Initiation à la bioinformatique Formation biologie moléculaire / bioinformatique Mercredi 20 mars 2013 Initiation à la bioinformatique

La bioinformatique. C’est quoi ? Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

La bioinformatique. C’est quoi ? Ensemble de méthodes, de logiciels et d’applications en ligne qui permettent de gérer, manipuler, et analyser des données biologiques. La bioinformatique met en jeu plusieurs champs disciplinaires : Informatique Mathématiques formelles Statistiques Biologie Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

La bioinformatique. Pourquoi ? Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

La bioinformatique. Pourquoi ? La bioinformatique a différents objectifs et différentes applications : 1-Collecter et stocker des informations dans des bases de données, accessibles en ligne. Explosion de la quantité de données biologiques nécessitant des outils de stockage adaptés Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

La bioinformatique. Pourquoi ? La bioinformatique a différents objectifs et différentes applications : 2-Fournir des outils de comparaison de séquences (protéiques ou nucléotidiques). Séquence de référence Séquence à analyser Identification ? Points communs ? Objectifs : -identifier une séquence par rapport à une base de données -déterminer le degré de similitudes entre deux séquences (intérêt en taxonomie) -repérer des motifs structuraux : -gènes, promoteurs, etc. pour un nucléotide. -zone de repliement, site actif, etc. pour un polypeptide. Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

La bioinformatique. Pourquoi ? La bioinformatique a différents objectifs et différentes applications : 3-Fournir des outils de traduction de séquences. Séquence nucléotidique Séquence polypeptidique Traduction Objectifs : -simplifier les taches de traduction -proposer plusieurs possibilités de protéines pour une même séquence -repérer exons / introns Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

La bioinformatique. Pourquoi ? La bioinformatique a différents objectifs et différentes applications : 4-Fournir des outils de prédiction Prédiction physiologique et fonctionnelle Prédiction expérimentale Objectifs : -repérer des sites de restriction -prévoir la digestion d’un nucléotide -prévoir / simuler la migration de fragments nucléotidiques ou protéiques lors d’une électrophorèse… Objectifs : -repérer un opéron -repérer un gène ou une protéine anormale -prévoir la structure 3D d’une protéine -repérer des mutations -prédire une pathologie… Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

La bioinformatique. Pourquoi ? Analyse de séquences Séquence nucléotidique Fonction biochimique Activité biologique Gène Protéine Prédiction / simulation expérimentale Biologie in silico Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

La bioinformatique. Quelques repères historiques… Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

Quelques repères historiques… Années 80 : - Début de la micro-informatique - Création des premières bases de données (GENBANK) Années 90 : - Développement de l’internet et des réseaux - Apparition des logiciels de comparaison de séquences (FASTA, BLAST) Années 2000 : Consultation libre en ligne des bases de données Mutualisation des données avec les projets de séquençages de génomes Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

Les bases de données Le cœur de la bioinformatique… Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013 Les bases de données Différentes catégories de bases de données : Bases de données bioinformatiques Bases généralistes -banque N -banque P Bases spécialisées Banques génomiques Banques fonctionnelles : -transcriptome -protéome -métabolome… Difficultés !! -Harmoniser le classement des informations -Utiliser un langage commun pour échanger des informations entre toutes ces bases Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013 Les bases de données Harmonisation des fiches de données Exemple de la fiche GENBANK d’un plasmide d’E.faecalis Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013 Les bases de données Harmonisation des fiches de données Suite de la fiche GENBANK d’un plasmide d’E.faecalis Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013 Les bases de données Harmonisation des fiches de données Fin de la fiche GENBANK d’un plasmide d’E.faecalis Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013 Les bases de données Harmonisation des fiches de données En résumé, une fiche comporte de nombreuses informations : Locus Identificateur (nom et taille de la séquence) Definition Description de la séquence Accession / version Numéro d’accès dans la base Keyword / Source / Organism / Reference / Authors / Title / Journal Informations diverses (taxonomie, publications…) Features Caractéristiques de la séquence / produits d’expression Origin Séquence (par blocs de caractères / par lignes) // Fin de l’entrée dans la base Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013 Les bases de données Format commun de manipulation des données : le format FASTA (Fast – alignment) Objectif : manipuler facilement des séquences dans les bases de données, à l’aide d’un format universel, compatibles avec les traitements de texte (sous forme de fichier texte), ou par copier – coller. Exemple de la fiche précédente du plasmide d’E.faecalis en format FASTA : Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013 Les bases de données Format commun de manipulation des données : le format FASTA (Fast – alignment) Remarques : -Les bases nucléotidiques ne référencient que des monobrins d’ADN (même si la séquence soumise est de l’ADN bicaténaire ou de l’ARN)  la séquence est toujours dans le sens 5’P – 3’OH -Les séquences nucléotidiques selon le degré de précision de l’enregistrement seront écrites le plus souvent avec A,T, C et G et/ou avec R,Y (base puRique A et G / base pYrimidique C et T) et/ou K,M (base Keto G et T / base aMino A et C). -Les bases protéiques sont référencées :  avec la séquence dans le sens N vers C terminal  avec le symboles d’acides aminés à 1 lettre Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

Principe de la comparaison de séquences La comparaison de séquences est l’outil central en bioinformatique : Repose sur des calculs matriciels ou des algorithmes complexes qui rendent des résultats sous forme de données statistiques (% match, score, e-value…) Logiciel d’alignement le plus connu = BLAST (Basic Local Alignment Search Tool) Alignement de séquences Score de similitude Démarche globale : Degré d’homologie Identification, prédiction de structure de propriétés, de fonction Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

Principe de la comparaison de séquences Principe du calcul des scores d’alignement : Exemple : Séquence de référence : AAA TTT GGG CCC Séquence 1 à analyser : AAA CCC GGG CCC Séquence 2 à analyser : AAA TTT CCC Alignement : AAA TTT GGG CCC AAA CCC GGG CCC Alignement : AAA TTT GGG CCC AAA TTT - - - CCC Non identité (mismatch) Non correspondance (gap) Score d’alignement = Somme des scores individuels (avec identité (match) = +2, non identité = -1 et gap -8) Score de la séquence 1: 2+2+2-1-1-1+2+2+2+2+2+2 = 15 Score de la séquence 2: 2+2+2-8+2+2+2+2+2+2 = 10 Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

Principe de la comparaison de séquences Principe du calcul des scores d’alignement : En pratique, plus le score d’alignement est élevé, plus les séquences sont similaires et présenteront des propriétés et des fonctions proches.  plus de 70% de similarité permettent d’affirmer qu’il y a homologie Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

Ou trouver les outils de bioinformatique ? Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

Où trouver les outils de bioinformatique ? Outils indépendants, autonomes, en accès libre via internet (soit à utiliser en ligne, soit à télécharger sous forme d’installeurs).  on les recherche par l’intermédiaire d’un moteur de recherche Portails de bioinformatiques, fonctionnant en ligne, et comportant plusieurs outils en accès libre ou payant.  Exemples : - EBI (European Bioinformatics Institute) http://www.ebi.ac.uk - NCBI (National Center for Biotechnology Information) http://www.ncbi.nlm.nih.gov Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

Où trouver les outils de bioinformatique ? Le portail EBI Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

Où trouver les outils de bioinformatique ? Le portail NCBI Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

Où trouver les outils de bioinformatique ? Le logiciel BLAST accessible depuis le portail Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

La bioinformatique. Pour quelles applications en STL ? Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013 Applications en STL ? Recherche de données bibliographiques Alignement d’une séquence inconnue pour identification Analyse d’une séquence à la recherche de zones fonctionnelles Calcul de Tm, recherche d’amorces, simulation d’électrophorèse Etude des propriétés physico-chimiques d’une protéine Modélisation tridimensionnelle Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

Exemple de scénario pédagogique Cas de toxi-infection : présence récurrente d’une protéine inconnue dans un aliment surgelé !! Identification après alignement avec une base de données Le gène correspondant à la protéine est-il connu ? Traduction protéine  nucléotide Le gène est retrouvé chez un taxon connu : on souhaite mettre en place une PCR afin de détecter la souche productrice dans l’aliment Prévision des amorces nécessaires On dispose du matériel pour réaliser la PCR, on veux maintenant, isoler le gène d’intérêt par électrophorèse Digestion de l’ADN par des enzymes de restriction et simulation de séparation par électrophorèse Initiation à la bioinformatique – 20 mars 2013

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