ebook Wprowadzenie do bioinformatyki Arthur Lesk

Spis treści ebooka Wprowadzenie do bioinformatyki

Przedmowa do piątego wydania XIII
Schemat książki XIX
Wprowadzenie do bioinformatyki w sieci XX
Podziękowania XXI
1. Wprowadzenie 1
Życie w czasie i przestrzeni 4
Fenotyp = genotyp + środowisko + historia życia + epigenetyka 5
Ewolucja jako zmiana na przestrzeni czasu w świecie istot żywych 5
Klasyfikacja biologiczna i nazewnictwo 7
Dogmaty: główne i poboczne 10
Struktura DNA 10
Transkrypcja i translacja 13
Struktury białek 14
Statyka i dynamika 19
Biologia systemowa 19
Genom człowieka 21
Zmiany w sekwencjach genomu człowieka 22
Genom człowieka a medycyna 23
Bazy danych w biologii molekularnej 31
Archiwa rzeczy zauważalnych i danych 32
Baza danych bez skutecznych sposobów dostępu jako bezużyteczne narzędzie 33
Przepływ informacji w bioinformatyce 34
Organizacja, adnotacja i kontrola jakości 36
Baza danych WWW 37
Publikacje elektroniczne 38
Komputery i informatyka 38
Programowanie 39
Après moi, le déluge? Przepraszam, już za późno! 43
Jaka jest moc sekwencjonowania na świecie? 46
Jaki jest stosunek ilości danych w bioinformatyce do innych naukowych archiwów informacji? 46
Polecana literatura 47
Ćwiczenia i zagadnienia problematyczne 48
2. Od genetyki do genomów 53
Klasyczne tło genetyki 54
DNA reprezentuje geny 55
Mapy i przewodniki 56
Mapy połączeń genetycznych 56
Sprzężenia 56
Prążkowanie chromosomów 58
Mapy wysokiej rozdzielczości bazujące bezpośrednio na sekwencjach DNA 60
Mapy restrykcyjne 62
Sekwencjonowanie DNA 63
Frederick Sanger i rozwój sekwencjonowania DNA 63
Sekwencjonowanie DNA poprzez przerywanie replikacji łańcucha 64
Automatyzacja sekwencjonowania DNA 65
Sekwencjonowanie następnej generacji 66
Odczyty sparowane 72
Życie w pędzie 73
Zestawianie – aspekty obliczeniowe 74
Dopasowywanie wzorców 74
Drzewa sufiksowe 74
Łączenie fragmentów 76
Genomika w identyfikacji tożsamości 79
Genetyczne odciski palców 80
Identyfikacja tożsamości poprzez amplifikację określonych regionów w miejsce analizy polimorfizmu długości fragmentów restrykcyjnych (RFLP) 81
DNA mitochondrialne 83
Analiza sekwencji DNA nienależących do ludzi 84
Badania na ustalenie ojcostwa 85
Aspekty etyczne, prawne i społeczne 87
Bazy danych zawierające informacje o sekwencji DNA u ludzi 87
Wykorzystanie sekwencjonowania DNA w badaniach na organizmach ludzkich 90
Polecana literatura 90
Ćwiczenia i zagadnienia problematyczne 91
3. Panorama życia 95
Genomy, transkryptomy i proteomy 96
Geny 96
Proteomika i transkryptomika 99
Podsłuchiwanie na transmisji informacji genetycznej 100
Projekty sekwencjonowania genomu 101
Genomy prokariontów 102
Genom bakterii Escherichia coli 103
Genom archeonu Methanocaldococcus jannaschii 105
Genom jednego z najprostszych organizmów: Mycoplasma genitalium 106
Metagenomika: pobranie genomów z próbek środowiskowych 107
Ludzki mikrobiom 109
Genomy eukariontów 110
Rodziny genów 111
Genom Saccharomyces cerevisiae (drożdży piekarniczych) 111
Genom Caenorhabditis elegans 113
Genom Drosophila melanogaster 115
Genom Arabidopsis thaliana 115
Genom Homo sapiens (genom człowieka) 117
Geny kodujące białka 118
Sekwencje powtarzalne 118
RNA 119
Polimorfizmy pojedynczego nukleotydu i haplotypy 119
Systematyczne pomiary i zbiory polimorfizmów pojedynczego nukleotydu 122
Różnorodność genetyczna w antropologii 123
Sekwencje DNA a języki 125
Ewolucja genomów 125
Proszę przekaż geny: poziomy transfer genów 128
Genomika porównawcza u eukariontów 129
Polecana literatura 130
Ćwiczenia i zagadnienia problematyczne 131
4. Dopasowania i drzewa filogenetyczne 133
Wprowadzenie do dopasowania sekwencji 134
Macierz punktowa a dopasowanie sekwencji 140
Miary podobieństwa sekwencji 142
Systemy punktacji 143
Pochodne od macierzy substytucji: macierze PAM 144
Obliczanie dopasowywania dwóch sekwencji 146
Odmiany i uogólnienia 146
Metody aproksymacji dla szybkiej identyfikacji baz danych 146
Algorytm programowania dynamicznego dla optymalnego dopasowania dwóch sekwencji 148
Znaczenie dopasowań 153
Dopasowanie wielu sekwencji 155
Zastosowanie dopasowania wielu sekwencji do przeszukiwania baz danych 156
Profile 158
PSI-BLAST 160
Całkowite dopasowanie par sekwencji dla ludzkiego białka PAX-6 i Drosophila melanogastere yeless 164
Ukryte modele Markowa (Hidden Markov Models, HMM) 165
Filogeneza 167
Określanie powiązań taksonomicznych na podstawie właściwości molekularnych 169
Wykorzystanie sekwencji przy określaniu związków filogenetycznych 172
Zastosowanie SINE oraz LINE do określania związków filogenetycznych 175
Drzewa filogenetyczne 177
Metody oparte na grupowaniu 179
Metoda największej wiarygodności 180
Rekonstrukcja sekwencji ancestralnych 180
Dekarboksylaza pirogronianu: synteza, aktywność i struktura krystaliczna przewidywanego przodka 181
Problem zmiennego tempa ewolucji 183
Metoda Bayesa 184
Czy drzewa są właściwym sposobem przedstawiania związków filogenetycznych? 184
Kwestie obliczeniowe 185
Podsumowanie 186
Polecana literatura 187
Ćwiczenia i problemy 187
5. Bioinformatyka strukturalna a opracowywanie leków 193
Wprowadzenie 194
Stabilność a fałdowanie białek 196
Wykres Ramachandrana jako opis dopuszczalnych konformacji łańcucha głównego 196
Łańcuchy boczne 198
Stabilność i denaturacja białek 198
Proces zwijania białek 202
Zastosowania hydrofobowości 204
Białka superhelikalne (coiled-coil) 204
Opis zróżnicowania struktur białek 208
Superpozycja struktur a dopasowanie strukturalne 209
Ewolucja struktur białek 214
Klasyfikacja struktur białek 216
SCOP 217
Przewidywanie i modelowanie struktur białek 219
Ocena krytyczna przewidywania struktur 221
Prognozowanie struktur drugorzędowych 222
Modelowanie homologiczne 223
Rozpoznawanie fałdu 223
Obliczanie energii konformacji i dynamiki molekularnej 226
ROSETTA 228
Przewidywanie struktury białek na podstawie map kontaktów pochodzących od skorelowanych mutacji w dopasowaniach wielu sekwencji 229
Tworzenie nowych białek 232
Opracowywanie i doskonalenie leków 235
Związek wiodący 236
Doskonalenie związku wiodącego: ilościowe modele zależności struktura–aktywność 237
Wykorzystanie bioinformatyki przy opracowywaniu i doskonaleniu leków 238
Modelowanie molekularne przy opracowywaniu leków 239
Polecana literatura 245
Ćwiczenia i problemy 247
6. Publikacje naukowe i archiwa: media, treść, dostęp i prezentacja 253
Literatura naukowa 254
Dostęp do publikacji naukowych 255
Otwarty dostęp 257
Public Library of Science 258
Biblioteki tradycyjne i cyfrowe 258
Jak zapełnić bibliotekę cyfrową 259
Eksplozja informacyjna 260
Sieć: wyższy wymiar 260
Nowe media: wideo, dźwięk 260
Przeszukiwanie literatury naukowej 261
Zarządzanie bibliografią 261
Bazy danych 263
Zawartość bazy danych 263
Kontrola jakości baz danych 264
Literatura jako baza danych 265
Organizacja bazy danych 265
Adnotacja 268
Języki znaczników 269
Dostęp do baz danych 271
Linki 271
Interoperacyjność baz danych 272
Eksploracja danych 276
Języki programowania i narzędzia do budowania i dostępu do baz danych 277
Tradycyjne języki programowania 277
Języki skryptowe 278
Biblioteki programów przeznaczone dla biologii molekularnej 278
Java – obliczenia w sieci 278
Przetwarzanie języka naturalnego 279
Przetwarzanie języka naturalnego przy przeszukiwaniu literatury biomedycznej 280
Zastosowania biomedyczne eksploracji tekstu 281
Tworzenie hipotez 286
Sieć związana z jaskrą uzyskana przez eksplorację danych 287
Polecana literatura 290
Ćwiczenia i problemy 291
7. Sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe 293
Czym jest sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe? 294
Klasyfikacja i grupowanie 295
Klasyfikator binarny 298
Krzywe ROC (Receiver Operating Characteristic) 300
Sztuczne sieci neuronowe 301
Mapy samoorganizujące 303
Drzewa decyzyjne 304
Maszyny wektorów nośnych (SVM) 308
Metody jądra 308
Grupowanie 310
Grupowanie za pomocą spektralnej teorii grafów 313
Polecana literatura 316
Ćwiczenia i problemy 316
8. Wprowadzenie do biologii systemów 319
Wprowadzenie 320
Sieci i grafy 321
Spójność w sieciach 322
Dynamika, stabilność i odporność na awarie 324
Niektóre źródła inspiracji dla biologii systemów 325
Złożoność sekwencji 325
Definicja entropii Shannona 326
Złożoność sekwencji 327
Zależność między złożonością, losowością i zdolnością do kompresji 328
Transformata Burrowsa-Wheelera 329
Odwracanie transformaty Burrowsa-Wheelera 329
Transformata Burrowsa-Wheelera grupuje powtórzenia, ułatwiając kompresję 330
Zastosowanie transformaty Burrowsa-Wheelera do poszukiwania wzorców w łańcuchach 330
Złożoność w innych typach danych biologicznych 331
Złożoność statyczna i dynamiczna 332
Przewidywalność i chaos 333
Analiza i porównywanie sieci 334
Analiza grafów za pomocą algebry macierzy 335
Izomorfizm grafów 335
Polecana literatura 338
Ćwiczenia i problemy 338
9. Szlaki metaboliczne 341
Wprowadzenie 342
Klasyfikacja funkcji białek 344
Komisja Enzymowa 344
Klasyfikacja funkcji białek przez Gene OntologyTM Consortium 344
Przewidywanie funkcji białka 345
Kataliza enzymatyczna 348
Miejsca aktywne 349
Kofaktory 349
Równowagi wiązania białko–ligand 350
Kinetyka reakcji enzymatycznych 351
Miary wydajności enzymów 353
Jak ewoluują nowe funkcje enzymów? 353
Kontrola aktywności enzymu 354
Mechanizmy strukturalne ewolucji zmienionych albo nowych funkcji białek 355
Szlaki i granice dywergencji sekwencji, struktury i funkcji 359
Ewolucja drogą duplikacji genów 359
Bazy szlaków metabolicznych 362
Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) 364
Ewolucja i filogeneza szlaków metabolicznych 366
Porównanie szlaków 366
Dopasowanie szlaków metabolicznych 368
Porównywanie liniowych szlaków metabolicznych 369
Porównywanie nieliniowych szlaków metabolicznych: szlak pentozofosforanowy i cykl Calvina-Bensona 371
Dynamika sieci metabolicznych 372
Odporność sieci metabolicznych 372
Modelowanie dynamiczne metabolizmu 373
Symulacja szlaków metabolicznych u Plasmodium falciparum 376
Human Metabolome Database wspiera zastosowania kliniczne w badaniach wrodzonych wad metabolicznych i raka 377
Polecana literatura 379
Ćwiczenia i problemy 379
10. Kontrola organizacji i organizacja kontroli 381
Transkryptomika 382
Projekt ENCODE 384
Wyznaczanie sekwencji RNA 385
Sekwencjonowanie RNA kontra mikromacierze 385
Mikromacierze DNA 385
Sekwencjonowanie RNA (RNAseq) 391
Projekt Genotype-Tissue Expression (GTEx) 392
Wzorce ekspresji w różnych stanach fizjologicznych 394
Zmiany wzorców ekspresji w cyklu życiowym Drosophila melanogaster 394
Różne stadia życiowe mają różne wymagania w stosunku do różnych genów 396
1. Zmiany we wzorcach ekspresji genów 398
2. Mutacje, które dają oporność na izoniazyd 399
3. Krystalografia 399
Kompleksy i agregaty białek 399
Właściwości kompleksów białko–białko 400
Sieci oddziaływań białek 402
Składniki kompleksu prymosomu u Bacillus subtilis 405
Sieci regulatorowe 406
Przekazywanie sygnału i kontrola transkrypcyjna 407
Biologia strukturalna sieci regulatorowych 407
Przykłady stosunkowo prostych regulatorowych sieci kontroli 410
Regulacja operonu laktozowego u E. coli 410
Przełącznik genowy bakteriofaga λ 412
Przeskok metaboliczny u Saccharomyces cerevisiae 416
Struktura logiczna sieci regulatorowych 418
Sieć regulatorowa transkrypcji u E. coli 418
Sieć regulatorowa transkrypcji u Saccharomyces cerevisiae 419
Zdolności adaptacyjne sieci regulatorowej drożdży 420
Polecana literatura 423
Ćwiczenia i problemy 423
Wnioski 426