Palestra ministrada na Semana Acadêmica da Computação da Universidade Federal do Ceará (dia 17/08/2012)

1. Avanços e perspectivas
em Bioinformática
Semana Acadêmica da Computação
Leandro Lima – 17/08/2012
www.ime.usp.br/~llima

2. Quem sou eu
* Bacharel em Ciência da Computação
Universidade Federal do Ceará (2003-2006)
* Mestre em Ciência da Computação
Universidade de São Paulo (2007-2009)
* Doutorando em Bioinformática
Universidade de São Paulo (2011- ????)
Trabalhos atuais:
* Hospital AC Camargo – Centro Internacional de Pesquisa e
Ensino – Laboratório de Bioinformática e Bioestatística
* FMU – Professor do curso de Ciência da Computação

3. Sumário
- Um pouco de Biologia
- Informação biológica: gerar, armazenar,
analisar
- Genômica
- Sequenciamento de DNA
- Aplicações / análises
- Perspectivas / direcionamentos

4. Uma definição de Bioinformática
“Uso da Computação e Estatística
para gerar, armazenar e analisar
dados biológicos”

5. Um pouco de Biologia (I)
Gregor Mendel
("Ensaios com plantas
híbridas", 1865)

6. Um pouco de Biologia (II)
Watson e Crick e a
estrutura do DNA
(1953)

7. Um pouco de Biologia (III)
Imagem: http://pathology.jhu.edu/pc/BasicCauses.php

8. Dogma Central da
Biologia Molecular

9. Geração de informação biológica
Resultado da busca do site do NCBI (National Center for Biotechnology Information)

10. Geração de informação biológica
PubMed: catálogo dos artigos científicos
Taxonomy: classificação de organismos
Genome: sequências completas de genomas
Gene: informações de genes
GEO Profiles: perfis de expressão gênica
Protein: banco de sequências
SNP: variações genéticas curtas
PubChem: banco de estruturas e interações
químicas (drogas)

11. Exemplos de informações: gene BRCA1
(Homo sapiens)
Localização: 17q21 (41196312..41277500)
Tamanho: 81189 bases
Transcritos: NM_007300.3, NM_007294.3, ...
Interações: ABL1, MSH6, BRCA2, BRIP1, ...
Alterações comuns: rs8176320, rs12516,
rs34214126, ...
Vias metabólicas: reparo de DNA, ciclo celular, …
Sequência:
GTACCTTGATTTCGTATTCTGAGAGGCTGCTGCT
TAG...
Fonte: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/672

12. Mais um pouco de Biologia

13. Mais um pouco de Biologia

14. O genoma é toda a informação
hereditária de um organismo que
está codificada em seu DNA
Etapas de estudo:
(1) Sequenciamento
(2) Montagem (com ou sem referência)
(3) Anotação

15. ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ
Sequenciamento

16. ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ
Montagem

17. ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ
Anotação

19. Sequenciamento de DNA

20. Sequenciamento de DNA

21. Um pouco de História
Projeto Genoma Humano
iniciado em 1990 – “concluído” em 2003
Hoje (2012): 2 dias
para sequenciar
Tamanho do genoma
completo: ~3GB

22. Alguns tamanhos de genomas
- HIV (vírus): 9.7kb
- Haemophilus influenzae (bactéria): 1.8Mb
- Arabidopsis thaliana (planta): 157Mb
- Drosophila melanogaster (mosca): 130Mb
- Mus musculus (rato): 2.7Gb
- Homo sapiens (você): 3.2Gb
- Polychaos dubium (ameba): 670Gb

24. Alinhamento de sequências

25. Um exemplo usando
programação dinâmica
Alinhar as sequências
GAATTCAGTTA
GGATCGA

33. Resultado
G _ A A T T C A G T T A
| | | | | |
G G _ A _ T C _ G _ _ A
Score = 6

34. Outros estudos
- Single-nucleotide polymorphism (SNP, do
inglês polimorfismo em único nucleotídeo)

35. Outros estudos (II)
- Copy-number variation
(CNV, do inglês variação
no número de cópias)

36. Dogma Central da
Biologia Molecular
Expressão gênica
(mRNA)

37. Medida de expressão gênica
(ex: microarrays)
Figuras: http://www.chrisdellavedova.com
http://www.har.mrc.ac.uk/services/MPC/microarray/

38. Números
gene Am1 Am2 Am3 Am4 Am5 …
A 2.5 1.5 5 6.3 3.4 …
B 3.2 5.6 4.4 4 7 …
C 4.5 10.3 1.2 5.5 5 …
D 1.5 3.2 4.5 3.4 4.5 …
E 3.5 6.7 2.6 2.5 2.5 …
… … … … … … …

39. Padrões de expressão

40. Clustering analysis
(análise de agrupamento)

41. Funções biológicas

42. Redes biológicas

43. Redes biológicas

44. Redes droga-alvos
(drug-target networks)

45. Diseasome (rede das doenças)

46. Exemplo de uma análise usando
expressão gênica
1 - Dada uma doença X, coletamos (os
biólogos, na verdade) amostras de tecido
de 20 pessoas doentes e 20 pessoas sem
a doença

47. Exemplo de uma análise usando
expressão gênica
2 – Após verificar que a qualidade dos dados
está boa, analisamos o padrão de
expressão dos genes nos dois grupos e
tentamos identificar quais tiveram uma
padrão diferente (chamamos esses genes
de diferencialmente expressos)

48. Exemplo de uma análise usando
expressão gênica

49. Exemplo de uma análise usando
expressão gênica
3 – Identificar as funções biológicas
relacionadas a esses genes
diferencialmente expressos (tanto os
super-expressos quanto os sub-
expressos)

50. Exemplo de uma análise usando
expressão gênica

51. Exemplo de uma análise usando
expressão gênica
4 – Identificar a rede de genes relacionados
a essa lista e identificar os mais
importantes usando informações
topológicas (exemplos: grau do vértice;
centralidade; participação em
comunidades; é ponte?)

52. Exemplo de uma análise usando
expressão gênica

53. O que estudar?
Computação
- programação/análise de algoritmos
- mineração de dados/reconhecimento de padrões
- teoria dos grafos
- programação paralela e distribuída
- bancos de dados
Biologia
- Biologia molecular/celular
Estatística
- análise de gráficos
- inferência/teste de hipótese

54. Linguagens mais usadas

55. Pós-graduações no Brasil
- Programa Interunidades de Pós-Graduação
em Bioinformática-USP
http://www.ime.usp.br/posbioinfo/
- Programa de Pós-Graduação em
Bioinformática-UFPR
http://www.bioinfo.ufpr.br
- Programa de Pós-Graduação em
Bioinformática-UFMG
http://www.pgbioinfo.icb.ufmg.br/

56. Onde trabalhar
- Hospitais
- Universidades
- Instituições de pesquisa (agropecuária,
biomédica, etc.)
- Farmacêuticas
- Prestadoras de serviços

57. Outras dicas
- Comece a estudar cedo
- Procure um grupo de Bioinformática
(Computação, Biologia, Matemática,
Farmácia, Medicina)
- Estude inglês
- Use Linux
- Siga blog / perfis do Twitter relacionados a
Bioinfo
- Pense sobre passar um tempo fora (do
Ceará, do Brasil)

58. Broad Institute of MIT and Harvard (junho de 2012)

59. Broad Institute of MIT and Harvard (junho de 2012)

60. Perguntas?