Giới thiệu tin sinh học

Tran Van Lang, PhD, VIETNAM ACADEMY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 2 – cơ sở dữ liệu CSDL sinh học phân tử, • Kỹ năng: Sử dụng được một số phần mềm thông dụng trong việc: – so sánh các trìn

Trang 1

TIN SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG

(Introduction to Bioinformatics)

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

•  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,

•  Kỹ năng: 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

•  Định hướng nghề nghiệp: Giải quyết những vấn đề 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 như ClustalX,

•  Phương pháp BLAST trong việc tìm kiếm sự tương đồng các trình tự sinh học từ các ngân hàng trình tự nhằm dự đoán chức năng cho trình tự mục tiêu

•  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

•  Trần Văn Lăng, Ứng

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 Bioinformatics

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, 2001,

Trang 5

AnnHyb

•  http://www.bioinformatics.org/annhyb

BioEdit http://www.mbio.ncsu.edu/BioEdit/bioedit.html

http://www.bioinformatics.org/sms2

GIỚI THIỆU VỀ TIN SINH HỌC

Chương 1:

Trang 6

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)

•  And: I have two daughters

NỘI DUNG

•  Lịch sử

•  Sự cần thiết

•  Một số khái niệm cơ bản

1.1 Lịch sử

•  Một trong những nền tảng cơ bản của sinh

học đó là tế bào (cell)

•  DNA chứa các gen 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 cơ thể sống (living thing), bao gồm con người, được tạo thành từ tế bào

•  Chẳng hạn, với con người

có khoảng 100 ngàn tỷ

1014 tế bào (100 trilion cells)

Trang 7

•  Bên trong mỗi tế bào (ngoại trừ hồng huyết

cầu trưởng thành – mature red blood cell) có

nhân (nucleus) chứa tất cả các chỉ thị di

truyền (genetic instruction)

•  Những chỉ thị này là chức

năng của tế bào, và cũng để

phân biệt cá thể này với cá

thể khác

•  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

tự DNA)

•  Trình tự DNA 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) hạy một dạng xoắn kép

•  Mỗi nhiễm sắc thể có khoảng 30.000 gene

Trang 8

•  Trong khi đó chúng ta có một

sự hiểu biết quá cơ bản về

trình tự gene mã hóa thành

một protein cụ thể

•  Chúng ta thiếu thông tin cần thiết để hiểu một cách đầy đủ về vai trò của DNA trong những căn bệnh cụ thể, hoặc để hiểu được chức năng của hàng ngàn protein được sản sinh ra

Ngoài ra,

•  Sự đột biến (mutation) là sự thay đổi một hay

nhiều base trong phân tử DNA

•  Điều này có thể dẫn đến sự biến đổi đặc

trưng (trait) hoặc dẫn đến bệnh di truyền

–  Chẳng hạn, màu mắt

•  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

Trang 9

•  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), từ đó phát triển thành phôi

(embryo), mà trong đó có đột biến ở nhiễm

sắc thể số 7

•  Vì vậy, càng phong phú càng đa dạng về sự sống đang tồn tại

•  Mà hiểu biết của con người lại càng ít ỏi

•  Từ đó cần: các phương pháp dùng để tập hợp, lưu trữ, khôi phục, phân tích

–  cách thức tiếp cận để cải thiện việc khám phá thuốc điều trị (drug discovery – no invention)

Trang 10

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

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

Trang 11

•  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

(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 Pauling và Robert Brainard Corey (US) đề 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 12

•  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

Harry Compton Crick (UK) đề nghị mô hình

xoắn kép của DNA

•  Mô hình này có được trên cơ sở hình chụp x-ray của DNA được nhận bởi Rosalind Franklin và Maurice Wilkins (Nature, 171:

737-738, 1953)

Trang 13

•  Watson, Crick, Wilkins nhận giải Nobel Sinh lý học năm 1962

•  1954: Perutz's group phát 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

Trang 14

•  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

Assoc Prof Tran Van Lang, PhD, VIETNAM ACADEMY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 53 Assoc Prof Tran Van Lang, PhD, VIETNAM ACADEMY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 54

•  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

Trang 15

•  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

•  1970: Chi tiết của thuật toán Wunsch về việc so sánh các trình tự được xuất bản

Needleman-Assoc Prof Tran Van Lang, PhD, VIETNAM ACADEMY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 58

•  1971: Raymond Samuel Tomlinson phát

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

•  Margaret Dayhoff xây dựng Protein Sequence Database (PSD)

Trang 16

•  1973: Protein Data Bank ở Brookhaven National Laboratories được công bố (Acta

Cryst B, 1973, 29: 1746)

•  1973: Stanley Cohen phát 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

•  Stanley Cohen nhận giải Nobel Y học 1986

•  1974: Vint Cerf và Robert Kahn phát triển khái niệm kết nối mạng các máy tính thành "internet”; đồng thời phát triển giao thức TCP Transmission Control Protocol TCP)

Trang 17

•  1975: Microsoft Corporation được thành lập

bởi Bill Gates và Paul Allen

•  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)

•  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 học 1993) và đồng nghiệp

Trang 18

•  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 gen 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, University of Geneva và European Molecular Biology Laboratory (EMBL)

Trang 19

•  1987: Perl (Practical Extraction Report

Language) được đưa ra bởi Larry Wall

•  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

Trang 20

•  1992: Human Genome Systems được hình

thành bởi William Haseline

•  The Institute for Genome Research (TIGR)

được thành lập bởi Craig Venter ở Rockville

•  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

Trang 21

•  1997: The genome for E

coli (4.7 Mbp) được công

bố

•  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

Trang 22

•  Mỗi tế bào là một nhà máy sản xuất và xuất khẩu sản phẩm là các phân tử

•  Chẳng hạn, insulin được sản xuất và xuất vào máu

•  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

•  Các phân tử này được vận chuyển xung

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://

Trang 23

MỘT SỐ KẾT QUẢ GẦN ĐÂY

•  Tạo ra phôi người: Tháng 3/2013

–  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

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

Trang 24

•  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

•  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

•  Ngày 18/6/2013, TS Tak Mak, Canada cho biết nhóm nghiên cứu của ông (tại Princess Margaret Cancer Centre) phát triển thuốc CFI-400.945

Trang 25

•  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

•  28/6/2013: Nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Riken BioResource, TP Tsukuba, tỉnh Ibaraki, Nhật Bản dẫn đầu bởi nhà khoa học Atsuo Ogura

Đã dùng một tế bào máu trong hệ tuần hoàn của một chú chuột để tạo ra bản sao của chính nó

•  Kỹ thuật: lấy máu từ đuôi một con chuột rồi

phân lập bạch huyết cầu, sau đó chuyển

nhân của bạch huyết cầu sang một tế bào

đa năng cho một phụ nữ khoảng 70 tuổi

•  Đây là lần đầu tiên các tế bào gốc đa năng được đưa vào cơ thể người thông qua phẫu thuật

Trang 26

•  Tế bào gốc đa năng (iPS), một dạng tế bào

gốc do GS Shinya Yamanaka phát triển, có

thể sinh trưởng để thành các mô khác nhau

trên cơ thể người

VIỆT NAM

Việt Nam

•  Đầu tháng 7/2012, Bộ Khoa học và Công

nghệ sẽ tài trợ cho "Dự án khả thi giải trình tự

và phân tích bộ gen người Việt Nam" do Viện

Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Vietnam

Academy of Science and Technology -

VAST) thực hiện

Việt Nam

•  Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam thành lập Viện Nghiên cứu hệ gen (06/8/2012), do PGS.TS Nông Văn Hải làm viện trưởng

Định dạng
Số trang	52
Dung lượng	13,81 MB