UGENE – интегрированные

инструменты биолога

Константин Оконечников, НЦиТ Унипро 2010

Вычислительная биология

Примеры характерных задач:

• Поиск гомологов– Поиск и анализ схожести между генетическими

последовательностями, различные виды выравниваний

• Определение генов– Идентификация генов и аннотация их функций

• Сборка контигов– Сборка цельных геномов из известных частей полученных в

результате секвенирования

• Анализ структуры белка– Предсказание вторичной и третичной структуры,

определение функций

• …и многое другое2

Форматы и базы данных

Genbank

EMBLCLUSTAL

MSF

STOCKHOLM

FASTA

FASTQNEWICK

NEXUSABI

SCF

EMBL

MMDBPDB

GFF

SAM

UniProtACE

NCBI

Колоссальный объем информации! Например: Количество записей в NCBI Genbank на 2010 год – 120 000 000Количество публикаций в PubMed на 2010 год – 20 000 000

3

Многообразие подходовBLAST,FASTA,SSEARCH,CLUSTAL,MUSCLE,MAFFT,KALIGN,UCLUST,HMMER2,

HMMER3,GARLIC,CONSED,CGVIEW,ERGO,EBBIE,MAUVE,MATTREE,COVE, PSIBLAST, GOR, PSIPRED, EXPASY, EMBOSS, PHYLIPP, SAM, CASP, BLOCKS, PRIMER3,

CSBLAST,HHPRED,BIOCONDUCTOR,MUMMER,

FEAST,BOWTIE,MAQ,SOAP,BIOPERL,POA, PRANK, FOLDALIGN,RMAP,SITECON,SHRIMP,BATWING,ASAP,

BEAST,MEGA,MESQUITE,SEMPHY,TNT,BIOEDIT,BIOPYTHON,GALAXY, TAVERNA, GENEMARK, AMAP, MEME, PPSEARCH, ELPH, GENESCAN, ARTEMIS, CLANN, GENLUX, CRNPRED, BRAGI,

DIP4FISH ANGIS,AFFYMETRIX,GENECHIP,ARLEQUIN,BIOPHP,BIORUBY,BIOEXTRACT,

BIOSLAX,BISKIT,CYTOSCAPE,DAVID,DIALIGN-T,DIALIGN-TX,DNASTAR,ETBLAST FOLDX,FORMATDB,GENSCAN,GENTLE,GESS,

GENMAPP,GENE,ACE, UGENE, ARGO, DESIGNER,GENEDATA,ENEPATTERN,GENEVESTIGATOR,JALIGNER,MEGAN,ARKA

MODELLER,OLIGO,JPRED,STRIDE,TESS,GLIMMER,BIOECLIPSE,ENSEMBL,ASTERIAS,DPVIEW,

PAUP,PSORT,PHYLOSCAN,PUPASUITE,PYMOL,RAPTOR,RASMOL,STING,SIMBIOSYS,SNAGGER,SOAPLAB,SPLITSTREE,ST

EMLOC,T-COFFEE,PILER,USEARCH,DELTASTAT,DCSE,ASID,ARB,ANGLER, TREEFINDER,UCSF CHIMERA,UTOPIA,VECTOR NTI,YASS,MUSCA,JASPAR

…………………….

4

Минусы существующих подходов

• Зачастую средства и алгоритмы анализа генетических данных не согласуются между собой.Суть проблемы: необходима целостность в управлении данными, возможность построения составных методов анализа.

• Популярные инструменты не всегда пригодны для систематического анализа большого количества данныхСуть проблемы: сложность обработки промежуточных результатов и другие ограничения.

• Многие задачи гораздо эффективнее решаются посредством использования высокопроизводительных ресурсовСуть проблемы: нужен специальный опыт в этой области.

5

UGENE – предлагаемое решение

Цель проекта – интеграция наиболее используемых алгоритмов анализа генетических данных в единой визуальной рабочей среде, удобной для прикладного специалиста.

• Свободная лицензия, русификация;

• Кросс-платформенность (MS Winodws, Mac, Linux);

• Модульная архитектура, более 30 расширений;

• Единый, удобный пользовательский интерфейс;

• Концептуальная целостность в работе данными;

• Эффективное использование вычислительных ресурсов;

• Поддержка составных методов анализа данных.

6

Краткий обзор возможностей UGENE

• Автоопределение форматов данных, поддержка более 20 форматов.

• Поиск паттернов и парное выравнивание (Smith Waterman)

• Сборка контигов (Bowtie, UGENE Genome Aligner)

• Множественное выравнивание: MUSCLE, Kalign, Clustal, Mafft

• Сверхбыстрый поиск повторов

• Визуализация и редактирование хроматограмм

• Анализ гомологии на основе цепей Маркова (HMMER)

• Построение филогенетических деревьев (Phylip)

• Поиск открытых рамок считывания для всех генетических таблиц

• Поддержка запросов к удаленным базам данных ( BLAST, CDD)

• Сайты рестрикции, cайты связывания транскрипционных факторов

7

Возможности UGENE

• Удобный редактор аннотаций

• Мощные возможности по визуализации и редактированию последовательностей

• ДНК• РНК• Аминокислотные

8

Возможности UGENE

• Редактор множественных выравниваний • Просмотрщик филогенетических деревьев

• Визуализатор трехмерных макромолекулярных биологических структур с возможностью экспорта 9

Составные методы анализа

Дизайнер вычислительных схем (Workflow Designer) – комплексный инструмент автоматизации вычислительных процессов, входящий в среду UGENE.

• Интуитивно понятный интерфейс пользователя;

• Расширяемость – легкое добавление новых вычислительных блоков;

• Каждый блок может иметь различные оптимизированные реализации для различных платформ;

• Автоматическая загрузка всех доступных вычислительных ресурсов;

• Интерактивность.10

Пример вычислительной схемы

11

Эффективное использование вычислительных ресурсов

• Многоядерные процессоры• Кластеры и грид-системы• Платформо-зависимые оптимизации, GPGPU• Облачные вычисления Удаленный сервис запуска задач основанный на

мощностях Amazon EC2

Для пользователя запуск вычислительных задач и работа с платформой не усложняется!

12

Сравнение с аналогамиСLCBio Workbench VectorNTI Geneious Unipro UGENE

Web-Сайт: http://www.clcbio.com http://www.invitrogen.com http://www.geneious.comhttp://

ugene.unipro.ru

Функциональность:

Поиск гомологов + + + +

Сборка контигов + - + +

Анализ структуры белка - + - -

Клонирование “in silico” + + + -

Поддержка HPC + + - +

Построение вычислительных

схем- - - +

Стоимость программного пакета:

Лицензия на полгода, 1

пользователь~1200$ ~1500$ ~700$* 0

13* может быть бесплатным при определенных условиях

Демонстрация

14

Текущее состояние проекта

• Более 1000 активных пользователей• Проект входит в официальные версии

дистрибутивов Linux: Ubuntu, Fedora, Arch

• Взаимодействие с российскими и рядом зарубежных институтов в области вычислительной молекулярной биологии

• Перенос задач на суперкомпьютеры

15

Перспективы

• Анализ данных секвенирования, визуализация

• Удобный язык для Дизайнера вычислительных схем

• Новая разработка Query Designer• Объединенное рабочее пространство

для группы исследователей• Дальнейшее развитие удаленного

сервиса UGENE16

Вы и UGENE

• Использование UGENE в повседневной работе

• Обратная связь• Специализированные feature-

request’ы• Совместная работа над большими

проектами• Использование UGENE в

образовательных проектах17

Полезные ссылки

• Сайт: http://ugene.unipro.ru• Почтовый алиас: ugene@unipro.ru• Форум: http://ugene.unipro.ru/forum• Видео-канал: http://youtube.com/uniprougene• Твиттер:

http://twitter.com/uniprougene

18

Спасибо за внимание!

Вопросы

?19