lajoimat Introduction à la bio-informatique Mathieu Lajoie 1er août 2008 Département de Biochimie Université de Montréal

http://esilbac1.esi.umontreal.ca/~lajoimat

Introduction à la bio-informatique

Mathieu Lajoie

1er août 2008

Département de BiochimieUniversité de Montréal

Informatique: Science du traitement automatique et rationnel de l'information*.

Biologie: Science du vivant.

*« L'informatique n'est pas plus la science des ordinateurs que l'astronomie n'est celle des télescopes » - Edsger Dijkstra

Menu du Jour

EntréeProtéines, ADN et Gènes(dans leur Cellule)

Plat de résistanceLa bio-informatique en action

DessertLa recherche et les études

en bio-informatique

Apportez vos question...

La cellule

Protéine

ADN

Membrane

Noyau

ARNm

Kératine, collagène, hémoglobine, insuline, rhodopsine ...

Les protéines sont à la base de la vie

Les protéines sont des chaines d'acides aminésrepliées sur elles-mêmes

L'ADN contient l'information pour fabriquer les protéines

GCAT

TATA

CGCGAT

A G GT C CT

AC CG G

TA

TA

GCAT

TATACGCGAT

On peut lire l'ADN...

ATGGATAGCATCGATCGATGAAAAAAAAAAAAAAGCAAGTATCATCCTTAGATAGTTCTATAAGAAGCTAGAGGAGACCTTAACACATGAACAGAAAGAAGGACGACGACGACGAC

CTTCCTATTTCTGAAGACTATAAAGCTTCTGAAAGGTTGAGGGGTAACATCTCTCTTTCCTGTTCAAGTTAAGACCTTTGGTCCTTATATGAAGGAAAAGATTTAATAGCTCAAGCACAGACGGGAACAGGAAAGAAAGACATTCTATTTTGCGCCCTTTGATTGAAAGACTCCAAAGAGATCAAGAAACAGTTTTTTGTTTGTTTGTTTGTTTGTTTGTTTTTTGAGACAGAATCTCGCTCTGTCGCCCAGGCTGGATCTCGGCTCACTGCAAGCTCCGCCGCCCGGGTTCACACCATTTTCCTGCCTCAGCCTCCCAAGTAGCTGGGACTACAGGCACCCGCCACCACCCCCGACTATTTTTTTTTGTATTTTTAGTAGAGACGGGATTTCACCGTGTTAGCCAGGATGGTCTCAATCTCCTGACCCAGCTCTGATTGGATCTTTCTAAACTGTGCCATGTTGTGCTTGATGAAGTGGATCAAATGTTAGAGTTAGGTTTTGCTGAACAAGTTGAAGATATTATTCATGAATTCTACAAAACTGATTCTGAAGACAGTCCTCAGACTTTACTTTTTTCTGCAGCTCGCCCACAGTGGGTATGCAAAGTTGCAAAAAAATGAGTGAAATCCAGATACGAACAGATTGATGTTTTTGGAAAAATGACTCAAAAGGCTGCAGCTTCTGTGGAACATTTGGCCATCCGGTGTCATTGGTTCAGAGGCCAGCAGTTACTGGAGATGTCCTTCAAGTCTACAGTGGGTCTGAAGGGACGGCTATTATTTTCTGTGAGACCCAGAGGAGTGTAACTGAAATAGCCATGAATCCACACATAAAACAGAATGCCCAGTGTTTACATGGGGACATTGCACAGTCACAAAGAGAATTTACACTAAAAGACTTCAGAGAAGGTAGTTTTAAAGTTTTGGTGCAACCAACGTGGCTGCCTGTGGTTTGGACATTCCTGAAGTTGACCTGGTGATTCATGGTTCTCCTCCTAGGATGTTGAGTCTATATCCATCGTTCTGGACGCACAGGTAGAGCTGGACAGACAGGGATTTGTATATGTTTTTATCAACCAAGAGAAAGAGGTCAACTAAGATATGTGGAACAAAAAGTAGGAATTACTTTTAAATGTGTAGGTATTCCTTCTACAATGGATTTAGTTAAATCTAAAAGCACGGATGCCATAAGGTCTCTGGCTTCTGTTTCTTATGCTGCTGTTGATTTTTTCC

AACCATCAGCTCAGATACTGACAGAAGAGAAAGGGGCAGTGGATGCATTGGCTGG

Le Génome Humain

page 1

A

Chromosome 1

ATGGATAATGGATGCATCGATCGATGAAAAAAAAAAAAAAGCAAGTATCATCCTTAGATAGTTCATAAGAAGCTAGAGGAGACCTTAACACATGAACAGAAAGAAGGACGACGACGACGACCTTCCTATTTCTGAAGACTATAAAGCTTCTGAAAGGTTGAGGGGTAACATCTCTCTTTCCTGTTCAAGTTAAGACCTTTGGTCCTTATATGAAGGAAAAGATTTAATAGCTCAAGCACAGACGGGAACAGGAAAGAAAGACATTCTATTTTGCGCCCTTTGATTGAAAGACTCCAAAGAGATCAAGAAACAGTTTTTTGTTTGTTTGTTTGTTTGTTTGTTTTTTGAGACAGAATCTCGCTCTGTCGCCCAGGCTGGATCTCGGCTCACTGCAAGCTCCGCCGCCCGGGTTCACACCATTTTCCTGCCTCAGCCTCCCAAGTAGCTGGGACTACAGGCACCCGCCACCACCCCCGACTATTTTTTTTTGTATTTTTAGTAGAGACGGGATTTCACCGTGTTAGCCAGGATGGTCTCAATCTCCTGACCCAGCTCTGATTGGATCTTTCTAAACTGTGCCATGTTGTGCTTGATGAAGTGGATCAAATGTTAGAGTTAGGTTTTGCTGAACAAGTTGAAGATATTATTCATGAATTCTACAAAACTGATTCTGAAGACAGTCCTCAGACTTTACTTTTTTCTGCAGCTCGCCCACAGTGGGTATGCAAAGTTGCAAAAAAATGAGTGAAATCCAGATACGAACAGATTGATGTTTTTGGAAAAATGACTCAAAAGGCTGCAGCTTCTGTGGAACATTTGGCCATCCGGTGTCATTGGTTCAGAGGCCAGCAGTTACTGGAGATGTCCTTCAAGTCTACAGTGGGTCTGAAGGGACGGCTATTATTTTCTGTGAGACCCAGAGGAGTGTAACTGAAATAGCCATGAATCCACACATAAAACAGAATGCCCAGTGTTTACATGGGGACATTGCACAGTCACAAAGAGAATTTACACTAAAAGACTTCAGAGAAGGTAGTTTTAAAGTTTTGGTGCAACCAACGTGGCTGCCTGTGGTTTGGACATTCCTGAAGTTGACCTGGTGATTCATGGTTCTCCTCCTAGGATGTTGAGTCTATATCCATCGTTCTGGACGCACAGGTAGAGCTGGACAGACAGGGATTTGTATATGTTTTTATCAACCAAGAGAAAGAGGTCAACTAAGATATGTGGAACAAAAAGTAGGAATTACTTTTAAATGTGTAGGTATTCCTTCTACAATGGATTTAGTTAAATCTAAAAGCACGGATGCCATAAGGTCTCTGGCTTCTGTTTCTTATGCTGCTGTTGATTTTTTCCAACCATCAGCTCAGATACTGACAGAAGAGAAAGGGGCAGTGGATGCATTGGCTGG

page 2 000 000

fin

ATATGAAAAAAAAAAAGCAAGTATCATCCTTAGATAGTTCTACTCATGAATCAAGTGATAAGAAGCTAGAGGAGACCTTAACACATGAACAGAAAGAAGGAACCTTCTCCAAT

CTTCCTATTTCTGAAGACTATAAAGCTTCTGAAAGGTTGAGGGGTAACATCTCTCTTTCCTGTTCAAGTTAAGACCTTTGGTCCTTATATGAAGGAAAAGATTTAATAGCTCAAGCACAGACGGGAACAGGAAAGAAAGACATTCTATTTTGCGCCCTTTGATTGAAAGACTCCAAAGAGATCAAGAAACAGTTTTTTGTTTGTTTGTTTGTTTGTTTGTTTTTTGAGACAGAATCTCGCTCTGTCGCCCAGGCTGGATCTCGGCTCACTGCAAGCTCCGCCGCCCGGGTTCACACCATTTTCCTGCCTCAGCCTCCCAAGTAGCTGGGACTACAGGCACCCGCCACCACCCCCGACTATTTTTTTTTGTATTTTTAGTAGAGACGGGATTTCACCGTGTTAGCCAGGATGGTCTCAATCTCCTGACCCAGCTCTGATTGGATCTTTCTAAACTGTGCCATGTTGTGCTTGATGAAGTGGATCAAATGTTAGAGTTAGGTTTTGCTGAACAAGTTGAAGATATTATTCATGAATTCTACAAAACTGATTCTGAAGACAGTCCTCAGACTTTACTTTTTTCTGCAGCTCGCCCACAGTGGGTATGCAAAGTTGCAAAAAAATGAGTGAAATCCAGATACGAACAGATTGATGTTTTTGGAAAAATGACTCAAAAGGCTGCAGCTTCTGTGGAACATTTGGCCATCCGGTGTCATTGGTCTCAGAGGCCAGCAGTTACTGGAGATGTCCTTCAAGTCTACAGTGGGTCTGAAGGGACGGCTATTATTTTCTGTGAGACCCAGAGGAGTGTAACTGAAATAGCCATGAATCCACACATAAAACAGAATGCCCAGTGTTTACATGGGGACATTGCACAGTCACAAAGAGAATTTACACTAAAAGACTTCAGAGAAGGTAGTTTTAAAGTTTTGGTGCAACCAACGTGGCTGCCTGTGGTTTGGACATTCCTGAAGTTGACCTGGTGATTCATGGTTCTCCTCCTAGGATGTTGAGTCTATATCCATCGTTCTGGACGCACAGGTAGAGCTGGACAGACAGGGATTTGTATATGTTTTTATCAACCAAGAGAAAGAGGTCAACTAAGATATGTGGAACAAAAAGTAGGAATTACTTTTAAATGTGTAGGTATTCCTTCTACAATGGATTTAGTTAAATCTAAAAGCACGGATGCCATAAGGTCTCTGGCTTCTGTTTCTTATGCTGCTGTTGATTTTTTCCAAC

CATCAGCTCAGATACTGACAGAAGAGAAAGGGGCAGTGGATGCATTGGCTGGT

Le Génome Humain

page 1

AChromosome 1

gène

ACGATCTGGATCGCTAGCTTCGGCTCGATTATGGATAGA...

ADN

Structure et fonctionnementd'un gène


ADN



ADN

ARNm


CGC TAG CUU TAU CUC CGC TAU TAG


ADN

ARNm


CGC TAG CUU TAU CUC CGC TAU TAG

Protéine


ADN


Une première application de la bio-informatique:

l'assemblage des génomes

AGTTAAGACCTTTGGTCCTTATATGAAGGAAAAGATTTAATAGCTCAAGCACAGACGGGAACAG

GAAAGAAAGACATTCTATTTTGCGCCCTTTGATTGAAAGACTCCAAAGAGATCAAGAAACAGTT

TTTTGTTTGTTTGTTTGTTTGTTTGTTTTTTGAGACAGAATCTCGCTCTGTCGCCCAGGCTGGAT

CTCGGCTCACTGCAAGCTCCGCCGCCCGGGTTCACACCATTTTCCTGCCTCAGCCTCCCAAGT

AGCTGGGACTACAGGCACCCGCCACCACCCCCGACTATTTTTTTCCTGTTCAAGTTAAGACCTT

TGGTCCTTATAT






TGGTCCTTATAT






TGGTCCTTATAT






TGGTCCTTATAT






TGGTCCTTATAT






TGGTCCTTATAT






TGGTCCTTATAT






TGGTCCTTATAT

AGTTAAGACCTTTGGTCCTTATATGAAGGAAAAGATTTAATAGCTCAAGCACAGACGGGAACAGGAAAGAAAGACATTCTATTTTGCGCCCTTTGATTGAAAGACTCCAAAGAGATCAAGAAACAGTTTTTTGTTTGTTTGTTTGTTTGTTTGTTTTTTGAGACAGAATCTCGCTCTGTCGCCCAGGCTGGATCTCGGCTCACTGCAAGCTCCGCCGCCCGGGTTCACACCATTTTCCTGCCTCAGCCTCCCAAGTAGCTGGGACTACAGGCACCCGCCACCACCCCCGACTATTTTTTTCCTGTTCAAGTTAAGACCTTTGGTCCTTATAT

TTGGTCCTTATATGAAGGAAAAGATTTAATAGCTCAAGCACAGACGGGAACAGGAAAGAAAGACATTCTATTTTGCGCCCTTTGATTGAAAGACTCCAAAGAGATCAAGAAACAGTTTTTTGTTTGTTTGTTTGTTTGTTTGTTTTTTGAGACAGAATCTCGCTCTGTCGCCCAGGCTGGATCTCGGCTCACTGCAAGCTCCGCCGCCCGGGTTCACACCATTTTCCTGCCTCAGCCTCCCAAGTAGCTGGGACTACAGGCACCCGCCACCACCCCCGACTATTTTTTTCCTGTTCAAGTTAAGACCTTTGGTCCTTATATCACCCGCCACCACCCCCGACTATTTTTCACCCGCCACCACCCCCGACTATTTT

GTTAAGACCTTTGGTCCTGTTAAGACCTTTGGTCCTGTTAAGACCTTTGGTCCTT

CCTTTGGTCCTTATATGAAGGAAAAGATTTAATAGCTCAAGCACAGACGGGAACAGGAAAGAAAGACATTCTATTTTGCGCCCTTTAGTTAAGAGATTGAAAGACTCCAAAGAGATCAAGAAACAGTTTTTTGTTTGTTTGTTTGTTTGTTTGTTTTTTGAGACAGAATCTCGCTCTGTCGCCCAGGCTGGATCTCGGCTCACTGCAAGCTCCGCCGCCCGGGTTCACACCATTTTCCTGCCTCAGCCTCCCAAGTAGCTGGGACTACAGGCACCCGCCACCACCCCCGACTATTTTTTTCCTGTTCAAGTTAAGACCTTTGG



TTGGTCCTTATATGAAGGAAAAGATTTAATAGCTCAAGCACAGACGGGAACAGGAAAGAAAGACATTCTATTTTGCGCCCTTTGATTGAAAGACTCCAAAGAGATCAAGAAACAGTTTTTTGTTTGTTTGTTTGTTTGTTTGTTTTTTGAGACAGAATCTCGCTCTGTCGCCCAGGCTGGATCTCGGCTCACTGCAAGCTCCGCCGCCCGGGTTCACACCATTTTCCTGCCTCAGCCTCCCAAGTAGCTGGGACTACAGGCACCCGCCACCACCCCCGACTATTTTTTTCCTGTTCAAGTTAAGACCTTTGGTCCTTATATCACCCGCCACCACCCCCGACTATTTTTCACCCGCCACCACCCCCGACTATTTT

GTTAAGACCTTTGGTCCTGTTAAGACCTTTGGTCCTGTTAAGACCTTTGGTCCTT

CCTTTGGTCCTTATATGAAGGAAAAGATTTAATAGCTCAAGCACAGACGGGAACAGGAAAGAAAGACATTCTATTTTGCGCCCTTTAGTTAAGAGATTGAAAGACTCCAAAGAGATCAAGAAACAGTTTTTTGTTTGTTTGTTTGTTTGTTTGTTTTTTGAGACAGAATCTCGCTCTGTCGCCCAGGCTGGATCTCGGCTCACTGCAAGCTCCGCCGCCCGGGTTCACACCATTTTCCTGCCTCAGCCTCCCAAGTAGCTGGGACTACAGGCACCCGCCACCACCCCCGACTATTTTTTTCCTGTTCAAGTTAAGACCTTTGG


Activité 1

Visualisation des molécules biologiques

Organisation des données biologiques

Organismes séquencés ou en cours de séquençage

Mammifères séquencés ou en cours de séquençage

Étudier l'évolution desespèces et de leur génome

A G GT C CT

AC CG G

TA

TA G G A

C C T

Comment évolue l'ADN ?

Simulation "photoshop" de l'évolution



KABOUMMMM !!!!!Fiou !





Apparition de nouvelles espèces(spéciation)

... ACT...

... ACA ... ... ACT...

mutationT A

Apparition de nouvelles espèces(spéciation)

Activité 2

?

~6 millions

~50 millions

~80 millions

~90 millions

~450 millions d’années

~50 millions

~80 millions

~90 millions


? ?

~6 millions

~50 millions

~80 millions

~90 millions


~6 millions

~50 millions

~80 millions

~90 millions


? ?

~6 millions

~50 millions

~80 millions

~90 millions


~6 millions

~50 millions

~80 millions

~90 millions


?

~6 millions

~6 millions

~50 millions

~80 millions

~90 millions


Analyse des données de micro-puces à ADN

ARNm

Gène X Gène Y Gène Z

Saine Cancéreuse


Saine Cancéreuse

Puce à ADN Gène X Gène Y Gène Z

Saine Cancéreuse


Saine Cancéreuse


Saine Cancéreuse


Saine Cancéreuse

saine

cancéreuse

saine + cancéreuse

Analyse des résultats

Comparaison des séquences

...TCATTGCTCGATTATGAAACATATAAGA...

...GTAGGCTCGATTATGATAATGATAGGC...

...CTTCGGACGATTATGAGATAGTATGGA...

Identification des sites actifs dans les protéines par comparaison de séquences

...TCATTGCTCGATTATGAAACATATAAGA...

...GTAGGCTCGATTATGATAATGATAGGC...

...CTTCGGACGATTATGAGATAGTATGGA...

cible thérapeutique

potentielle

Identification des sites actifs dans les protéines par comparaison de séquences

Génétique des populations

ACGATCTGGATCGCGAGCTTCGGCTCGATTATGGA

ACGACCTGGATCGCTAGCTTCGGCTCGATTGTGGA

ACGATCTGGATCGCGAGCTTCGGCTCGATTATGGA

ACGACCTGGATCGCTAGCTTCGGCTCGATTGTGGA

Environ une base sur 1,200 diffère3 000 000 000 ÷ 1,200 = 2 500 000 SNPs

Comment ?

Recueillir des échantillons (ADN, glucose, lipides etc) chez 20 000 adultes âgés entre 40 à 69 ans pour étudier les facteurs génomiques de santé et de maladie.

Pourquoi?

•Améliorer la prévention, la détection et le traitement des maladies.

•Analyser les interactions entre gènes ainsi qu'entre gènes et environnement.

Activité 3

DECSciences Nature

maths 536physique 534 chimie 534

BaccalauréatBio-info

oubiochimiebiologie

informatiquemathématiques

MaitriseBio-info

DoctoratBio-info

CÉGEP Université

Passage direct

Comment devenir bio-informaticien ?

Que réserve l'avenir aux bio-informaticiens ?

Profession relativement récente donc peu de données

Domaine en effervescence

Employeurs : milieu académique, instituts de recherche, industrie pharmaceutique

Possibilité de faire une carrière internationale

?

52m

130mDétail des calculs

Roman Océantume de Réjean Ducharme:50 caractères / ligne30 lignes/pages ->1500 caractères/page260 pages/livre3000000000 bp / 1500 caractères/page = 2 millions de pages / 260 pages/livre=7692 livres * 1,7 cm /livre=130 mètres(Tour UdeM = 52 mètres)

ADN-spaghettiDiamètre ADN: 2 nm (2x10-9 m)Diamètre spaghetti: 2mm (2x10-3 m)=> Grosissement: 1 000 000 x=>1m d'ADN dans une cellule=>1000 km de spaghetti

Volume: 4 m3 approx pour 1000 km de spagDiamètre d'une cellule:10-30 microns (10-6 mètres)

130m

Longueur: 1 m Diamètre: 2 nm

Diamètre: ~15 μm

Multiplions les grandeurs par un million...

130m

Longueur: 1 m Diamètre: 2 nm

Diamètre: ~15 μm

Multiplions les grandeurs par un million...

Longueur: 1000 km !Diamètre: 2 mm

Diamètre: ~15 m

cristal patron de diffraction

carte densité électroniquestructure

Documents

lajoimat Introduction à la bio-informatique Mathieu Lajoie 1er août 2008 Département de Biochimie Université de Montréal