Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů PB172: Seminář ze systémové biologie David Šafránek 24.2.2010 Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Obsah Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Cíle předmětu * odborné cíle * pochopení paradigmatu systémové biologie * utvoření motivačních argumentů * nalezení mezioborových vztahů k informatice * identifikace výpočetní systémové biologie * věcné cíle * rešerše informací z odborné literatury * příprava elektronické presentace * realizace presentace Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Průběh předmětu * výklad/opakování základních pojmů * výběr materiálů * presentace studentů (cca 30 min) následovaná diskusí * rozložení kreditové zátěže (2 kredity) * příprava presentací * pravidelná účast na seminářích (doba trvání cca 1 hod) * závěrečné shrnutí Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Požadavky na ukončení * doporučená forma ­ kolokvium * podmínky: 2× příprava a provedení presentace + aktivní účast v diskusích Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Obsah Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Denis Noble: The Music of Life Denis Noble. "The Music of Life: Biology Beyond Gene". Oxford University Press, 2006. Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů The Music of Life ­ Obsah 1. The CD of Life, The Genome 2. The Organ of 30,000 Pipes 3. The Score, is it Written Down? 4. The Conductor, Downward Causation 5. The Rhythm Section, The Heartbeat and Other Rhythms 6. The Orchestra, The Organs and Systems of The Body 7. Modes and Keys, Cellular Harmony 8. The Composer, Evolution 9. The Opera Theatre, The Brain 10. Curtain Call, The Artist Disappears Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Odborné články Kitano, H. Systems Biology: Toward System-level Understanding of Biological Systems. Chapter in Foundations of Systems Biology, The MIT Press, 2001. Eils J. et.al. Databases for Systems Biology. Chapter in Computational Systems Biology, Academic Press, Elsevier, 2005. Westerhoff H.V. and Hofmeyr J.H.S. What is systems biology? From genes to function and back. Chapter in Systems Biology: Definitions and Perspectives. Springer, 2005. Bentele M. and Eils R. Systems biology of apoptosis. Chapter in Systems Biology: Definitions and Perspectives. Springer, 2005. Fisher J. and Henzinger T. Executable cell biology. Nature Biotechnology, 25:11 (2007). Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Obsah Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Hlavní teze: Organismus = komplexní systém genotyp Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Hlavní teze: Organismus = komplexní systém genotyp fenotyp = emergentni vlastnost Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Subteze: Živá buňka = komplexní systém genotyp metabolismus, proteosyntéza = emergentní vlastnosti Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Systémová biologie * nový vědecký směr v biologii s podporou neživých věd * paradigma: komplexní pohled (opak redukcionismu) * organismus chápán jako komplexní systém (biologický systém) * předmětem studia jsou interakce mezi jeho komponentami * kořeny v živých i neživých vědách * biochemie a molekulární biologie (kinetika enzymů) * matematická simulace a teorie řízení * intenzívní výzkum od roku 2000 * vyžaduje úzkou kooperaci: biolog ­ matematik ­ informatik Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Modelování a predikce v systémové biologii validace modelu dotazy na model biologická sít objevené vlastnosti rekonstrukce sítí databáze biol. znalostí + literatura analýza modelu statická analýza, numerická simulace, analytické metody, model checking SBML, diferenciální rovnice, specifikace modelu boolovská sít, Petriho sít, ... verifikace hypotéz, detekce vlastností genové reportéry, DNA microarray, hmotnostní spektrometrie, ... vyvození nových hypotéz hypotézy Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Modelování a predikce v systémové biologii validace modelu hmotnostní spektrometrie, ... zjistene vlastnosti dotazy na model genové reportéry, DNA microarray, biologická sít rekonstrukce sítí databáze biol. znalostí + literatura analýza modelu vyvození nových hypotéz verifikace hypotéz, detekce vlastností analytické metody, model checking SBML, diferenciální rovnice, specifikace modelu boolovská sít, Petriho sít, ... statická analýza, numerická simulace, DATA MINING FORMÁLNÍMETODY BIOINFORMATIKA COMPUTATIONALBIOLOGY METABOLOMIKA,PROTEOMIKA TRANSKRIPTOMIKA BIOFYZIKA,BIOCHEMIE FORMÁLNÍMETODY COMPUTATIONAL SYSTEMS BIOLOGY [Kitano2002] Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Nástroj: virtuální (in silico) laboratoř validace modelu hmotnostní spektrometrie, ... genové reportéry, DNA microarray, vyvození nových hypotéz verifikace hypotéz, detekce vlastností statická analýza, numerická simulace, analytické metody, model checking SBML, diferenciální rovnice, specifikace modelurekonstrukce sítí databáze biol. znalostí + literatura boolovská sít, Petriho sít, ... analýza modelu virtuálnílab Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Od komponent k hypotézám Genomika Proteomika Metabolomika Rekonstrukce sít biochemických reakcí DynamikaStruktura Vymezení Citlivost Ruch infinitní prostor hypotéz a interpretací Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Koncept hierarchie Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Centrální dogma Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Transkripce a translace genetického kódu Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Biochemické procesy v buňce * molekulární komponenty ­ proteiny, DNA, RNA,. . . * interakce na různých úrovních (transkripce, metabolismus,. . . ) * příjem signálů a živin (nutrientů) na membráně Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Biochemické procesy v buňce nutrienty enzymy regulatory produkty metabolismu proteiny signaly PROTEOSYNTEZAMETABOLISMUS Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Biochemické procesy v buňce nutrienty enzymy regulatory produkty metabolismu proteiny signaly PROTEOSYNTEZAMETABOLISMUS Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Biochemické procesy v buňce nutrienty enzymy regulatory produkty metabolismu proteiny signaly Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Biochemické procesy v buňce nutrienty enzymy regulatory produkty metabolismu proteiny signaly zpetne vazbyzpetne vazby Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Funkční vsrtvy buňky Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Funkční vrstvy buňky vrstva metabolismu * rozsáhlý soubor katalytických (enzymových) reakcí * příjem a zpracování energie v buňce * rozklad a syntéza látek transdukce signálů * kaskády reakcí zpravovávající externí/interní signál * receptory externích signálů na membráně interakce proteinů * tvorba proteinových komplexů * transkripční faktory a enzymy metabolismu transkripční regulace * řízení proteosyntézy Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Biologické sítě a dráhy metabolicka sit X2 Signal 2 Signal 3Signal 1 aktivace represe X1 Xm X3 Signal n nutrienty enzymy regulatory produkty metabolismu proteiny signaly geneticka sit Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Biologické sítě a dráhy * biochemická interakce molekul popsaná grafem * uzly * molekuly/komplexy biochemických látek * biochemické reakce * hrany * regulace (aktivace, represe, katalýza) * příslušnost k reakci (produkt, zdroj) * dráhy -- zaměřené na určitá specifika (látky, reakce) * typicky signální dráhy * sítě -- komplexní interakce * různé úrovně abstrakce Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Příklad metabolické dráhy Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Tvorba in silico modelu * pilířem jsou biochemické reakce * model reprezentován staticky biologickou sítí * nezávislý na výpočetních a analyzačních nástrojích (modelování dynamiky) * obecný popisovací jazyk -- Systems Biology Markup Language (SMBL) ­ http://www.sbml.org * grafická notace ­ SBGN ­ http://www.sbgn.org * analýza spočívá v simulaci dynamiky reakcí * vývoj substrátů v čase * různé přístupy k modelování dynamiky, aproximace * spojité/diskrétní * deterministické/stochastické Informace o předmětu Výběr odborné literatury Přehled základních pojmů Shrnutí * biologický systém definován interakcemi mezi jeho komponentami * interakce jsou omezeny základními zákony chemie ale i evolučním vývojem * syntaxí organismu-systému je síť komponent * sémantikou organismu-systému je jeho funkce (dynamika) * důraz na interakci, součinnost * hierarchie