Datum vypracování: 2004-10-21



Download 0.52 Mb.
Page1/8
Date18.10.2016
Size0.52 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8
 R00063-Bioinformatika 

Rešerše: “Bioinformatika.”

Datum vypracování: 2004-10-21


Požadavky:

Bioinformatika. Informace o semináři Bioinformatika II na Invexu 2004. Obecné informace o bioinformatice. Přístupy k datům. Firmy zaměřené na software s linkami na ně. Informace o projektu "Blue gene" společnosti IBM, aplikaci HP AlphaServer v projektu "GeneProt" a o projektu skupiny "SUN - Computational biology". Údaje z databází UK Oxford, Cambridge a Institutu neurologie univeristy Londýn. Údaje z databáze Dialog. 

Klíčová slova:

Bioinformatika.“

Bioinformatics.“

Blue gene.“



Invex 2004-Bioinformatika II-seminář:

Bioinformatika II Metody, technologie a software
Místo konání: pavilon E, Press Center
Organizátoři: Přírodovědecká fakulta – Masarykova univerzita v Brně, Veletrhy Brno, a.s.
Odborný garant: prof. Jiří Damborský
Popis:
Druhý ročník odborného sympozia za účasti zahraničních vědeckých kapacit na téma inspirující pro budoucí rozvoj informatiky se mimo jiné zaměří na aplikovatelnost vědeckých poznatků v praxi.

Na stránskách www.muni.cz najdete kontakt odborneho garanta seminare pana
doc. Mgr. Jiří Damborskeho, Dr.

doc. Mgr. Jiří Damborský, Dr.


Fakulta/Ústav Přírodovědecká fakulta
Katedra/Oddělení Národní centrum pro výzkum biomolekul
Kancelář pav. 07/02001 (Kotlářská 2, 611 37 Brno)
Telefon 549 49 3467
Fax 549 49 2556
E-mail
jiri@chemi.muni.cz
WWW Home Page
http://ncbr.chemi.muni.cz/~jiri/

Na stránkách http://www.cba.muni.cz/projekty/bioinformatics/program.htm


najdete program semináře Bionformatika II.

Program:


13:00*

13:00-13:05

Jan Žaloudík and Milan Gelnar : Welcome

13:05-13:50

Janusz Bujnicki, International Institute of Molecular and Cellular Biology, Warsaw, Poland (EMBO Young Investigator Lecture): Metaservers and Frankenstein's Monsters: Protein Structure Prediction by Consensus Fold Recognition and Assembly of Fragments

14:00

14:00-14:25

Jan Pačes, Institute of Molecular Genetics: Bioinformatics: What Can We Do with Genomes in Computers?

14:25-14:50

Matej Lexa, Masaryk University: Weak Similarity in Biological Sequences: Rapid Approximate Word Searches and Their Use to Identify Structural Features in Protein Sequences

14:50-15:15

Martina Réblová, Botanical Institute: Phylogenetic Analysis: Methods and Principles for Constructing Phylogenies


15:15

coffee-break, poster session, software demonstrations



16:30

16:30-16:55

Jiří Vondrášek, Institute of Organic Chemistry and Biochemistry: Structural Bioinformatics: How Far We Can Go from an Amino Acids Sequence

16:55-17:20

Petr Hořín, Veterinary and Pharmaceutical University: Genomic Approaches in Analysis of Complex Traits: Example of Innate Immunity

17:20-17:45

Ladislav Dušek, Centre of Biostatistics and Analyses, Masaryk University: Multidimensional Data Sources in Current Biology and Medical Sciences: How to Get Information Effectively?

17:45

17:45-17:55

Closing discussion

17:55-18:00

Jiří Damborský: Closure

* presenting authors are kindly requested to be at the lecture room 40 min before beginning of the meeting to check their presentations, mount posters and install software.


Obecné informace o bioinformatice:

Bioinformatika s pomocí počítačů řeší biologické otázky. Někdy modeluje procesy nebo stavy, někdy zpřístupňuje data ve formě databází, někdy něco předpovídá (například předpovídá/nalézá geny a jiné "elementy" uvnitř nukleotidové sekvence tvořící chromozóm). Dále třeba předpovídá funkci bílkovin obsažených v předpovězených genech (rozuměj kódovaných těmi geny), předpovídá struktury molekul a jejich interakce (třeba s nějakými dalšími molekulami), porovnává jednotlivé organismy mezi sebou na základě různých kombinací genů v nich obsažených a v neposlední řadě na základě sekvenční odlišnosti určuje míru jejich příbuznosti. A to tento výčet jistě není úplný. Krátce řečeno, odcizila ostatním biologickým oborům vše co souvisí s počítači.

Když jsem někdy minulý týden ve svém PocketPC četl článek z New York Times (ale možná to bylo z něčeho úplně jiného), hovořilo se v něm o velmi zajímavé věci. Článek pojednával o nutné obměně generací lidí, kteří hýbou současným Internetem. Hovořilo se v něm o něčem, co už tvrdím asi dva roky. Současný Internet rozhýbala řada nadšenců, lidí nebojících se riskovat, přijímat rozhodnutí. Ti jej doposud řídí a v mnoha případech jsou to spíše nespoutaní ďáblové, než lidé hovící administrativě, pořádku, plánům, podnikatelským záměrům a vůbec všem těm zdánlivě zbytečným věcem.

Jenže, v článku se hovořilo o dvou důležitých záležitostech. Tou první byla skutečnost, kterou možná mnozí "hybatelé" Internetem pociťuji na vlastní kůži. Jde o jakousi vyčerpanost, "vyhořelost", nedostatek onoho prvotního elánu, nadšení, jásotu, zběsilosti a živelnosti. Po nějakých těch dvou až šesti letech, které tito lidé věnovali Internetu, se jim už jaksi "nechce". Po celou dobu pracovali určitě víc než 8 a půl hodiny denně. Neznali víkendy, pracovali dlouho do noci. A v některých případech zbohatli, v některých případech nikoliv. Každopádně dokázali nemožné. Posunout Internet kamsi daleko dopředu.

Druhá důležitá věc, uvedená v onom zmiňovaném článku, ovšem musí přijít. Musí nastoupit armáda administrativně orientovaných "řiditelů" a "ředitelů". Musí nastoupit klasické způsoby podnikání. Běžné obchodní vztahy, běžné problémy, běžné postupy. Smlouvy, dohody, spory. Ona původní skupina lidí, kteří dokáží hýbat věcmi tam, kde původně nic není, se ovšem na tento cíl jaksi nehodí. Prostě na to nemají žaludek. Jsou to vizionáři, lidé kteří vymyslí, postaví, prosadí a přivedou v život něco, na co by si "běžný" člověk netroufl. Zhroutil by se totiž již v okamžiku, kdy by zjistil, kolik práce a prostředků je potřeba, aplikoval by standardní poučky a postupy, a pak odsoudil většinu projektů v zapomnění na dně temné zásuvky.

O čem se ale také náhodou v článku hovořilo, bylo něco uplně jiného. Článek byl pochopitelně "emerický", takže jedna z osob, patřících do kategorie "Internetových buditelů", se jaksi mezi řečí zmínila, že teď si vezme tak šest měsíců dovolené, naučí se konečně surfovat a řídit letadlo. A pak se možná vrhna na biotechnologie, že to je právě ten obor co bude "frčet". A k Internetu? Tam se prý už asi nevrátí.

Pak jsem, ke konci minulého týdne, narazil na další článek. News.com informoval o investici 100 milionů dolarů do biotechnologické revoluce. IBM je tím, kdo chce vrazit 100 milionů dolarů do vývoje produktů na pomoc vědcům zkoumajícím masivní množství dat majících (možná) vztah k chování genů a proteinů. A součástí investice je založení nové divize, věnující se právě vědám zkoumajícím život. A IBM není samo, článek v News.com upozornil, že podobné investice již proběhly od společností jako HP či Sun!

Co víc, jde o pokračování investic do tohoto odvětví - IBM již loni v prosinci investovalo (také 100 milionů) do Blue Gene (ach, má oblíbená modrá barva!) iniciativy. Součástí investice je i vybudování superpočítače schopného pomoci porozumět vytváření proteinů! A aby se vše zhodnotilo, IBM samozřejmě vytvořilo novou obchodní jednotku, ta prodává počítače a služby určené biotechnologii, zdravotnictví, farmaceutice, genetice a dalším podobným vědeckým odvětvím. Ona se totiž biotechnologie (a genetika) bez pořádného počítačového výkonu prostě neobejde (viz. třeba článek Dolování dat pomáhá vědcům)

Něco na tom tedy asi bude, že zrovna biotechnologie (přezdívaná ve zkratce biotech) může být právě tím oborem, kam prchnou ti správní vizionáři a buditelé. Což mi nedá nevzpomenout na stále se množící informace o (dalo by se i říci) aférách týkajících se právě biotechnologie. Patří sem notoricky známá klonovaná ovce Dolly, nedávné oznámení o uzavření projektu mapování lidského genomu, snahy o patentování genetických informací (horké téma v USA) a různé úvahy o využití genetického inženýrství (něco málo třeba v článku Balancování nad genetickou propastí).

Co vy na to?



Zdroje na Internetu:

Biotechnology@Yahoo!
Bio Online
BioSpace
National Biotechnology Information Facility
Biotech Chronicles
DNAPatent.com
SciWeb

Algoritmy pro biotechnologie: Od farmakogenetiky po sekvenování

Bioinformatika motivuje dodavatele hardwaru i softwaru k vývoji stále výkonnějších počítačů i chytřejších algoritmů. Jaká je ale podstata oněch výpočetně náročných úloh, od kterých se současně tolik očekává např. ve farmaceutickém průmyslu? V následujícím článku si představíme několik z nich.

Začít můžeme např. vyhodnocováním klinických a dalších testů, které jsou součástí cyklu vývoje léků. V podstatě se jedná o obyčejnou statistiku. Zajímavou však úlohu činí skutečnost, že neexistují pouze látky účinné a neúčinné, ale také léky působící pouze za určitých podmínek nebo u určitých skupin obyvatelstva. Informatika pak musí dodat nástroje, které dokáží v ohromných souborech dat vyhmátnout na první pohled unikající souvislosti.

Léky šité na míru

Příkladem je třeba kauza léku BiDil, který je určen na srdeční choroby (podrobněji referoval např. server Osel.cz, viz http://www.osel.cz/index.php?obsah=6&clanek=843).


V 80. letech byl tento preparát testován, avšak jeho účinnost na obecnou populaci se nepodařilo prokázat a k výrobě léku nedošlo. Teprve díky nové analýze tehdy dat "po jednotlivých skupinách", kterou provedli informatici americké firmy Nitro Med, se ukázalo, že látka dává nadějné výsledky u Afroameričanů, prakticky neúčinná je však u bílých. Následné klinické testy tento rozdíl potvrdily a výsledkem je tak první lék určený pro konkrétní populaci. BiDil se nyní nachází ve fázi schvalování.
Lék pro konkrétní populaci je samozřejmě jen prvním krokem, protože se stále jedná o hodně hrubé měřítko. V budoucnu se ale předpokládá medicína ušitá na míru přímo konkrétním jedincům v závislosti na analýze jejich genetické informace. Už nyní dává medicína dělící se podle jednotlivých populací šanci různým izolovaným skupinám a menšinám, které se od "obecného vzorku" značně odlišují a často trpí specifickými chorobami. Kromě velkých, plošně působících farmaceutických koncernů se předpokládá také vznik malých biotechnologických firem zaměřených právě na vývoj léků pro takové konkrétní skupiny/populace. Podobný scénář alespoň zazněl na jarním setkání First Tuesday, které bylo věnováno právě biotechnologiím.
(podrobnosti http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/9DA53EA026ECDF20C1256EA70037B88B?OpenDocument&cast=1)
Většina výše popsaných problémů patří z informatického hlediska do kategorie získávání znalostí z dat.

„Tato koncepce se označuje jako farmakogenomika a věští se jí světlá budoucnost. Vývoj nového léku je bohužel náročný a drahý a farmaceutické firmy nejsou dobročinné organizace. Musejí vydělávat a to znamená, že se jim nemalé investice musejí vrátit. To značně omezuje vývoj léků, které by působily jen na malé skupiny lidí – Afroameričané jsou v tomto směru populace dosti početná a relativně movitá. Potenciální trh s lékem pro opravdovou menšinu by byl příliš malý. Prozatím se dá proto počítat spíše s tím, že lékaři budou na základě výsledků výzkumu ve farmakogenomice volit ze stávajících preparátů ty, u kterých bude pro danou skupinu obyvatel menší riziko nežádoucích vedlejších účinků,“ uvádí k tomu Prof. Ing. Jaroslav Petr, DrSc., který pracuje ve Výzkumném ústavu živočišné výroby v pražské Uhříněvsi a přednáší biotechnologie na České zemědělské univerzitě.



Ještě jeden názor na farmakogenetiku

Michael Storek,


biochemik firmy Compound Therapeutics,
storek@post.harvard.edu
"Mnohé začínající biotechnologické společnosti se před několika lety začaly zabývat farmakogenomikou. Myšlenka je poměrně prostá, stačí přečíst variace genetické informace (tedy DNA) pacienta a na jejím základě určit, zda daný lék pacientovi pomůže či zda mu hrozí vedlejší účinky. Tyto jednoduché principy se ale zatím nepodařilo přeměnit do komerčně úspěšných technologií. První problém představuje cena přečtení DNA. Ačkoli se technologie DNA sekvenování stále vylepšuje, přesto se cena čtení genů odpovídajících za účinek daného léku pohybuje ve stovkách dolarů. Velké farmaceutické firmy také nikdy nebyly farmakogenomice příliš nakloněny, neboť menší skupina pacientů by pro ně znamenala nižší tržby. Menší biotechnologické společnosti marně spoléhaly na spolupráci s farmaceutickými giganty a buď zkrachovaly, nebo rychle změnily obor podnikání.
Co bude s farmakogenomikou dále? Velká část výzkumu léků šitých na míru se nyní přesunula na univerzity. Farmaceutické firmy užívají farmakogenomiku ke “vzkříšení” léků, které během klinických zkoušek vykazovaly účinnost jen u části pacientů. Nezbývá než věřit, že klesající cena DNA sekvenování dovolí přečíst celý genetický kód pacienta a ten pak bude součástí jeho zdravotní karty - podobně jako je tomu dnes s informací o očkování."

Sekvence DNA

Již téměř klasickou úlohu z oblasti bioinformatiky představuje sekvenování, tedy "čtení" DNA písmenko po písmenku. Nejznámějším případem je samozřejmě projekt lidského genomu.


Bioinformatika pomohla především následujícím způsobem: Namísto čtení DNA písmenko po písmenku se nyní postupuje v zásadě tak, že dojde k namnožení molekul DNA, jejich následnému náhodnému sestříhání a pak k softwarové analýze překryvů, z níž má být stanovena původní sekvence (Ve skutečnosti je to trochu složitější, uplatní se také schopnost DNA přepisovat se do RNA - zřejmě nejpoužívanější je v tomto případě metoda tzv. estů, se kterou přišel bývalý ředitel firmy Celera Craig Venter, zřejmě nejznámější postava z celého projektu lidského genomu. Princip však zůstává stejný. - podrobnosti viz např.
http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/7B352C62F13B62D4C1256E970048FADD?OpenDocument&cast=1
http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/E237DD7AF94ADBDDC1256E970048FAD5?OpenDocument&cast=1).

Popsaná úloha vypadá triviálně, je však třeba si uvědomit, že před sebou máme řetězce dlouhé miliardy písmenek. Samozřejmě, že úlohu můžeme "řešit" prostě tak, že veškeré existující rozstříhané sekvence složíme lineárně za sebe. Takový výsledek bude vyhovovat zadání v tom smyslu, že uplatníme všechny sekvence - my jsme ale DNA stříhali a potřebujeme samozřejmě najít překryvy. V úloze jde vlastně o to, že hledáme nejkratší řetězec vyhovující všem podmínkám, minimum v obrovském stavovém prostoru. Po stránce algoritmu má úloha blízko ke známému problému obchodního cestujícího.


Kopírování DNA navíc neprobíhá se 100% účinností, dochází při něm k chybám. Úkolem algoritmu je proto najít nejspíše nejpravděpodobnější sekvenci. A zbývá dodat (což platí v bioinformatice velmi často), že aby se na problému mohly podílet výzkumné týmy z celého světa, je třeba jej efektivně paralelizovat.
„Bez pokroku v počítačové technice by pokrok v genomice rozhodně nenabral takové tempo, jakého jsme svědky," vysvětluje Jaroslav Petr. "Čtením sekvencí DNA ale úloha počítačů v genomice nekončí. Počítače nám pomáhají pochopit, co je v genomu vlastně zapsáno. Zcela samostatný problém představuje hledání genů. Ty tvoří jen zlomek z celého genomu – u člověka asi 1,5 %. Dnes máme k dispozici algoritmy, které umějí geny ze záplavy písmen genetického kódu vyhmátnout. Dejme tomu, že takhle najdeme v lidském geonomu gen a chceme vědět, k čemu je dobrý. Jedna z možností, jak najít odpověď na tuhle otázku, je najít pomocí speciálního softwaru v rozsáhlých databázích obdobný gen u jiného živočicha, např. u myši. Myš pak můžeme podrobit experimentu, při kterém je vybraný gen vyřazen z funkce a vědci sledují, co takto postižené myši chybí. Odtud je už jen krůček k identifikaci příčiny dědičných chorob a hledání léku proti nim. Přiznejme si ale, že stávající algoritmy umějí dobře hledat pouze "typické" geny. Vůči genům, které by se vymykaly tomu, co o genech zatím víme - a které by proto byly nejspíš úžasně zajímavé - mohou být současné algoritmy slepé.“

Proteiny

Klíčovou proceduru, která by mohla výrazně zefektivnit vývoj léků, představuje počítačové modelování 3D struktury proteinů. Právě 3D struktura má přitom těsný vztah i k biologické funkci.


Připravit protein laboratorně a pak zkoumat jeho účinky je nákladné a časově náročné - mnohem účinnější je použít modelování "in silico". Jako vstup máme pouhou sekvenci proteinu (tedy pořadí aminokyselin), z níž bychom se měli postupně naučit odhadovat prostorovou strukturu i biologickou funkci. Vlastní laboratorní testování by pak probíhalo pouze na molekulách, které už byly počítačově předvybrány.
Celý problém je přitom komplikován tím, že tvar a funkce proteinu závisejí na "písmenkách" různých aminokyselin v různé míře - někdy stačí záměna jediné aminokyseliny k tomu, že vznikne nefunkční protein, jindy změny nemají nijak zřetelný dopad a kód vykazuje značnou redundanci. Funkčně odpovídající protein můžeme také často sestavit ze zcela odlišných řetězců aminokyselin.
Spíše než analýza sekvence proteinu písmenko po písmenku se proto uplatňuje rozpoznávání obecnějších struktur, tzv. vzorů. Do kategorie rozpoznává vzorů, tedy na samé pomezí umělé inteligence, patří přitom i řada úloh v oblasti genomiky (více např. článek DNA bojuje proti spamu
http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/pocitace/352C372DF858F4FFC1256EF600533709?OpenDocument&cast=1).
V této souvislosti může být zajímavé, že pro rozpoznávání vzorů byl již navržen také efektivní kvantový algoritmus (podrobnosti článek Kvantové rozpoznávání obrazů
http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/C27175EFCA2B2CFBC1256E970048FF68?OpenDocument&cast=1).
Dejme opět slovo Jaroslavu Petrovi: „Vědní disciplína zvaná proteomika – tedy věda o bílkovinách v organismu – prožívá v současné době boom. Velmi zajímavé jsou případy, kdy protein mění své trojrozměrné uspořádání bez toho, že by se měnilo jeho aminokyselinové složení. S novým tvarem získá protein i nové vlastnosti. To je případ tzv. prionů čili proteinových infekčních částic, jež vyvolávají smutně proslulé choroby, jako je BSE u skotu nebo Creutzfeldt-Jakobopva choroba lidí. Tyto choroby vznikají vlastně „zašmodrcháním“ bílkoviny, která je nám vlastní a ve svém původním tvaru nám nijak neškodí. Studium takových prostorových přesmyků se zdá být důležité nejen pro studium chorob, ale i pro pochopení normálních funkcí našeho těla. Velmi podobné „šmodrchání“ jiné bílkoviny se v našem mozku významně účastní ukládání informací do paměti."


model struktury prionu

Kladistika

Kladistické analýzy bývají využívány především v evoluční biologii. Zhruba řečeno v nich vycházíme z toho, že jednotlivé druhy se od sebe postupně oddělovaly známým "stromečkem". Jak ale určit konkrétní průběh onoho větvení?


Představte si, že máme např. člověka, sysla a slona. Jak stanovit stromeček? Jaký z těchto druhů se od společného předka odštěpil jako první? (Jinak řečeno: Má např. člověk blíže k syslu nebo ke slonovi nebo je od obou vzdálen stejně? Poslední verze by platila, pokud by se nejdříve oddělil předek člověka a až potom předek sysla od předka slona.)
Kladistika funguje tak, že vybere nějaké znaky (vcelku lhostejno, zda jde přitom o sekvence DNA nebo třeba o stavbu očí) a organismy podle nich srovnává. Výsledkem je pak např. mnohorozměrný prostor plný nul a jedniček - to za předpokladu, že u každého testovaného organismu rozlišujeme pouze to, zda daný znak má nebo nemá.
Úloha má v principu opět nekonečně řešení (mutace vznikají náhodně), my však opět hledáme nejúspornější cestu grafem - minimum stavového prostoru. Ptáme se prostě, jakým nejmenším počtem větvení a kroků-mutací se můžeme dostat k existující diverzitě.
Jakmile pro nějaký (obvykle hodně velký) soubor znaků stanovíme vývojový stromeček, vybereme si znaky jiné a provedeme srovnání znovu. To, co nás především zajímá, je především stabilita jednou utvořeného stromu. Pokud nám pro jiné znaky vyjde stejný strom, pak jsme evoluční události zřejmě zaregistrovali správně.
Kladistika vede k závěrům, které příliš neladí s tradiční biologickou taxonomií, jak se učí na základních a středních školách. Vyjde nám totiž například to, že latimerie (ryba stojící blízko předkům obojživelníků) je vlastně příbuznější člověku než kaprovi, takže celá skupina "ryby" nemá z evolučního hlediska žádný smysl. (Na vysvětlenou: Stromeček v tomto případě probíhal tak, že nejprve došlo k oddělení předka kapra a až později se oddělil předek člověka a předek latimerie.) Zájemce o podrobnější popis kladistických metod lze odkázat např. na knihu Jak se dělá evoluce (Jan Zrzavý, David Storch, Stanislav Mihulka: Jak se dělá evoluce, Paseka, Praha, 2004, úryvky z knihy můžete dohledat i na Science Worldu).
V kladistice ovšem nejde pouze o tvorbu teoretických konstrukcí a vývojových stromečků. Je důležité např. vědět, jak blízko mají jednotlivé organismy k člověku a identifikovat podobnosti i odlišnosti metabolických procesů - třeba v případě testování nových léků na zvířatech nebo při pokusech používat zvířata pro pěstování transplantátů určených lidským pacientům.
Profesor Jaroslav Petr uvádí v této souvislosti následující zajímavost: „Podobnými metodami bývá hledán i obraz hypotetického prapředka všech stávajících organismů na Zemi (LUCA –last universal common ancestor). Je to zapeklitá práce, protože všechny procesy, kterými tento dávný prapředek všech dnešních živých tvorů vznikl, jsou zastřeny nespočtem následných změn dědičné informace každého z jeho potomků. Navíc se zdá, že jednoduché mikroorganismy si mezi sebou handlovaly geny tak čile, že pro ně představa stromu, který se větví, ale už nikdy nesplétá, prostě neplatí."
Podrobnosti viz článek Hledá se první buňka
http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/5EAF67184C501F09C1256EAF004BB31D?OpenDocument&cast=1

Jazykové stromečky

Následující aplikace je od vlastní bioinformatiky poněkud odlehlá, nicméně dobře ukazuje, že některé jednou vzniklé algoritmy mají mnohem obecnější uplatnění.


Podobně jako dochází k větvení druhů, větvily se v minulosti také jednotlivé jazyky. Situace je v tomto případě samozřejmě složitější o to, že jednou vzniklé jazyky nejsou oddělené úplně pevně, mísí se a dochází mezi nimi nadále k přebírání slov i gramatických pravidel. Podobné výpůjčky nebyly ovšem především v minulosti nijak časté, a proto i v případě jazyků umíme na základě kladistických analýz konstruovat naše oblíbené stromečky. Opět platí, že výstupem z programu může být např. určitý konkrétní strom. Posléze změníme kritéria/vstupní data a analyzujeme stabilitu získaného stromu. Pokud dostaneme stejný strom např. po srovnání osobních zájmen jmen rodinných příslušníků, naše výsledky to činí výrazně věrohodnější.
Kladistické analýzy byly prozatím použity především pro hledání geneze indoevropských jazyků. Výsledek podobných pokusů je zajímavý nejenom pro lingvisty, ale hodně také vypovídá o průběhu pravěkých migrací (poskytuje nám informace nejenom o tom, jak určité události probíhaly, ale také kdy k nim došlo). Nasnadě je kombinace takto získaných poznatků s historickým a archeologickým bádáním.
Podrobnosti např. v článku Evoluce jazyků a pravěké migrace
http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/D741AB35B059C852C1256E970049223D?OpenDocument&cast=1

DNA jako počítač

Speciální kapitolou bioinformatiky jsou pak také tzv. DNA počítače a DNA čipy, kterým jsme se věnovali na Science Worldu již opakovaně, naposled v článku DNA počítače odhalí nádorové buňky.


http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/2132140648ADD43DC1256E9700492310?OpenDocument&cast=1




Prof. K. R. Bruckdorfer Key Publications

Signalling Pathways and Reactive Oxygen and Nitrogen Species in the Vasculature


The cells of the artery wall regulate of the rate of blood flow, platelet activity and the formation of thrombi.These important functions may be disrupted in diseased arteries, leading to increased risks of thrombosis. Much of the work in our group is centred around the functions of these arterials cells and platelets, investing both the basic biochemistry and clinical manifestations of these phenomonena.

One key areas of research concerns the gas nitric oxide, which is biosynthesised from L-arginine in both endothelial cells, platelets and macrophages. Nitric oxide relaxes smooth muscle cells and inhibits platelets activation. We have been interested particularly in the interactions of nitric oxide with reactive oxygen species such as hydrogen peroxide and superoxide anions. The latter react with NO to form peroxynitrite which in turn modifies proteins by nitration of tyrosine residues. We have shown already, in platelets, that nitration of platelets is a naturally occuring phenomenon. Nitration is clear important in pathological tissues e.g. there is a large accumulation of nitrated proteins in atherosclerotic lesions. We have also found that there may be mechanisms by which the nitro group may be removed. This may be of relevance to tyrosine phosphorylation mechanisms in cell activation and inhibition, since we have preliminary evidence that nitration may block some of the phosphorylation sites, at least transitorally.

The aim of the projects in this area would be to investigate the role of nitration in tyrosine signalling mechanisms in platelets and the endothelium.

Other projects concern the role of tissue factor, best know as the initiators of the soluble coagulation cascade. Tissue factor, a transmembrane glycoprotein, has other roles in relation to cell proliferation and development of blood vessels via signal transduction mechanisms. We are currently interested in the mechanism by which tissue factor, particularly its cytoplasmic domain, can interact with known signalling mechanisms.



Prof. S.J. Perkins Key Publications

Molecular structures of proteins in infection, inflammation and immunity


Protein structural studies are central to many biochemical and molecular biology investigations in molecular medicine. Three-dimensional structures are invaluable for diagnosis of disease-causing mutations or development of rational strategies for therapy. There is a long tradition of protein structural work in our laboratory at the Royal Free, where we work with antibody and complement proteins. We also collaborate with clinical biochemists and molecular biologists on-site in Hospital Departments who use protein structures to visualise their projects. So our working environment is diverse and stimulating. Possible projects on offer are:

(1) Structural determinations of the antibody classes and their interactions with receptors: the different forms of IgA. There are five antibody classes. Monomers and dimers of immunoglobulin IgA are extremely abundant in body secretions, yet their structures are poorly known. In addition IgA forms a number of important complexes with secretory component and with IgA alpha-receptors. We are using a range of technologies to determine protein structures at medium resolution using a novel methodology based on synchrotron X-rays at Daresbury (Cheshire), neutrons at the Rutherford (near to Oxford) and the ILL (Grenoble, France), and an analytical ultracentrifuge in our laboratory. We then use protein structure modelling methods performed on a cluster of modern Silicon Graphics Workstations using molecular graphics to determine the structures. The antibody structures will be correlated with the unique immunological role of IgA, possibly by additional experimentation in collaboration with our collaborators at Ninewells Hospital in Dundee. Related projects on offer may include work with the IgG and IgD classes, and with the antibody receptors themselves using the same technology. See Boehm et al (1999) and Perkins et al (1998).

(2) Expression and NMR or crystallographic structure determinations of complement proteins important in inflammation: factor B and properdin. The components of the complement system provide a major non-adaptive immune defence mechanism for its host. These are activated in response to the challenge of foreign material in plasma. Complement activation proceeds through a series of limited proteolytic steps in one of three pathways, the alternative, the classical and the lectin pathways.

The serine protease factor B plays a key role in the alternative pathway of activation and control of complement. Once the central protein C3 is activated, it forms a complex with factor B (C3b.FB) which is activated to form C3b.Bb, a protease which activates more C3, and enhances C3 deposition to promote opsonisation. We have made progress towards understanding the unique functional role of the five domains in FB data by a combination of molecular biology expression studies, NMR and crystallographic approaches, and projects are available in these areas.

Human properdin is an essential regulator of the activation of the alternative pathway, as it stabilises the complex between C3b and factor B. It contains a novel small thrombospondin type I repeat domain, the second most abundant domain type in complement, which occurs in many other multidomain proteins. Its molecular structure is wholly unknown. We have successfully over-expressed five TSR domains of properdin and obtained high-quality NMR spectra. There are chances to determine the molecular structure of several of these domains in order to describe the full structure of properdin using an appropriate combination of multinuclear NMR and protein crystallography in the first instance, followed by X-ray and neutron scattering and analytical ultracentrifugation. See Hinshelwood et al (1999).

(3) Molecular modelling of mutation sites in proteins. Bioinformatics strategies and protein homology modelling are invaluable tools to help interpret a rapidly increasing database of known natural human genetic mutations that result in dysfunctional proteins. We work with several Departments to examine these, most notably the Haemophilia Unit at the Royal Free Hospital, one of the three largest in the UK, where many patients reveal novel mutations in their blood coagulation proteins. Other relevant proteins include membrane proteins and developmental proteins. The significance of these mutations is not clear without performing molecular biology expression work to test the behaviour of the mutant proteins, in combination with structural studies to decipher the effect of the mutation on protein folding or activity. Projects on offer will include the development of an integrated database using bioinformatics technology for interrogation in order to interpret these mutations and those yet to be identified, as well as appropriate wet lab work. See Jenkins et al. (1998).



Dr. K. Srai Key Publications
Summary of research interests
i) Nutrients and gene regulation
ii) Iron transport across cellular membranes in relation to Iron deficiency and hereditary haemochromatosis
iii) Absorption and metabolism of polyphenols and flavonoids
iv) Glucose metabolism and Diabetes
v) Functional and molecular characterisation of renal purinergic receptors in health and disease.
Molecular Basis of Iron Homeostasis in Health and Disease

My group together with Professor Robert Hider and his colleague at KGT, Kings College and Professor John Porter at Royal Free and University College Medical School have been awarded a MRC co-operative group status. This award also includes two component grants. In addition to this I have project grants from The Wellcome Trust, EU, BBSRC, Sir Jules Thorn Charitable Trust and NKRF.(See Current Grants)


My research in the field of Iron metabolism can be grouped under the heading of Molecular basis of Iron Homeostasis in Health and disease. Aim: To define the genetic and molecular contribution to the control of body iron stores and cellular iron overload, and to provide the basis of the development of novel strategies for the better management and prevention of iron deficiency and iron overload.

Objectives: To characterise genes that are responsible for cellular iron trafficking and for intestinal iron absorption and regulation. To quantify genetic and environmental contribution to the control of body iron stores To quantify the influence of various plasma factors (which are altered as a result of iron deficiency, hypoxia, pregnancy and increased erythropoesis) on the control of intestinal iron absorption.

Background:
Iron is the only nutrient of which there is a known widespread deficiency in the UK, with up to 25% prevalence in certain sociodemographic groups ( including women of child bearing age, vegetarians and adolescent females). Conversely, primary iron overload (genetic haemochromatosis) is the most common genetic disorder in the UK. Treatment of iron deficiency in the population may increase the penetrance (currently low) of genetic haemochromatosis with toxic consequences. On the other hand, it is not known how genetic factors interact with the known variability of food-iron bio-availability to determine body iron stores. Gene cloning projects have recently identifies an array of genes that contribute to the mechanism and regulation of iron absorption.

The following projects will be running in parallel with the ultimate goal of achieving the above aims.

Project 1.
Molecular mechanism of iron transfer across the placenta: Immunohistochemical localisation and role of DCT1 (DMT1), Ireg1, and hephaestin in iron transfer across placenta.

( The Wellcome Trust Project grant :Sep 2000- Dec 2003; £ 220,000).


The aim of this study is to determine the molecular mechanism of iron efflux across the placenta into fetal circulation, in particular to determine the role of DCTI(DMT1), Iregl and hephaestin in this process.

Iron transfer in placenta can be considered in three stages, uptake across the placental microvillous border membrane, transfer across the placental cell and efflux into the fetal circulation. Iron uptake across the microvillous brush border is through transferrin receptor and receptor mediated endocytosis. Very little is known about transfer across the cell or the efflux of iron from the placenta into the fetal circulation. Recently however, there have been several different discoveries (cloning of divalent cation transporter DCTI (DMTI), cloning of Iregl and caeruloplasmin homologue, Hephaestin), which may provide information necessary to elucidate the mechanism of iron efflux across the placental basolateral membrane.

Hypothesis: DCTI (DMTI) and or lregl is localised to the basolateral membrane and involved in the efflux of iron into fetal circulation. This is co-localised with hephaestin" which oxidises ferrous to ferric iron prior to its binding to transferrin in the fetal circulation.

Sub-cellular localisation of DCT1 (DMTI), Iregl and Hephaestin will be investigated using antibodies raised against synthetic peptides. Once localisation of these proteins has been determined, regulation of these proteins by dietary iron and their involvement in the regulation of iron transfer across placenta, particularly efflux across the basolateral membrane, will be determined.

Rats will be used to study the effect of decreasing dietary iron on the regulation of DCTI (DMTI), Iregl and Hephaestim. BeWo cells in culture will be employed to study the effect of iron deficiency on transfer of iron across the placenta and its regulation in relation to expression and localisation

The information obtained from these studies will be used to devise iron supplementation regime for pregnant mothers in order to prevent iron deficiency in both the mother and the child.

Project 2:
The molecular regulation of iron absorption with reference to the defect in haemochromatosis Dr SKS SRAI (Sir Jules Thorn Charitable Trust Project Grant: Nov 1999 - Oct 2001: £82,000) (MRC Grant under consideration) Dr SKS Srai, Dr A Bomford, Dr R Simpson & Dr E Debnam) The mutation for hereditary haemochromatosis (HH) is the commonest genetic abnormality in people of Northern European descent. The recent cloning of HFE, the gene for HH, has not yet led to an increased understanding of the molecular defect, which is expressed as increased iron absorption from a normal diet, because

1. regulation of absorption of dietary iron under normal conditions is not understood and the role of wild type HFE in the process is unclear.

2. evidence for mechanistic linkage between HFE and the genetic component of the mucosal iron transport pathway are lacking.

Plan: Information on the function and the regulation of the mucosal iron transport pathway is urgently needed. We propose a detailed genetic and functional analysis of the component of this pathway in HH using information on novel genes derived from an initial study by our group, of inbred mouse strains with well characterised defects in mucosal iron transport. This initial study has led to the cloning of ferric reductase in the apical membrane of the villus enterocytes and in the basolateral membrane, transporter which is responsible for iron efflux. Gene expression studies at the mRNA and protein levels using duodenal tissue samples will be performed together with in situ techniques to obtain information on localisation of transcript along the crypt-villus axis. These results should permit further analysis of how individual genes in the iron transport pathway are regulated.

Project 3:
Molecular mechanisms involved in the dietary regulation of DMT1 expression in human intestinal epithelial cells Dr SKS Srai (RF&UCMS) & Dr P Sharp (Surrey University){ BBSRC Joint Project Grant Oct2000 - Sep2003: £189,444)
The nutritional significance of maintaining adequate dietary levels of the transition metals iron, zinc and copper is clear due to their essential role in a plethora of biochemical events in the body. This is confirmed by the large number of pathologies associated with imbalances in metal ion homeostasis. There is good evidence, from studies on animals and cell lines, that dietary levels of individual metals can influence the absorption and utilisation of others. Our study, using the Caco-2 TC7 cell model of human enterocytes, will investigate the biochemical basis for these dietary interactions and will focus on the putative metal ion transporter, DMT1. The data from this project will advance our knowledge of diet-gene interaction in regulating mineral metabolism at the cell and molecular level, and is thus relevant in understanding the underlying causes of metal ion deficiency and overload disorders.

The objectives of this work are to test the hypothesis that DMT1 acts as a divalent metal ion transporter in human enterocytes and that its activity can be regulated by dietary levels of nutritionally important trace metals. This hypothesis will be tested using the Caco-2 TC7 cell model of human small intestinal enterocytes and the work will address the following issues:

1. Functional measurement of metal ion transport in Caco-2 TC7 cells in response to chronic adaptations (10 days) in dietary levels of iron, zinc or copper.
2. Effect of these dietary changes on the expression of the putative metal ion transporter, DMT1, at the protein (western blotting) and mRNA (RT-PCR) level.
3. Cellular distribution of the two splice variant of the DMT1 gene, following dietary metal ion manipulation, using confocal microscopy.
4. The molecular events underlying changes in DMT1 homeostasis, focussing on the 5' promoter region of the gene and in particular the role of the 5 metal response elements, using luciferase reporter gene assays.
The role that DMT1 plays in the transport of iron, zinc and copper using site directed mutagenesis and the Xenopus oocyte expression system.

Project 4: Evaluation of the safety and efficacy of iron supplementation in pregnant women.

European Commission Framework V Grant (Feb 2000 - Jan 2003) £1,101,077 with eight other partners. Dr Srai (RF&UCMS) & Dr McArdle's (The Rowett Research Institute) share £194,917 for 1 RA1B and 1 PhD student.

Iron deficiency is common and can have harmful effects on the mother and her foetus. Anaemia is therefore always treated with iron supplements. However levels given vary widely and there is a Growing concern about the risks associated with iron overload. Since iron can generate free radicals, and interact with other nutrients, assessment of supplementation in pregnant women is essential. Volunteers will be given two levels of iron with in the range given clinically, or a placebo, and the effects of parameters such as oxidative stress, cardiovascular well being, zinc and copper metabolism will be measured. We will study treatment directly in patients with ileostoma, identifying the cause of GI upset. We will measure the effects on babies at term, on placental function and on expression of different genes in supplemented rats and cultured cells, to elucidate the molecular basis of the change and a rational basis for supplementation.

Project 5: Haem metabolism and control of intestinal iron absorption. Dr SKS Srai (RF&UCMS) & R Simpson (King's College, KGT) {MRC project grant Oct 2000 - Sep2003; £171,241)

Background: Iron homeostasis is maintained primarily by controlling intestinal iron absorption of dietary iron. Alterations in body iron levels (deficiency/overload) are often associated with important and clinical consequences. The mechanism and regulation of the absorptive process is however, unclear. Modifications in haem biosynthesis in animals and human (experimental/accidental/ genetic) have been reported to induce changes in iron metabolism and iron absorption. The relationship between the two parameters is however, not well understood. We will investigate, at the cellular and molecular level, how dynamic changes in levels of haem and intermediates of its biosynthesis (particularly ALA) affect intestinal iron transport. These studies will help to further clarify the iron absorption regulatory process and elucidate changes in iron metabolism in certain porphria and haemoglobinopathies.

We will assay urinary ALA and phorphobilinogen output, urinary and biliary porphyrins, tissue haem levels and enzymatic activities in mice with altered iron metabolism (hypoxic, dietary iron deficient, hypotransferrinaemic, iron loaded). In addition, the effects of ALA administration on gene expression and iron absorption will be ascertained in these mouse models. We will study the mechanism by which ALA and other specific regents influence haem biosynthesis and iron transport in epithelial cells
MOLECULAR MECHANISM OF POLYPHENOL ABSORPTION, METABOLISM AND ANTIOXIDANT EFFECT
Dr SKS SRAI, Dr E DEBNAM (RF& UCMS) AND Prof C RICE-EVANS (Guy's Hospital, KGT) (BBSRC Project Grant Jan 2001 - Mar 2003; £118,000)
Professor Rice -Evans is the principal applicant
Gastrointestinal factors, influencing the metabolism and functional activities of dietary, plant polyphenols.

The importance of dietary antioxidants in the maintenance of health and protection from damage induced by oxidative stress, implicated in the risk of chronic diseases, is coming to the forefront of dietary recommendation and the development of functional foods. Recent work is beginning to highlight a role for flavonoid and polyphenolic component of the diet, known to be powerful hydrogen donating antioxidants and scavengers of reactive oxygen and reactive nitrogen species in vitro.


The purpose of this project is to elucidate the functional forms of diet derived flavonoids in vivo by investigating the gastro-intestinal factors influencing their metabolism and functional activities at various levels, namely pre--absorption events in the gastric lumen and the modification and metabolism they undergo in the small intestine. The antioxidant activities of the identified conjugates and metabolites will also be assessed.
MOLECULAR MECHANISM OF GLUCOSE TRANSPORT ACROSS INTESTINAL AND RENAL EPITHELIAL CELLS
DR SKS SRAI, DR ES DEBNAM AND PROF R UNWIN (The Wellcome Trust Project Grant, Sep2000 - Feb 2002; £72126)
Changes in renal and intestinal glucose transport in diabetes mellitus and control by glucagons: Involvement of protein kinase A and protein kinase C signalling pathways.
The intracellular processes involved in the control of renal and intestinal glucose transport are poorly understood. We have shown that both PKC and PKA- pathway are involved in the control of renal and intestinal brush-border glucose transport and that they differentially regulate GLUT (facilitated glucose transporters) and SGLT(sodium dependent glucose transporter) transporters, respectively. Aims of this project are:
1. To determine the role of protein kinase A (PKA) and protein kinase C (PKC) in controlling the expression and activity of the two classes of renal and intestinal transporters: GLUT (facilitated) and SGLT (Na+ coupled).
2. To define the relationship of these signalling pathways to the changes in renal and intestinal glucose transport that occur in insulin-opaenic diabetes mellitus, and in response to pancreatic glucagons
3. To establish the contribution of glucagon or glucagon like peptide receptors along the renal tubule and intestinal tract. The long term goal is to define the significance of altered renal tubular transport of glucose in diabetes to its renal pathophysiology.
FUNCTIONAL AND MOLECULAR CHARACTERISATION OF RENAL PURINERGIC RECEPTORS IN HEALTH AND DISEASE DR SKS SRAI, DR ES DEBNAM AND PROF ROBERT UNWIN ( Supported by Grants to Professor Robert Unwin from the NKRF, the Welcome Trust and the MRC )

Dr A.E. Michael Key Publications
Cellular & Molecular Endocrinology
Since joining the Department in 1991, Tony Michael and members of his team have been investigating cellular & molecular aspects of endocrinology. Although current projects include ongoing research into the control of renal function by adrenal steroids, the majority of research by this team is concerned with cellular aspects of reproductive endocrinology. Consequently, most of the members of Tony Michael's research team are also members of the interdisciplinary "Reproduction & Development Group" at the Royal Veterinary College (RVC) (London).
At present, there are 2 main research themes being investigated by the team: ·
- Metabolism of cortisol by isoforms of the enzyme 11ß-hydroxysteroid dehydrogenase (11ßHSD) ·
- Regulation of the expression and function of prostaglandin receptors by steroid hormones.
In a range of tissues, 11ßHSD converts the anti-inflammatory adrenal steroid, cortisol (hydrocortisone) to the inactive metabolite, cortisone. In the kidney, this enzyme activity is vital to deny cortisol access to non-specific mineralocorticoid receptors. The team are currently investigating physiological scenarios in which renal metabolism of cortisol is decreased so that cortisol can act in concert with aldosterone to control sodium, potassium, and acid-base balance. In the placenta, 11ßHSD acts as an enzymatic barrier, preventing cortisol from passing from the maternal circulation into the foetus. Ongoing research has demonstrated that maternal nutrient restriction decreases placental inactivation of cortisol, and that this decrease in 11ßHSD activity is associated with intra-uterine growth restriction ("small-for-date" babies): a phenomenon strongly implicated in increased risk of adult diseases (e.g. diabetes and cardiovascular disease).
The major focus of research into 11ßHSD is in the context of the ovary. Studies performed in the 1990's indicated a link between high rates of ovarian cortisol oxidation and failure of women to become pregnant through in vitro fertilisation (IVF). Research over the past 5 years has sought to explain this association, examining those endocrine, paracrine and intra-cellular factors that influence the expression and activities of specific 11ßHSD isoforms in the ovary. These are currently being investigated in a wide range of species.
As regards the actions of prostaglandins in the human ovary, these appear to be mediated via specific hepta-helical, G-protein-coupled receptors. In non-ovarian cells, prostaglandin E2 (PGE2) acts via at least 4 different isoforms of the EP receptor, whereas PGF2a acts via the FP receptor. Recently, the team has established that human ovarian cells, recovered from IVF patients, express functional EP1, EP2, EP4 and FP receptors. Current studies are investigating whether progesterone and oestradiol can affect either the expression of these receptors or their ability to couple to the cyclic AMP, inositol polyphosphate and calcium signal transduction pathways.
Team Members (Last Updated 01 October 2001)
Ms Christina (C) Chandras*
Dr Tracey (TE) Harris
Ms Kim (KC) Jonas*
Dr Tony (AE) Michael
Mr Dean (DP) Norgate
Dr Lisa (LM) Thurston
(*Graduate Student)
Current Collaborators
Dr D Robert E Abayasekara (RVC, London, UK)
Dr John Carroll (UCL, UK)
Professor John RG Challis (University of Toronto, Canada)
Dr Robert C Fowkes (St.Bart's, London, UK)
Dr Linda Gregory (University Hospital of Wales, Cardiff, UK)
Dr HJ (Lenus) Kloosterboer (Organon, Oss, Netherlands) Professor Andres Lopez-Bernal (University of Bristol, UK)
Dr S Kaila S Srai (UCL, UK)
Professor Paul M Stewart (University of Birmingham, UK) Professor Robert J Unwin (UCL, UK)
Professor D Claire Wathes (RVC, London, UK)
Professor Robert J Webb (University of Nottingham, UK)
Dr Peter J Wood (University of Southampton, UK)
Professsor Kaiping Yang (University of Western Ontario, Canada)

Přístupy k datům:

Bioinformatics Tools - www.Stratagene.com
Analyze pathways, gene expression data, protein and DNA sequences.

Software.






Bio IT & Informatics - bioteam.net
Honest, objective & vendor neutral clusters & pipelines our specialty
Partners in Life Science Informatics

Email:info@BioTeam.net


Tel: (978) 304-1222

 

BioTeam is a consulting collective dedicated to delivering vendor-neutral informatics solutions to the



life science industry. BioTeam principals Athanas, Dagdigian, Gloss, and Van Etten have been

jointly serving the biotech and pharmaceutical communities as a team for several years.

Individually they possess a broad spectrum of skills and experience from scientific analysis to high

performance technical computing infrastructures. Together they complement each other to provide

complete beginning-to-end life science informatics and Bio-IT solutions.



Download 0.52 Mb.

Share with your friends:
  1   2   3   4   5   6   7   8




The database is protected by copyright ©ininet.org 2020
send message

    Main page