nutsh ll

BioInformatics INT3407
Ôn tập cho khóa học INT3407

Nội dung ôn tập

DNA (gien), RNA, protein, các thành tố cấu thành chuỗi gien, quá trình tổng hợp protein

Trình tự DNA, RNA, protein là một trong những chủ đề nghiên cứu chủ yếu của Sinh học phân tử, mà từ đó để tìm ra đặc điểm, phương thức tiến hóa và mối quan hệ giữa các loài. Acid Nucleic là một loại đại phân tử sinh học mang thông tin mã hóa chức năng và các đặc điểm của sinh vật sống. Acid Nucleic gồm 2 loại là DNA (Deoxyribo Nucleic Acid) và RNA (Ribo Nucleic Acid). Thành phần cơ bản của AN là các phân tử hóa học nucleotide (DNA: A, T, G, C; RNA: A, U, G, C). Các nucleotide này kết hợp với nhau tạo thành cấu trúc xoắn kép gồm 2 sợi, các nucleotide ở mỗi sợ sẽ liên kết với nhau theo quy tắc A-T, G-C. Do vậy, thông tin trình tự DNA có thể lưu trữ bởi trình tự trên 1 sợi, theo dạng xâu kí tự như “ATAGCAT…”

Protein cũng thuộc những loại dữ liệu phổ biến và quan trọng trong tin sinh, nó quyết định chức năng, quá trình phát triển và bệnh tật của sinh vật sống. Protein được cấu tạo từ chuỗi các amino acid (20 loại), mỗi amino acid được cấu tạo từ 3 thành phần chính là nhóm amin (NH2), nhóm caboxyl (COOH) là nhóm R.

Mối quan hệ giữa DNA và Protein là: các đoạn DNA nhỏ trên chuỗi DNA sẽ mang thông tin hướng dẫn tạo ra Protein thông qua quá trình tổng hợp Protein, các đoạn DNA này được gọi là đoạn gen.

Quá trình tổng hợp Protein gồm 2 giai đoạn: phiên mã và dịch mã: ADN -> ARN -> Protein

Chuỗi tương đồng

Hai chuỗi được gọi là tương đồng (trình tự tương đồng) nếu chúng tiến hóa từ một DNA tổ tiên chung. Nếu 2 chuỗi là tương đồng thì chúng sẽ tương đối giống nhau, không giống nhau hoàn toàn bởi có thể xảy ra đột biến trong quá trình tiến hóa (substitution, insertion, deletion), và cũng vì vậy mà chưa chắc 2 chuỗi giống nhau đã là tương đồng. Định nghĩa này cũng tương tự đối với Protein.

Các CSDL sinh học điển hình cho DNA và protein (v.d. NCBI, Protein databank, v.v.)

Mặc dù việc giải trình tự DNA, Protein diễn ra trên khắp thế giới nhưng gần như tất cả dữ liệu thu được đều được lưu trữ và chia sẻ tại một số trung tâm lớn như:

NCBI là trung tâm thông tin trực tuyến lưu trữ nhiều cơ sở dữ liệu và cung cấp hàng loạt công cụ tìm kiếm và phân tích dữ liệu trực tuyến. Cấu trúc cơ bản của NCBI gồm 5 CSDL:

Một trong những định dạng dữ liệu chuẩn được các trung tâm thông tin sử dụng là FASTA, dùng để mô tả thông tin về một trình tự DNA (protein).

BLAST

Độ phức tạp của thuật toán gióng hàng cục bộ (tìm các cặp đoạn con giống nhau nhất) không cho phép thực hiện so sánh chuỗi truy vấn với toàn bộ chuỗi trong các CSDL lớn của Genbank. Các phương pháp gần đúng được đưa ra, trong đó có BLAST. Dựa trên nhận xét là các cặp đoạn giống nhau thì thường sẽ có chung một đoạn con giống hệt nhau, thuật toán BLAST đầu tiên tìm ra các cặp đoạn con giống hệt nhau và có độ dài > k chọn trước, sau đó mở rộng sang 2 phía cho tới khi việc mở rộng khiến cho điểm giống nhau giảm quá một ngưỡng . Quá trình mở rộng này diễn ra cho đến khi không thể mở rộng được nữa. Giá trị E-value thể hiện mức độ ngẫu nhiên, càng thấp càng chứng tỏ hai chuỗi đang so sánh có quan hệ chặt chẽ với nhau và ngược lại.

Nucleotide blast

  1. Nhập ADN truy vấn (dùng số hiệu truy cập hoặc nhập file theo dịnh dạng FASTA)
  2. Lựa chọn CSDL truy vấn để so sánh
  3. Xác định tham số cho thuật toán BLAST
  4. Chạy chương trình
  5. Phân tích và sao lưu kết quả: tổng hợp dữ liệu, tổng hợp kết quả tìm kiếm dưới dạng hình ảnh, mô tả kết quả tìm kiếm, liệt kê các cặp đoạn

Nucleotide blast

  1. Nhập ADN truy vấn (dùng số hiệu truy cập hoặc nhập file theo dịnh dạng FASTA)
  2. Lựa chọn CSDL truy vấn để so sánh
  3. Xác định tham số cho thuật toán BLAST
    • Max target sequences: số lượng tối đa kết quả trả lại
    • Short queries: yêu cầu thuật toán tự điều chỉnh tham số với những chuỗi ADN ngắn
    • Expected threshold: đóng vai trò như bộ lọc các kết quả tìm được theo điểm E-value
    • Word size: độ dài các cặp đoạn hạt giống
    • Scoring params: ma trận C
  4. Chạy chương trình
  5. Phân tích và sao lưu kết quả
    • tổng hợp dữ liệu: các thông tin cơ bản về chuỗi truy vấn, CSDL được chọn và chương trình blast (số hiệu, tên chuỗi, mô tả nội dung chuỗi truy vấn, độ dài chuỗi, loại dữ liệu, ..)
    • tổng hợp kết quả tìm kiếm dưới dạng hình ảnh: cho cái nhìn tổng quát bằng hình ảnh (số lượng cặp đoạn giống nhau tìm được, phân bố các điểm giống nhau theo màu sắc, độ vài và vị trí các cặp đoạn, ..)
    • mô tả kết quả tìm kiếm: liệt kê thông tin về từng cặp giống nhau tìm được (thông tin chuỗi, điểm giống nhau, mức độ bao phủ, giá trị e-value, ..)
    • liệt kê các cặp đoạn: thông tin chi tiết hơn của từng cặp
*****
Written by Trung Nghia Nguyen on 04 January 2019