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Bioinformática Básica — IQB723

Disciplina de pós-graduação, normalmente oferecida uma vez ao ano.

Professor
Rafael Dias Mesquita (Departamento de Bioquímica / Instituto de Química / UFRJ)
Público alvo
Alunos de pós-graduação sem conhecimentos prévios em bioinformática.
Carga horária
30 horas — disciplina teórico-experimental (15 horas de aula teórica e 15 horas de prática)
Créditos
2
Vagas para alunos
12
Pré-requisito
Não há, mas é desejável ter cursado Bioquímica e Biologia Molecular. Cada aluno deverá levar um laptop com rede sem fio funcionando.

Instruções para instalação de softwares necessários

  • Tutorial para a instalação do Firefox: support.mozilla.org
  • Tutorial para instalação de complementos no Firefox (queremos instalar um complemento chamado BIOBAR): winlight.wordpress.com
  • Tutorial para a instalação do Textpad (executar somente o download e instalação do Textpad, não executar a parte de configuração contida no tutorial): sites.poli.usp.br
  • Tutorial para a instalação do software BioEdit: bioinforma.weebly.com
  • Tutorial para Java JRE (Java Run-time Environment): docs.oracle.com
  • Link para instalação automática do Flash Player: get.adobe.com

Softwares a serem instalados que não temos tutorial: FigTree, MEGA6 e PyMOL.

Ementa

Introdução à bioinformática, ferramentas de software, formatos de arquivos relacionados a bioinformática, bancos de dados na rede, buscas por similaridade, domínios conservados, alinhamento de sequências, ortologia e derivados, filogenia e árvores filogenéticas, modelagem estrutural.

Objetivo

Ensinar conceitos bioinformáticos básicos e treinar o aluno no uso de programas diversos (praticamente todos disponíveis como serviços web), sem uso de Linux ou linha de comando.

Programa

  1. Introdução à bioinformática: conceitos básicos de um computador (hardware, sistema operacional e programas) e de biologia molecular (estrutura DNA, tradução, frames de leitura, estrutura de proteínas e domínios conservados).
  2. Ferramentas de software:
    • Firefox: instalação e uso de complementos.
    • Editores de texto (Textpad): conversão de codificação e de formato final de linha. Quebra automática de linha. Substituição de texto. Seleção de colunas.
    • Editores de sequência (BioEdit): carregamento de uma sequência, edição, construção de reverso complementar, tradução, etc.
  3. Formatos relacionados a bioinformática (FASTA e GenBank): visualização e edição de sequências.
    Prática: conversão de formato Unix→Win e Win→Unix de arquivos de texto; busca e edição para remover o texto "rafael" e trocar o texto "mesquita" pela sequência original presente na proteína em formato FASTA.
  4. Bancos de dados no NCBI: PubMed, livros, proteínas (nr, Swiss-Prot, RefSeq...), domínios conservados (CDD), nucleotídeos (nt, mRNA, ORF, genes...), taxonômico etc. — acesso, busca, visualização e download.
  5. Buscas por similaridade: matrizes de score → família BLAST de programas; matrizes de score por posição → PSI-BLAST.
    Prática: buscar um gene, mRNA, ORF ou proteína por palavra-chave; baixar a sequência gênica, cDNA e a proteína codificada em formato FASTA; buscar 5 sequências similares de organismos próximos por BLAST, restringindo por taxid; busca de ESTs que suportem o mRNA escolhido; download das sequências similares identificadas (gene, ORF e proteína) e dos ESTs, caso existam.
  6. Domínios conservados, bancos de dados e arquitetura de domínios: CDD, PFAM, BLOCKS, SMART etc. — acesso, busca, visualização e download.
    Prática: usar as sequências da aula anterior para buscar domínios conservados usando pelo menos dois bancos de dados e confrontar os resultados; buscar outras sequências com a mesma arquitetura de domínios conservados; verificar a anotação funcional e se os similares identificados estão entre eles.
  7. Alinhamento de sequências (ClustalW, Praline, Muscle, T-Coffee): local x global, simples x múltiplo, parâmetros e matrizes de comparação. Avaliação de qualidade em alinhamentos.
    Prática: alinhamento simples do mRNA, ORF e melhor similar; alinhar os 6 mRNAs/ORFs (verificar qualidade) e identificar regiões boas para desenho de primers degenerados e espécie-específicos; alinhar as 6 proteínas (verificar qualidade) e conferir se as regiões escolhidas para desenho de primers são conservadas a nível proteico e se as regiões de domínio conservado identificadas anteriormente estão bem alinhadas.
  8. Ortologia, paralogia, homologia e similaridade: bancos de dados de clusters de ortólogos: COG, KOG, KEGG, PRO, GO, HomoloGene etc. Identificação de ortólogos e de vias metabólicas no KEGG.
    Prática: verificar se a proteína pertence a um cluster de ortólogos em algum banco de ortólogos e se as sequências similares selecionadas pertencem ao mesmo cluster; verificar se a proteína pertence a alguma via metabólica e gerar um mapa colorido para a espécie de interesse.
  9. Filogenia e dendogramas: bases da filogenia, métodos de matrizes de distância, máxima parcimônia e probabilidade, inferência bayesiana e seleção de modelo. Construção de árvores com e sem raiz.
    Prática: inserir o alinhamento múltiplo de proteínas e construir uma árvore filogenética usando um dos métodos explicados.
  10. Modelagem por homologia: identificação e escolha de estrutura tridimensional de proteína, alinhamento e modelagem.
    Prática: verificar se existe estrutura tridimensional para a proteína e/ou algum similar já identificado; caso contrário, encontrar a sequência mais similar possível com estrutura resolvida; alinhar a sequência da estrutura com as sequências e enviar para modelagem pelo menos sequências homólogas de 2 organismos diferentes.
  11. Alinhamento tridimensional e avaliação da qualidade do modelo: RMSD, avaliação de voltas e de estrutura secundária, estabilização dos modelos.
    Prática: visualizar os modelos criados e alinhar a estrutura e os modelos gerados; calcular o RMSD e avaliar a qualidade dos modelos gerados.

Literatura recomendada