Введение в информационную биологию

Куратор курса: к.б.н. Лашин Сергей Александрович

I. Организационно-методический раздел Цели и задачи курса

Требования к уровню освоения содержания курса (дисциплины)

Формы контроля

II. Содержание дисциплины. Образцы вопросов для подготовки к дифференцированному зачету.

Лекции

I. Организационно-методический раздел.

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.

Требования к уровню освоения содержания курса

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.

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.).

Образцы вопросов для подготовки к 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.

Лекции

Программа курса лекций (скачать)

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

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

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 «Современные подходы в создании промышленных биотехнологий».(Сорокина К.Н.)

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 «Теоретическое исследование эволюции прокариот».(Лашин С.А.)

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

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

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

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 «Решение задач физиологии методами биоинформатики». (Иляскин А.В.)

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

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

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

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

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

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 «Современные методы микроскопии и компьютерного анализа изображений». (Рубцов Н.Б.)

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

[Назад]

Scroll to top