BIO INFORMATICS

سمینار درس کاربرد فناوری اطالعات در پزشکی

اساتید محترمجناب آقای دکتر توحیدخواه

جناب آقای دکتر احمدی پژوه

ارائه دهندگانمریم شیرانی - آرزو طاهری

1387بهمن ماه

دانشگاه صنعتی امیرکبیردانشکده مهندسی پزشکی

فهرست

................................................................................................................. تاریخچه.................................................................................................................... تعریفخصوصیات مشترک سیستم های جاندار....................................................................... پروتئین وDNA وRNA................................................................................................ ....................................................................................................................اهداف.................................................................................................ضرورت بیوانفورماتیک....................................................................................................فعالیت های اصلی....................................................................................................چالش های اصلی......................................................................................................حوزه های کاربرد.............................................................. بانک های اصالعاتی، الگوریتم ها ، نرم افزارها...............................................................................................بیو انفورماتیک در ایران.............................................................................................................. جمع بندی

BioInformatics

تاریخچه

1865 : توسط نخودفرنگی وراثت پایه قوانین (Gregor Mendelکشف ژنتیک ) علم پدر

1869 : کشفDNA توسط نوکلئین نام به نامگذاری Johann Friedrich Miescherو

1881 : توسط ها نوکلئین از ها کروموزوم ترکیب Edward Zachariasاثبات

1899 : توسط نوکلئواسید به نوکلئین نام Richard Alltmanتغییر

1902 : توسط آن از ها پروتئین گیری شکل و اسیدها آمینو بین پیوند وجود Emil Herman Fisherاثبات

) نوبل ) جایزه دریافت

1911 : توسط هستند وراثت مجزای واحدهای ، کروموزومها روی ژنهای اینکه Tomas Hunt MorganکشفPheobus Aaron Theodoreتوسط RNAکشف +

1881 : توسط ژنها از ها پروتئین ساخت Edward Tatumو George Beedleتشخیص

1943 : پنسیلوانیا دانشگاه در منظوره همه کامپیوتر اولین ساخت

1952 : از ها ژن Martha Chaseو George Beedle Alfred Hersheyتوسط DNAساختبرای + دومارپیچی مدل Crickو Watsonتوسط DNAپیشنهاد

BioInformatics

تاریخچه

1954 : پروتئین شناسی کریستال در فازی مسائل حل برای سنگین اتم های روش ایجاد

1955 : یافتن توالی اولین پروتئین جهت آنالیز )انسولین گاوی( توسط Friedrick Sanger

1969 : ایجادARPANET از طریق پیوند کامپیوترهای دانشگاه های Stanford و USBC و Utah و UCLA

1970 : انتشار جزئیات الگوریتمNeedleman-Wunschبرای مقایسه توالی ها

1972 : ایجاد اولین بانک داده زیست شناسی بنامProtein Identification Resource توسط Margaret Dayhoff

1986 : ایجاد مکانیزم توالی دهی اتوماتیک توسطLeroy Hood

1986 : پیدایش عبارت ژنومیک، جهت توصیف نظم علمی در نگاشت، توالی دهی و تحلیل ژنها توسطThomas Roderick

1988 :( تاسیس مرکز ملی اطالعات بیوتکنولوژیNCBI ( در موسسه ملی سرطان + شروع پروژه ژنوم )نگاشت وتوالی دهی

ژنوم انسان(

1992 :( تاسیس موسسه تحقیقات ژنومیکTIGR توسط ) Craig Venter

BioInformatics

تاریخچه

1994 : شکل گیری منطق ژن درMaryland

1999 : (22توالی دهی اولین کروموزوم انسانی )شماره

2001 : انتشار اولین پیش نویس توالی دهی ژنوم انسانی در سطح بین المللی

2003 :تکمیل پروژه ژنوم انسانی

2008 : صدها ژنوم از آرایه مختلفی از گونه ها

BioInformatics

تعریف

تعریف به ) NCBI )National Center for Biotechnology Informationبنا

. با و است شده ایجاد اطالعات فناوری و کامپیوتر علم شناسی، زیست تلفیق از که علم از ای شاخهاز کامپیوتری ، کامپیوتراستفاده افزارهای اطالعاتی ونرم های مسائل ، بانک به تا می گردد سعیزمینه های بیولوژیکی در در مولکولیو سلولیبخصوص وسیعتری تحقیقات و شود داده پاسخ

ها خصوص . ژنهاو پروتئین آید بعمل

: کاربردی تعریفتوسعه و تفسیر تحلیل، بررسی، سازی، ذخیره ، آوری جمع

. اطالعاتی های بانک در بیولوژیکی اطالعات از وسیعی حجم : از عبارتند اطالعات این که

ژن های توالیبیولوژیکی های فعالیت

داروشناختی های فعالیتبیولوژیکی ساختار

ها ژن توصیف

آماری های تکنیک و قدرتمند کامپیوترهای از بیوانفورماتیک. کند می استفاده تحقیقاتی اهداف انجام برای

شناسی زیست

فیزیکآمار

کامپیوتر

و شیمیبیوشیمی بیوانفورماتیک

BioInformatics

جاندار های سیستم مشترک خصوصیات

در اینها رخداد .Central Dogmaمکانیزم است شده کپسوله

از اطالعات به RNAبه DNAگردش سپس Proteinو

. است استوار آن بر زمین زندگی که است سیستمی این

اداره و سلول ساختکار آن این انجام برای انرژی کسب

محیط به پاسخسازی دوباره و تکثیر

BioInformatics

CENTRAL DOGMA

GENOTYPE (i.e. Aa)

PHENOTYPE (pink)

GENE (DNA)

MESSENGER (RNA)

PROTEIN

TRAIT

ATGCAAGTCCACTGTATTCCA

UACGUUCAGGUGACAUAAGGG

transcription reverse tr

translation

replication

DNA

RNA

PhenoType

Protein

BioInformatics

پروتئین

بنام واحدهایی زیر از که هایی مولکول درشت. اند شده ساخته آمینه اسیدهای

: زندگی در آن اهمیتدر که است فعالیت هایی تمام و سلولی رفتار دار عهده

. می شود انجام سلول. گیرد دربرمی را سلول که غشایی ایجاد

سوخت تولید برای غذاها شکستشیمیایی خواص و اشکال گوناگونی

سلولی پاسخ سلول با گفتگو و محیط از اطالعات دریافتمی توانند شود، خارج طبیعی حالت از پروتئین ها کار اگر

- : سرطان شوند مختلف بیماری های بروز باعثآلزایمر - پارکینسون -

BioInformatics

DNA

ها نوکلئوتید بنام واحدهایی زیر از که هایی مولکول درشت. اند شده ساخته

: زندگی در آن اهمیتژنتیکی اطالعات مدت طوالنی سازی ذخیره

ها پروتئین ساخت چگونگی و زمان مورد در اطالعاتی حاویشیمیایی خصوصیات و اشکال گوناگونی

عین نسخه دقیقا توانند می بطوریکه ، نوکلئوتیدها زیاد بسیار پایداری. کنند تولید را خود

. است اسیدها آمینو از بیشتر بسیار نوکلئوتیدها شیمیایی خواص

BioInformatics

RNA

سلول در نوکلئیک اسید یکتوسط DNA ساختانواع :

tRNA ) transfer RNA (

(messenger RNA )mRNA

rRNA )ribosomal RNA (

سلول : در آن اهمیتها ) دستورالعمل خواندن (mRNAاجازه

زبان ( )DNAترجمه ( ) آمینواسیدها ) پروتئین زبان به (tRNAنوکلئوتیدها

پروتئین ) (rRNAساخت

BioInformatics

اهداف

دسترسی موجود بیولوژیکی اطالعات به بتوانند محققان که ای بگونه ها داده سازماندهی) : ( . پروتئین داده بانک مثال نمایند ارسال را جدید نتایج و باشند داشته

: ( دیگر با پروتئین یک توالی مقایسه مثال ها داده این تحلیل به کمک برای ابزارهایی توسعهها ( پروتئین

با بیولوژیکی نظر از که بصورتی نتایج، تفسیر و ها داده تحلیل برای ابزارها این از استفاده. باشد معنا

توالی بتوانیم کنیم DNAاگر تعیین را ژنوم یک

هستند مرتبط بیولوژیکی های پردازش با توالی الگوهای کدام که کنیم بینی پیش

بیولوژیکی سواالت از بسیاری به پاسخ و الگوها برای ژنوم توالی استخراج

BioInformatics

بیوانفورماتیک ضرورت

: زمینه در اطالعات افزون روز رشد زنده موجودات مختلف انواع شناسایی زا بیماری عوامل زیستی های فرایند ژنتیکی ساختارهای ژنها شناسایی ها پروتئین

دیده آموزش متخصصین دائمی کمبود بیوانفورماتیک کاربردهای گوناگونی بیوانفورماتیک متخصصین مختلف انواع به نیاز

BioInformatics

هر ژن، : 14بانک شود می دوبرابر ماه

بیوانفورماتیک ضرورت

BioInformatics

اصلی های فعالیت

های متابولیت بررسیسلولی متابولیسم از حاصل

و تحلیل شناسایی، بررسی،ژن نوکلئوتیدهای توالی مقایسه

زنده جاندار یک های ژن یا

مقایسه و تحلیل شناسایی، مطالعه،یا ها پروتئین آمینواسیدهای توالی

زنده جانداران های پروتئین

نوکلئوتیدهای توالی تحلیل و بررسیmRNA دیگر با جاندار و mRNAیک ها

mRNAپردازش

بیوانفورماتیک

متابولومیک

ترانسکریپتومیپروتئومیکک

ژنومیک

BioInformatics

اصلی های چالش

ژنوم یک در رونویسی وقوع مکان و زمان تشخیص برای مدلهایی تعیین

دیگر پیوندهای برای مدلهایی پیشگویی و RNAتعیین

: خارجی های محرک به سلولی های پاسخ بینی پیش توانایی سیگنال عبور سیر خط برای هایی مدل تعیین

بازشناخت کدهای protein:DNA, protein:RNA, protein:proteinتعیین

اولیه پروتئین ساختار صحیح بینی پیش

ها پروتئین بازدارنده کوچک های مولکول ای رابطه طراحی

پروتئین تکامل مکانیکی فهم

ها گونه و ژنوم تکامل مکانیکی فهم

پروتئین و ژن عملکرد توصیف سیستماتیک های راه

از استفاده با ژن ها Microarrayتوصیف

: بیوانفورماتیک رشته توسعه آموزش

BioInformatics

آینده و حال در کاربرد های حوزه

سلولی و مولکولی شناسی زیستژنتیک

نژادی تکامل و تکاملی علومبیوتکنولوژی : نانو ،میکروبیولوژی، داروسازی صنایع نظیر بیوتکنولوژی مختلف های حوزه

کشاورزیزیستی فناوری و زیست مدیریت

پزشکی دارو کشف

آن واکنش و پروتئین سازی مدل کمک با مناسب داروهای طراحی

ها بيماری تشخيص

بيماری ها ژنتيک علل شناسايی

ها بیماری مدیریت

شناسی جنین

BioInformatics

ها داده

انواع : .aDNA.bRNA.cپروتئین.dMicroarray:

DNA MicroarrayProtein MicroarrayTissue Microarray

Antibody Microarray

روال :داده آوری جمع

ها داده اطالعاتی بانک تهیهداده سازی ذخیره

داده آنالیزکاوی داده

بیولوژیکی سازی مدل

BioInformatics

MICROARRAY

های نقطه از ای های DNAرشته تحلیل آرایه،برای یک روی شده مرتب بافت، یا پروتئین ،همزمان

سیلیکون : Chipجنس یا پالستیک شیشه،تحقیقات سرعت افزایش

آن انواع همه برای واحد استاندارد فقدانمختلف انواع سازگاری عدم

سرطانی بافت سالم بافت

سطوح در را اختالف بیشترین که ژنهایی کردن پیدانشان سرطانی و سالم های بافت بین خود عبارات

. دهند می

BioInformatics

MICROARRAY

BioInformatics

اطالعاتی DNAبانک

تحلیل : برای ژنتیکی قواعد و عبارات ژنتیکی های بیماری ژنتیکی شناسی شجره

. باشد خصوصی یا عمومی تواند می

CODISUK National DNA DatabaseCaliforniaGEN Bank NIAS DNA Bank EMBLDDBJThe Australian Plant DNA Bank

RBG KEW DNA BAnkJapanDuke CHGEnsembl

DISEntrezBLASTDNA Bank Netwrok )ZDM,BGBM,DSMZ,ZFMK(

BioInformatics

پروتئین اطالعاتی بانک

تحلیل : برای اولیه های پروتئین ساختار ها پروتئین قواعد و عبارات ها 3ساختار پروتئین بعدی ها ارگانیسم تکاملی سیر زندگی منشا

. هستند عمومی غالبا

SwissProt

PIR International

RCSB

PDBe

PDBj

BMRB

wwPDB

MMDB

PubVast RCSB

PubChem

CDD

BioInformatics

ها الگوریتم

بین از معنا با های ویژگی و اطالعات از :DataSetاستخراج استفاده با ها آماری های روش گراف های روش بندی خوشه کاوی داده محاسباتی الگوی بازشناخت

Smith-Waterman Needleman-Wunsch Ullman Hybrid Bayes Classifier ClustalW agrepPHYLIPBioConductor

Naive Bayes Classifier

Artificial Neural Networks

DEE

A*

ChromaSig

GOS

FASTA

BLAST

BioInformatics

MARKUP LANGUAGE

ژنوم ذهنی سازی تجسم و نویسی حاشیه

پولیمرها بیو برای تجربی اطالعات

بیولوژیکی وظایف و ژنومیک های توالی

مولکولی اطالعات مدیریت

ای آرایه ریز ژنی عبارت داده تبادل

بیوشیمیایی های شبکه و ها سیستم بیولوژی

AGAVE

BioML

BSML

CML

MAGE-ML

SBML

BioInformatics

افزارها نرم

و پروتئین توالی DNAتحلیلعبور مسیر آنالیز

سازی شبیه و ریاضی سازی مدل محاسبه،و پروتئین DNAساختار

ای توده های داده و ها داده در کندوکاوبیولوژیکی اطالعات یکپارچگی

آن ذهنی تجسم و پردازش در انسجام

Sybyl

GPMAW

Cn3D

GeneSpring GX

DNASTAR Lasergene

Gene Construction Kit 2.5

MetaCore

Ingenuity Pathways Analysis 3.1

NeuralWorks Professional II / Plus

BioInformatics

کلی ساختار

BioInformatics

BIOINFORMATICS VS COMPUTATIONAL BIOLOGY

Biology + Computers

و ها سیستم از استفاده با که هایی بیولوژیستپاسخ بیولوژی مسائل به محاسباتی ابزارهای

. دهند می

، تحلیل مطالعه، در اطالعات فناوری بکارگیریبیولوژیکی اطالعات کشف و نگهداری ، ذخیره

های) توالی در که آنچه ساختار DNAنظیر و) دارد وجود پروتئین

مولکولی بیولوژی مشکالت حل

بیولوژی از ای مجموعه زیر بعنوان تواند می. باشد محاسباتی

Computers + Biology

و شناسان آمار ریاضیدانان، کامپیوتر، مهندسینتکنیک و ها الگوریتم ، ها فرضیه که مهندسینیبیولوژیکی های سیستم و ابزارها برای را هایی

. کنند می ایجاد

تر کلی

،تحلیلی داده نظری، های روش توسعهسازی شبیه های تکنیک و ریاضی مدلسازی

محاسباتی

،شناسی بوم شناسی، زیست مشکالت حلتکامل و روانشناسی

BioInformatics

ایران در انفورماتیک بیو

1383 : ایران بیوانفورماتیک انجمن )Iran BioInformatic Society )IBSتاسیس

: اهدافبیوانفورماتیک دانش علمی ارتقای و پیشبرد گسترش،

متخصص نیروهای کیفی توسعهو بیوانفورماتیک های زمینه در پژوهشی و آموزشی امور به بخشیدن بهبود

محاسباتی بیولوژی

BioInformatics

مراجع

1( WWW.NCBI.nlm.nih.gov2( www.ncgr.org3( www.ebi.ac.uk4( www.ensembl.org5( www.cs.hope.edu/~alganim/ccaa/6( www.nist.gov/dads/7( http://www-igm.univ-mlv.fr/~lecroq/string/index.html8( http://www-igm.univ-mlv.fr/~lecroq/seqcomp/9( http://www.wwpdb.org/10( http://www.biologynews.net/archives/2008/09/02/scientists_develop_new_method_to_in

vestigate_origin_of_life.html11( http://www.neuralware.com/products.jsp12( http://proteinbank.vbi.vt.edu/ProteinBank/g/tech/showtechbytid.do13( http://healthsciences.ku.dk/research/proteincenter/press/article_proteins/14( http://www.nodalpoint.org/node/151015( http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page16( http://www.wisegeek.com/what-is-a-microarray.htm17( http://www.b-eye-network.com/view/133618( http://www.netsci.org/Science/Bioinform/

BioInformatics

شما توجه از سپاس با