Bài giảng Tin sinh học: Chương 1 - ThS. Nguyễn Thành Luân

Bài giảng Tin sinh học: Chương 1 - ThS. Nguyễn Thành Luân

• Trình độ: Cho sinh viên năm thứ 3 đại học

• Phân bố thời gian: 30 tiết

─ Lý thuyết: 12 tiết

─ Tiểu luận, bài kiểm tra tại lớp: 4 tiết

─ Thực hành, thí nghiệm: 14 tiết

─ Tự học : 60 tiết

2

Nội dung học phần

1 Chương 1: Giới thiệu chung về tin sinh học

2 Chương 2: Cơ sở dữ liệu tin sinh học (Bioinformatic

5 Chương 5.Giải mã trình tự toàn bộ bộ gen

6 Chương 6 Ứng dụng các tiện ích của tin sinh học trong

nghiên cứu khoa học

7 Thực hành thao tác trong tin sinh học

8 Báo cáo tiểu luận

Mục tiêu môn học tin sinh học

• Mục tiêu chính:

Khám phá những lĩnh vực mới trong sinh học

Mở ra triển vọng có tính chất toàn cầu về NC

Thống nhất hóa các nguyên tắc, thành tựu của

khoa học trong sinh học

Số hóa các cơ sở dữ liệu (database) cũng như xây

dựng cách quản lý CNSH bằng tin học

Xây dựng và phát triển các chương trình ứng

dụng trong CNSH nhằm giải quyết vấn đề trong

nghiên cứu VD: cây phát sinh loài, đột biến gen…

3

Mục tiêu của môn học

Sau khi học xong học phần này, sinh viên có

khả năng:

─ Trình bày các nguyên tắc cơ bản trong phân

tích DNA, phân tích Protein, thiết kế các mồi

oligonucleotide,…

─ Tìm kiếm các bài báo, công trình nghiên

cứu & tìm kiếm các trình tự DNA, Protein

─ Xử lý và Phân tích DNA, Protein & thiết kế

các oligomer lai phân tử, các primer để khuyếch

đại DNA

─ Tìm kiếm các bản đồ của các RE trên DNA

& đăng ký trình tự gene vào ngân hàng gene thế

giới

Tiêu chí đánh giá môn học

• Bài tập lớn (Tiểu luận): 30%

4

Tài liệu tham khảo

• Tiếng Việt

Nguyễn Thị Lang, Bùi Chí Bửu (2008) ‘Giáo trình Tin

sinh học–Bioinformatics’, Nhà xuất bản nông nghiệp, TP Hồ

Baxevanis, A.D and Ouellette, B.F.F (2005)

Bioinformatics: A Practical Guide to the Analysis of Genes

and Proteins, 3 rd edition Wiley New York

Waterman, M.S (1995) Introduction to Computational

Biology: Sequences, Maps and Genomes CRC Press

Mount, D.W (2002) Bioinformatics: Sequence and

Genome, Cold Spring Harbour Press, New York

Yêu cầu chung cho môn học

Tự chia nhóm và nộp cho lớp trưởng tổng

hợp (<=5 người/nhóm) Ai không có

nhóm = không có điểm báo cáo tiểu

luận (Nộp DS vào tuần 2)

Mỗi nhóm tự trang bị ít nhất 1 laptop +

USB 3G kết nối mạng + 1 USB

Kiểm tra thông qua các bài báo cáo cá

nhân sau mỗi buổi học (lý thuyết hoặc

thực hành)

Lịch sử & khái niệm tin sinh học

Vì sao phải cần nghiên cứu tin sinh học?

Các lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng của

6

Lịch sử Tin sinh học

• Khởi nguồn từ nhu cầu

cơ bản trong việc tìm

kiếm cũng như nâng cao

các phương pháp tìm

kiếm trong máy tính về

di truyền học

• Làm hữu ích hơn cho sự

tiến bộ của di truyền học

và các kỹ thuật di truyền

cũng như sinh học phân

tử

Lịch sử Tin sinh học

• Sau sự phát kiến cấu trúc phân tử DNA của

Watson-Crick (1953)  ngày càng nhiều

nhu cầu quản lý dữ liệu sinh học & CNSH

ở các công ty & các nhà khoa học về

SHPT

• Chuyển hướng nghiên cứu từ in vitro  in

vivo  in situ  in silico  Hình thành

ngành tin sinh học

Tin sinh học giống như ngành học được biết

đến từ thập niên 1960 trước khi được công

bố tên gọi

Năm 1965, được gọi tên là “sự tiến hóa

phân tử” (molecular evolution)

Ứng dụng đầu tiên là chương trình so sánh

trình tự xác định trình tự gốc của virus cảm

cúm

Thuật ngữ Tin sinh học lần đầu tiên được

công nhận toàn thế giới vào năm 1991

8

Lịch sử phát triển Tin sinh học

•1994-2004: Số lượng gia tăng đột biến do việc khám phá kỹ thuật PCR

•2000-2008: gia tăng do việc khởi đầu dự án giải mã toàn bộ bộ gen các loài

và người

9

Lịch sử phát triển của Tin sinh học

10

TIN SINH HỌC LÀ GÌ??

TIN SINH HỌC LÀ GÌ??

11

Khái niệm tin sinh học

Tin sinh học (bioinformatics) là môn học được

cơ bản hợp nhất hóa từ tổ hợp các môn sinh

học, khoa học máy tính và các kỹ thuật trong

công nghệ thông tin

Theo Frank Tekaia, “Tin sinh học là những

phương pháp dựa trên các thuật toán, thống kê

và máy tính để hướng đến việc giải quyết các

vấn đề sinh học sử dụng các chuỗi DNA và

amino acid cùng những thông tin liên quan

đến sinh học”

Bioinformatics là gì?

22

12

What is Bioinformatics

Tin sinh học là gì?

Khái niệm tin sinh học

Là phương pháp xác định:

Khả năng phân biệt giữa trình tự của gen

này và trình tự của những gen khác

So sánh các trình tự giữa các loài có

quan hệ huyết thống nhờ các dữ liệu có

sẵn

Tìm kiếm các hợp phần của gen thông

qua các cơ sở dữ liệu trên thế giới

13

Tin sinh học là 1 dạng bảng chữ cái sinh

học phân tử (molecular alphabet)

Hầu hết các đại phân tử sinh học là polymer, được sắp xếp thứ

tự từ những phân tử đơn giản hơn được gọi là monomer

Tin sinh học là 1 dạng sắp xếp nhiều chữ cái thành 1 từ có

nghĩa

Nhu cầu tìm hiểu sự khác nhau

giữa các loài có chung nguồn gốc

14

Sắp xếp các trình tự và giải

mã trình tự cần biết thông qua các website và phần mềm tin học

VÌ SAO PHẢI NGHIÊN CỨU

TIN SINH HỌC?

15

VÌ SAO PHẢI NGHIÊN CỨU

TIN SINH HỌC?

“Tôi mơ ước rằng một ngày nào đó trên mỗi bàn giấy ở

mọi nơi trên thế giới đều có một máy vi tính cá nhân (PC)”

Tin sinh học là xu hướng tất

yếu của sự phát triển CNSH

“The two technologies that will shape the next century

are biotechnology and information technology”

– Bill Gates –

“The two technologies that will have the greatest

impact on each other in the new millennium are

biotechnology and information technology”

– Martina McGloughlin -

16

Vai trò ngày càng lớn của CNTT

Nguồn: ABC News, Australia 2010

Tầm quan trọng của tin sinh

học trong nghiên cứu khoa học

Khởi đầu sự nghiên cứu tiến hóa hay

nghiên cứu trong hệ genome

Duy trì và lưu giữ các dữ kiện và số liệu

thông tin trong công nghệ genome bao

gồm thông tin về trình tự DNA, protein

của tất cả sinh vật trên thế giới

Là công cụ giúp cho phân tích và tập hợp

thống nhất các số liệu về sinh học

18

Internet

Cơ sở dữ liệu sinh học NCBI

120 quốc gia

Anh đã giải mã 30% bản đồ gene

Mỹ, Pháp, Đức, Nhật Bản, Trung Quốc Các vi sinh vật khác: vi khuẩn, Virus…

Tin sinh học xây dựng, bổ sung, tổ chức quản lý khai khác

cơ sở dữ liệu (database - cơ sở dữ liệu) đa dạng, toàn diện

trên quy mô toàn cầu về công nghệ sinh học

Chuyển trình

tự Gene

Primary public domain

bioinformatics servers

19

Các lĩnh vực nghiên cứu ứng

dụng Tin sinh học

Các lĩnh vực nghiên cứu ứng

dụng của tin sinh học

Nghiên cứu chuỗi trình tự DNA và protein

Bộ gene người, động vật, thực vật, côn trùng,

VSV

Sự tiến hóa sinh học

Đa dạng sinh học di truyền

Chức năng của gene & protein

So sánh các gene & protein

Dự đoán cấu trúc protein

Phân tích kết quả thí nghiệm

Bệnh di truyền

Định danh loài

20

Các ứng dụng của Tin sinh học

BẮT ĐẦU THÍ NGHIỆM

PHẦN MỀM

XÁC ĐỊNH LẠI

TỐI ƢU HÓA

THÔNG SỐ MÁY TÍNH

TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

TỪ CÁC THÔNG

SỐ NÀY

TEA-BREAK

21

Sinh học máy tính

(Computational Biology)

Ngành học của việc ứng dụng các kỹ

thuật tin học cho sinh học cổ điển

Chủ yếu tập trung vào các quá trình tiến

hóa, mật độ phân bố và nguyên lý sinh

họchơn là cấp độ tế bào và sinh học phân

tử

 Thuật ngữ có thể dùng thay thế cho

thuật ngữ Tin sinh học

PHÂN TÍCH CƠ SỞ DỮ

LIỆU

42

Phần mềm sinh học

1 Sản phẩm nghiên cứu từ nông nghiệp

2 Sản phẩm nghiên cứu từ thực phẩm

3 Sản phẩm từ môi trường vv…

Các kỹ thuật sinh học khi làm thí nghiệm

22

Tin y học (Medical Informatics)

Ngành học và ứng

dụng của các kỹ thuật

tin học để cải thiện các

y học dữ liệu giao tiếp,

hiểu sâu và quản lý dữ

23

(Genomics)

Phân tích và so sánh toàn bộ genome của 1 loài hoặc nhiều

loài với nhau

1 genome là 1 bộ của tất cả các gen có trong 1 cơ thể

Kỹ thuật gen đã tồn tại trước khi bất kỳ bộ gen nào được

sắp xếp hoàn toàn nhưng trong 1 thời kỳ hoang sơ, nguyên

thủy

Genomics là môn học nghiên cứu đánh giá các

chức năng và phương pháp phân lập so sánh giữa

các genome Phương pháp nghiên cứu thường dựa

vào khảo sát các đột biến nhằm định danh các bộ,

họ, loài

24

Các lĩnh vực chính trong

genomics

Structural genomics (Gen cấu trúc)

Functional genomics (Gen chức năng)

Comparative genomics (Gen so sánh)

 Genomics hiện đang là tâm điểm của

sinh học

Gen cấu trúc

Tìm hiểu thành phần & cấu trúc bộ gen

Bản đồ di truyền (linking map)

Không có độ phân giải cao

Không thực sự chính xác khi so sánh

Bản đồ vật lý (physical map)

Dựa trên sự phân tích trực tiếp DNA và khoảng

cách giữ các gen theo base (bp), Kilobase (Kb) và

Megabase (Mb)

Giúp cung cấp thông tin về vị trí các gen, DNA

marker và sự phân mảnh NST

25

Gen chức năng

(Functional genomics)

• Mục tiêu chỉ định, nhận diện tổ chức

gene và nhận ra chức năng của chúng

– Dự đoán chức năng gen từ trình tự

– Dò tìm chức năng theo hướng đồng dạng

– Dò tìm chức năng dựa trên so sánh vùng

• Gene học chức năng (functional genomics) có

thể được định nghĩa nôm na như việc dùng tri

thức tiêu biểu về hệ gene để tìm hiểu về gene, về

các chức năng sản xuất và sự tương tác của

chúng, và quan trọng hơn là vì sao điều này làm

cho các sinh vật hoạt động

Gene functions (Chức năng gene)

Protein abundance in a cell

(Sự dư thừa protein trong tế bào)

Gene regulation and networks

(Điều khiển gene và mạng gene)

26

Gene chức năng

– Dường như có một hệ hạn chế các genes (a limited universe of

genes) và proteins tương ứng của chúng Từ quan điểm chức năng,

rất nhiều trong chúng có trong phần lớn hoặc toàn bộ hệ các genes

– Sự dƣ thừa protein (protein abundance) có thể phụ thuộc vào

nhiều yếu tố như liệu gene tương ứng có được biểu hiện (expressed)

(i.e., được sao chép tích cực) hay không, được thể hiện nhanh và

mạnh thế nào, được nối ghép, dịch chuyển, và thay đổi nhanh thế

nào, v.v…

– Thể hiện gene (gene expression) là quá trình qua đó thông tin mã

hóa trong một gene được truyền vào cấu trúc đang có trong tế bào và

điều khiển tế bào (hoặc proteins hoặc RNAs)

– Một câu hỏi quan trọng và lý thú khác trong sinh học là sự biểu hiện

gene được “bật” và “tắt” thế nào, tức là các genes được điều chỉnh

27

Tin sinh học trong so sánh trình tự

(Sequence Alignment)

• Là ngành học nghiên cứu các phương pháp

so sánh chuỗi trình tự protein hay DNA với

chuỗi trình tự khác nhằm tìm ra:

– Sự tương đồng giữa 2 chuỗi

– So sánh 1 gen và sản phẩm của nó

– Tìm ra cầu nối disulfide hay các vị trí xúc tác

– Tìm primer hay các đoạn gen đột biến trên gene

– Tìm ra các đoạn lặp lại trên chuỗi trình tự

Tin sinh học trong nghiên cứu các quan

hệ tiến hóa (Phylogenetic analysis)

28

Các công cụ, kỹ năng cần

thiết cho tin sinh học

Là một lĩnh vực khá đặc biệt trong công nghệ

sinh học và sinh học hiện đại, Tin-Sinh học

cũng cần có những công cụ riêng phục vụ

cho nhu cầu và sự phát triển của nó Những

công cụ cơ bản có thể bao gồm:

Máy tính (Computer) và hệ thống máy tính

Các thuật toán (Algorithms)

Các công cụ (tools) và phần mềm (software)

Internet

Thông tin Tin sinh học trên Internet

Hầu hết các thông tin CSDL của Tin sinh

học cũng giống như khoa học máy tính

đều phải thông qua Internet

– Các cơ sở DL trực tuyến:

– NCBI (The National Centre for

Biotechnology Information)

– EMBL (European Bioinformatics Institute)

– TIGR (The Institute for Genomic

Research)…

• Các dự án về giải mã bộ gene người

(Human genome project-HGP)

29

trên thế giới

• Là những nơi chứa 1 lượng lớn các thông

tin về sinh học như các báo cáo khoa học,

cấu trúc chuỗi DNA, genome, protein,

– CIB –DDBJ (DNA Data Bank of Japan)

– TIGR (The Institute for Genomic Research)

– ExPASy (Expert Protein Analysis System)

Ngân hàng dữ liệu protein quốc tế

• Nơi cung cấp các kết quả nghiên cứu

protein và các dữ liệu cấu trúc sinh học

phân tử gồm 4 phòng nghiên cứu lớn

– PDP-RCSB (Mỹ) www.rcsb.org/pdb

– EMBL-EBI (Châu Âu) www.ebi.ac.uk/msd

– PDBj (Nhật Bản) www.PDBj.org

– BMRB (Mỹ) www.bmrb.wisc.edu

30

KẾT LUẬN

• Tin sinh học cơ bản là nơi tìm kiếm các

kỹ thuật và phương pháp di truyền và sinh

học phân tử mà trong đó máy tính có thể

hữu ích cho các phương pháp di truyền kỹ

thuật cao

• Các ứng dụng của tin sinh học trong

nghiên cứu khoa học và thực tiễn

• Các ngân hàng dữ liệu trên thế giới

Challenges in Bioinformatics

• Tin sinh học đòi hỏi:

– Truy nhập vào được nhiều nguồn phân tán (Access

to multiple distributed resources)

– Cần thông tin được cập nhật (Needs information to

– Monolithic App vs Components

– Các phần mềm chuyển tải được (Portable software)

31

Challenges in Bioinformatics

Bùng nổ thông tin

• Cần phân tích được nhanh, tự động để xử lý được

lượng thông tin lớn

• Cần tích hợp được nhiều kiểu thông tin khác nhau

(sequences, literature, annotations, protein levels,

RNA levels etc…)

• Cần các phần mềm “thông minh hơn” để nhận biết

được các quan hệ quan trọng trong các tập dữ liệu rất

lớn

Thiếu các “nhà tin sinh học” (“bioinformaticians”)

• Phần mềm cần dễ truy nhập, dễ dùng và dễ hiểu hơn

• Nhà sinh học cần học phần mềm, thấy hạn chế của

chúng, và cách giải thích kết quả của chúng

Con đường tin sinh học

“It’s not the strongest, nor the most

intelligent, but the species most

adaptable to change has the best

chance of survival”

- Darwin -

32

KIẾN THỨC CẦN NHỚ

Các định nghĩa về tin sinh học, các ứng

dụng tin sinh học trong CNSH

Lịch sử tin sinh học bắt nguồn từ khi nào?

Thế nào là hệ gen học (genomics)? Các hệ

gen học cơ bản trong nghiên cứu?

Các công cụ và kỹ năng cần thiết cho tin

sinh học?

Nêu các lĩnh vực ứng dụng của tin sinh

học?

KẾT THÚC CHƯƠNG I

33

TEA-BREAK