Введение в информационную биологию

Куратор курса: академик Колчанов Николай Александрович

I. Организационно-методический раздел.
    1.1. Цели и задачи курса.
    1.2. Требования к уровню освоения содержания курса (дисциплины).
    1.3. Формы контроля
II. Содержание дисциплины.
Образцы вопросов для подготовки к дифференцированному зачету.
Лекции 2010-2011
Лекции 2004-2005
Вопросы к дифференцированному зачету по вводному спецкурсу «Введение в информационную биологию» (2004-2005)
Лекции 2002-2003

­

I. Организационно-методический раздел.


1.1. Цели и задачи курса:

  • Дисциплина «Введение  в информационную биологию» предназначена для ознакомления студентов с современными представлениями о предмете и основных концепциях информационной биологии, объектов изучения информационной биологии, методах и алгоритмах получения, представления и анализа данных в информационной биологии.
  • Основной целью освоения дисциплины является получение студентами основополагающих сведений о содержании и возможностях информационной биологии (биоинформатики), возможностях приложения методов информационной биологии, в том числе,   теоретического анализа и компьютерного моделирования, к решению фундаментальных и прикладных проблем молекулярной биологии, молекулярной генетики, клеточной биологии, физиологии, биофизики, общей биологии, биомедицины, фармакологии, экологии и задач, возникающих на стыке этих наук с математикой, информатикой и физикой.
  • Для достижения поставленной цели выделяются задачи курса: изучение содержательных  основ предмета исследований, понятийного аппарата и методологической базы информационной биологии.

[Назад]


1.2. Требования к уровню освоения содержания курса (дисциплины)

По окончании изучения указанной дисциплины студент должен:

  • иметь представление о предмете информационной биологии и методах, которыми оперирует биоинформатика;
  • знать основополагающие концепции биоинформатики и круг основных задач, которые решаются в рамках биоинформатики; способы получения, организации и анализа данных;
  • уметь использовать основные подходы и методы биоинформатики для решения конкретных научно-исследовательских задач.

[Назад]


1.3. Формы контроля
Итоговый контроль. Для контроля усвоения дисциплины учебным планом предусмотрен дифференцированный зачет.

[Назад]

II. Содержание дисциплины.

Актуальность курса обусловлена стремительным нарастанием молекулярно-биологических и молекулярно-генетических данных, связанного с массовой расшифровкой полных геномных последовательностей. Осмысливание этих данных, беспрецедентных по объемам, невозможно без привлечения современных информационных технологий, создания и развития эффективных методов и алгоритмов анализа данных и моделирования биологических систем и процессов. На стыке биологии, математики, информатики возникла новая наука – информационная биология (биоинформатика), методами которой являются методы организации информации, широко понимаемые компьютерные методы, методы вычислительной математики и статистики, адаптированные к анализу секвенированных последовательностей биополимеров, экспериментально определенных пространственных структур биологических макромолекул, данных об экспрессии генов, иерархически организованных регуляторных генетических систем, генных сетей,  контролирующих весь спектр фенотипических характеристик организмов,  и т.д.

Специализация по кафедре информационной биологии и курс «Введение в информационную биологию» в рамках  учебного плана для студентов этой специализации необходимы для подготовки высококлассных специалистов в новой области науки.

В России специализация по биоинформатике существует только в МГУ (с 2002 г.).

[Назад]

Образцы вопросов для подготовки к дифференцированному зачету.

  1. Каким открытиям и достижениям в молекулярной биологии и генетике обязана своим возникновением  информационной биология? Привести характеристики генома человека. Назвать информационные технологии, находящие применение в биоинформатике.
  2. Три уровня организации биологических систем ((i) молекулярно-генетический, (ii) организменный, (iii) популяционный и экосистемный) – предмет исследований информационной биологии. Перечислить основные задачи информационной биологии.
  3. Молекулярно-информационные основы функционирования генетических самовоспроизводящихся систем.
  4. Биологические макромолекулы (ДНК, РНК, белки), фундаментальные генетические процессы (репликация, транскрипция, трансляция), генетические сети как объекты исследований информационной биологии.
  5. Общие понятия о методах получения молекулярно-генетических данных (расшифровки пространственной структуры белков; расшифровки (чтения) аминокислотных и нуклеотидных последовательностей; генетической инженерии, трансгенеза, клонирования; технологии ДНК-чипов).
  6. Определение биологических самовоспроизводящихся систем; типы и свойства биологических самовоспроизводящихся систем. Информационные потоки в таких системах. Технологии компьютерного моделирования биологических систем.
  7. Характерные свойства генетических систем. Концепция каталитического гиперцикла М.Эйгена. Рибозимы — новый класс природных молекул РНК. Их роль в возникновении жизни. Селекс-методы для моделирования процессов молекулярной эволюции и получения молекулярных продуктов с заданными свойствами.
  8. Источники изменчивости генетической информации. Эпигенетическая наследственность. Стратегии адаптации генетических систем к условиям внешней среды.
  9. Молекулярная эволюция геномов. Использование метода нуклеотидных замен для  датировки событий молекулярной эволюции. Нейтральные мутации и теория Кимуры. Правило Холдейна. Сравнительные характеристики белков транскрипционной и трансляционной машин. Роль дупликаций в эволюции геномов. Горизонтальный перенос генетической информации и его роль в ранней эволюции геномов.
  10. Типы регуляторных контуров самовоспроизводящихся систем и закономерности их эволюции. Основные классы мутаций (повреждающие, нейтральные, адаптивные), их фиксация в популяциях. Компенсаторный эффект отрицательных обратных связей. Отрицательные обратные связи – имманентная причина вырождения самовоспроизводящихся систем. Последствия мутаций для биологических систем с иерархическим управлением. Дестабилизирующий отбор.
  11. Определение генной сети и ее обязательных компонентов. Классы элементарных структур и событий, значимых для функционирования генных сетей. Типы процессов, контролируемых генными сетями. Основные элементы гипотетических генных сетей. Правила описания динамики функционирования генных сетей.

[Назад]

Лекции (2010-2011)

Программа курса лекций (скачать).

Лекция 1 Колчанов Н.А. «Введение в информационную биологию».

В лекции рассказывается о появлении на стыке биологии, математики, физики, химии и информатики новых областей науки – биоинформатики и системной биологии. Рассматриваются основные направления – геномика, протеомика, транскриптомика, эволюционная биоинформатика и биоинформатика развития и др. Также рассказывается о структуре отдела Системно Биологии ИЦиГ СО РАН и о Кафедре Информационной биологии ФЕН НГУ.

Лекция 2 Афонников Д.А. «Адаптация организмов к экстремальным условиям среды на молекулярном и геномном уровне».

В лекции рассказывается о различных способах адаптации организмов (в частности, прокариотических) к экстремальным условиям среды обитания (сверхвысокое или сверх-низкое давление, высокие температуры и т.д.), а также о теоретических методах исследования этих способов. Рассматриваются методы изучения эволюции с помощью био-информационных подходов.

Лекция 3 Сорокина К.Н. «Современные подходы в создании промышленных биотехнологий».

Лекция посвящена современным подходам в создании промышленных биотехнологий, основанных на синтезе биоинженерии, микробиологии, метаболической инженерии. Рассмотрено применение биоинформационных под-ходов для улучшения свойств белков, а также продукции целевых веществ

Лекция 4 Лашин С.А. «Теоретическое исследование эволюции прокариот».

В лекции рассматриваются различные аспекты теоретиче-ского исследования эволюции и функционирования прока-риот. Математические и компьютерные модели: от простых моделей метаболизма бактериальной клетки до моделей бактериального сообщества. Анализ и сравнение геномов прокариотических организмов.

Лекция 5 Гунбин К.В. «Компьютерное исследование режимов эво-люции генов и генных сетей животных, обуславливающих эмбриональное развитие».

Лекция посвящена различным подходам и компьютерным системам для исследования режимов эволюции белок-кодирующих генов и генных сетей, разработанных в ИЦиГ СО РАН и за рубежом. В лекции будут освящены различные аспекты молекулярной эволюции эмбрионального развития животных на примере генных сетей Shh-, Dpp-, BMP и других каскадов сигналов.

Лекция 6 Акбердин И.Р. «Математическое моделирование динамики функционирования живых систем на различных иерархических уровнях их организации».

Лекция посвящена подходам, компьютерным системам для математического моделирования живых систем, разработанных в ИЦиГ СО РАН. В качестве биологического объекта математического моделирования будет рассмотрена меристема побега – ткань растения, содержащая стволовые клетки.

Лекция 7 Дорошков А.В./Миронова В.В. «Современная генетика растений: в поле и перед монитором».

В лекции рассматривается положение исследований в современной генетике растений – основные объекты, дости-жения, перспективы, а также ряд успешно применяемых компьютерных и компьютерно-экспериментальных подходов.

Лекция 8 Иляскин А.В. «Решение задач физиологии методами биоинформатики».

Лекция посвящена применению методов математического моделирования для изучения физиологических процессов. Будут представлены основные подходы к математическому описанию транспорта веществ через мембрану клетки. В частности, будут рассмотрены результаты моделирования механизмов регуляции объема клеток и связанных с ними процессов трансмембранного переноса воды и осмолитов.

Лекция 9 Яркова Е.Э. «Применение автоматического анализа текстов (Text-mining) для реконструкции ассоциативных генетических сетей».

Лекция посвящена использованию методов автоматизиро-ванного анализа текстов в биоинформатике. Даётся краткий обзор различных областей применения методов text-mining в биологии, а также более подробно рассматривется автоматизированное извлечение знаний о взаимодействиях между молекулярно-генетическими объектами, клеточными процессами и заболеваниями из текстов научных публикаций с целью реконструкции ассоциативных сетей молекулярно-генетических взаимодействий.

Лекция 10 Иванисенко В.А. «Компьютерная протеомика: молекулярный дизайн, моделирование и анализ эволюции белков; новая фармакология».

Лекция посвящена подходам компьютерной протеомики, направленным на решение задач в области молекулярного дизайна, моделирования и анализа эволюции белков, а также новой фармакологии.

Лекция 11 Катохин А.В./Ефимов В.М. «Применение ДНК-микрочипов для исследования структуры геномов и экспрессии генов».

В лекции даётся представление о технологии ДНК-микрочипов, о разнообразии технических решений в рамках технологии, об областях применения этой технологии для решения молекулярно-биологических задач. Рассматриваются методы предобработки (логарифмирование, стандартизация, квантильное выравнивание) и обработки данных (кластеризация, метод главных компонент и другие).

Лекция 12 Мордвинов В.А. «Регуляция транскрипции генов цитокинов: гены интерлейкина-5 человека и мыши».

С помощью экспериментально-компьютерного подхода определена структурно-функциональная организация регуляторных районов генов интерлейкина-5 (ИЛ-5) мыши и человека. Обнаруженные межвидовые различия указывают на то, что экспериментальные данные, полученные при исследовании регуляции экспрессии гена ИЛ-5 мыши, не могут адекватно отражать механизмы регуляции экспрессии ИЛ-5 человека.

Лекция 13 Рубцов Н.Б. «Современные методы микроскопии и компьютерного анализа изображений».

В лекции будет рассказано о современных методах микроскопии и компьютерного анализа изображений.

[Назад]

Лекции (2004-2005)

Лекция №1.
Применение ДНК-биочипов (микроматриц) для исследования экспрессии генов (скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №2.
Генетические механизмы кодирования биологической сложности (скачать)
Лекция №3.
Функциональные сети: структура, динамика, эволюция (скачать)
Лекция №4.
Математическое и компьютерное моделирование морфогенеза(скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №5.
Организация геномов эукариот: экспериментально-теоретические подходы к исследованию мобильных генетических элементов (скачать)
Лекция №6.
Молекулярный дизайн, компьютерное моделирование и анализ структуры и эволюции функциональных сайтов глобулярных белков (скачать)
Лекция №7.
Компьютерный дизайн гипотетических генных сетей (скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №8.
Трансляция и трансгенез: эксперимент, компьютерный анализ и моделирование (скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №9.
Генные сети и транскрипционные механизмы регуляции координированной экспрессии генов (скачать)
комментарии к лекции (скачать)

Вопросы к дифференцированному зачету по вводному спецкурсу «Введение  в информационную биологию» (2004-2005) (скачать)

[Назад]

Лекции (2002-2003)

Лекция №1.
Введение. Биологические самовоспроизводящиеся системы: основные понятия и определения (скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №2.
15 задач информационной биологии (скачать)
Лекция №3.
Молекулярная эволюция генетических систем: концепции и задачи (скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №4.
Молекулярная эволюция регуляции генетических систем (скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №5.
Вторичная структура РНК и методы её расчета (скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №6.
Методы молекулярной динамики конформационного анализа биополимеров (скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №7.
Компьютерные алгоритмы для предсказания вторичной структуры (скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №8.
Контекстный анализ и распознавание сайтов связывания транскрипционных факторов (скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №9.
Мутации в регуляторных районах генов: базы данных и компьютерный анализ (SNP) (скачать)
Лекция №10.
Механизмы регуляции транскрипции: описание в компьютерных базах данных (скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №11.
Трансляция: компьютерный анализ и моделирование (скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №12.
Теоретико-компьютерные иследования процесса трансляции (скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №13.
Принципы саморганизации живых систем (скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №14.
Значение ГИС в исследовании биоразнообразия (скачать)
Лекция №15.
Компьютерное моделирование филогенетических связей видов полиморфных родов по методу SYNAP (на примере рода Молочай) (скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №16.
Экспериментальное изучение и моделирование клеточного цикла (скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №17.
Методы биоинформатики в изучении метаболизма белков. Обзор (скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №18.
Теория гипотетических генных сетей (скачать)
Лекция №19.
Структурно-функциональная организация генов и геномов и коды нуклеосомной организации геномной ДНК (скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №20.
Конформационные особенности сайтов связывания транскрипционных факторов (скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №21.
Порядок из хаоса или хаос хаосу рознь (скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №22.
Структура функциональных сетей (скачать)
Лекция №23.
Компьютерный анализ информационного содержания геномов (скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №24.
Молекулярная эволюция белков (скачать), комментарии к лекции (скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №25.
Марковские модели (скачать)
комментарии к лекции (скачать)
Лекция №26.
Компьютерные подходы к интеграции и систематизации знаний в области молекулярной биологии (скачать)

[Назад]