Ông Satoshi Omura (Đại học Kitasato, Tokyo, Nhật Bản)

– Bà Tu Youyou (Học viện Y học cổ truyền Trung Quốc)

Trang 24

• Trong khi đó giải Nobel về Hóa học có giá trị về Sinh học rất cao

• Ba nhà khoa học (Omas Lindahl - Thụy

Điển, Paul Modrich Mỹ và Aziz Sancar

-Thổ Nhĩ Kỳ) được trao giải cho công trình

nghiên cứu về cơ chế sửa chữa DNA trong tế

bào, nhằm ngăn chặn những lỗi bất thường

xảy ra đối với thông tin di truyền (genetic

information)

• Viện HK Khoa học Thụy Điển công bố:

“Nghiên cứu này giúp cung cấp những tri thức vô cùng quan trọng về chức năng của tế bào, đồng thời mở ra những phương pháp mới trong điều trị ung thư”

Trang 25

Như chúng ta biết

• Một trong những chức năng quan trọng của

DNA đó là lưu trữ các bản thiết kế từ đó giúp

các tế bào tạo ra vô vàn protein trong cơ thể

của một sinh linh

• Một đoạn thang xoắn của DNA được tách ra, một RNA thông tin (mRNA - một đoạn thang đơn đặc biệt) tiếp hợp với đoạn vừa tách ra này để copy “bản thiết kế” rồi đi ra khỏi nhân

tế bào

• Từ đó mang tới nơi sản xuất Protein – đó là các Riboxom không nằm trong nhân

• Như vậy DNA là “bản thiết kế gốc” được lưu

trữ trong mỗi tế bào chuyên biệt

• Đồng thời, có một chương trình để kiểm soát

và sửa chữa kịp thời các sai sót trong quá

trình nhân bản và hoạt động tạo ra sự sống

(protein) sử dụng “bản thiết kế gốc” này MỘT SỐ KẾT QUẢ GẦN ĐÂY

Trang 26

• Tạo ra phôi người:

– Shoukhrat Mitalipov, một nhà nghiên cứu của

Oregon Health & Science University, tại Mỹ,

cùng các đồng nghiệp đã áp dụng kỹ thuật nhân

bản vô tính để tạo ra phôi thai người.

– Lấy các tế bào da trên cơ thể một em bé 8 tháng tuổi rồi đặt nhân của tế bào này vào bên trong trứng (của phụ nữ tình nguyện cung cấp) mà họ đã bỏ nhân

– Sau đó dùng điện để kích thích trứng phát triển thành phôi thai.

– Từ đó tế bào gốc được chiết xuất ra

• Nhóm này đã lấy tế bào gốc trên phôi thai và

kiểm tra

• Mitalipov thông báo: kết quả cho thấy những

tế bào gốc đó có thể biến thành mọi loại tế

bào như tế bào thần kinh, tế bào gan và tế

bào tim

• Giới khoa học lấy tế bào gốc, hay tế bào mầm từ phôi thai người Tuy nhiên, một bộ phận học giả và dư luận phản đối việc khai thác tế bào gốc từ phôi thai vì cho rằng đó là hành động vô đạo đức

Trang 27

• Vì thế, trong nhiều năm qua, các nhà khoa

học đã cố gắng tìm kiếm những giải pháp để

tạo ra nguồn cung cấp tế bào mầm khác để

thay thế phôi thai

– Kết quả của nhóm ở Đại học Y tế và Khoa học

Oregon có giá trị do cách tiếp cận này

Shinya Yamanaka và John Gurdon đoạt giải Nobel Y học 2012 khám phá sự tái lập trình của tế bào (tái

tạo) để trở thành đa năng Assoc Prof Tran Van Lang, PhD, VIETNAM ACADEMY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 106

18/6/2013

• Tiến sĩ Tak Mak, Canada

cho biết nhóm nghiên cứu

của ông (tại Princess

Margaret Cancer Centre)

phát triển thuốc

CFI-400.945

• Thuốc này có tác dụng gây ức chế PLK4, một loại enzyme có vai trò quan trọng trong việc phân chia tế bào, đặc biệt là các tế bào ung thư

Tiêu đề	Giới thiệu về Tin sinh học
Người hướng dẫn	Assoc. Prof. Tran Van Lang, PhD, Vietnam Academy Of Science And Technology
Trường học	Vietnam Academy Of Science And Technology
Chuyên ngành	Bioinformatics
Thể loại	Giáo trình
Năm xuất bản	2012
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	54
Dung lượng	22,76 MB