30/09/2014 BIOTECNOLOGIE MOLECOLARI E BIOINFORMATICA Systems Biology Introduzione al corso A.A. 2014-2015 Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano Informazioni sul corso • Systems Biology – LM BMB - curriculum Bioinformatico – area disciplinare: INF/01 – 6 CFU – insegnamento a scelta Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano 1 30/09/2014 Obiettivi del corso • Vedere la Biologia sotto una prospettiva diversa! – Presentare i metodi computazionali principali nell’ambito della Biologia dei Sistemi – Fornire le basi concettuali e gli strumenti per integrare dati e conoscenze biologiche con metodi informatici e matematici multidisciplinarietà – Sviluppare le capacità di analisi nella scelta del metodo computazionale più adeguato per formalizzare e studiare un sistema biologico Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano Materiale didattico • Sito del corso: http://homes.di.unimi.it/besozzi/sysbio/ – programma del corso – calendario delle lezioni – materiale didattico – calendario degli appelli d’esame – link a riviste scientifiche di Systems Biology Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano 2 30/09/2014 Un esempio (o «caccia al tesoro») Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano 3 30/09/2014 Post Replication Repair (PRR) e ubiquitinazione di PCNA PCNA UV-induced lesions Mono-ubiquitylation of PCNA by enzymes Rad6 and Rad18 Poly-ubiquitylation of PCNA by enzymes Rad5 and Ubc13-Mms2 di-ubiquitylation tri-ubiquitylation ub Rad18 Rad18 ub Rad6 Rad5 Translesion DNA Synthesis (mutagenic) ub ub Ubc13-Mms2 Rad5 ub ub Ubc13-Mms2 Template Switching (error-free) In laboratorio… • PCNA ubiquitylated forms are switched off at low UV doses, while at high UV doses both signals are still present after 5 h UV=5 J/m2 UV=10 J/m2 UV=50 J/m2 UV=75 J/m2 4 30/09/2014 …il modello identification of DNA lesion and PCNA mono-ubiquitylation PCNA di-ubiquitylation PCNA tri-ubiquitylation ubiquitylation signal switch-off In vivo vs. in silico UV=5 J/m2 ? Low UV doses (5 and 10 J/m2) UV=75 J/m2 High UV doses (50 and 75 J/m2) 5 30/09/2014 Giocando a ping-pong con il laboratorio Computational work Experimental work • Many refinements of the model (reactions and parameterization) • Parameter sweep analysis • Sensitivity analysis • Parameter estimation • Many time-course experiments to refine measurements and to test various hypotheses • Deletion of genes involved in DNA repair • Deletion of PCNA deubiquitylating enzymes Giocando a ping-pong con il laboratorio Computational work Experimental work • Many refinements of the model (reactions and parameterization) • Parameter sweep analysis • Sensitivity analysis • Parameter estimation • Many time-course experiments to refine measurements and to test various hypotheses • Deletion of genes involved in DNA repair • Deletion of PCNA deubiquitylating enzymes New biological insights! 6 30/09/2014 La soglia UV-dipendente • The PRR model correctly reproduces in vivo dynamics below 30 J/m2 UV dose UV= 20 J/m2 UV=30 J/m2 Il ruolo del NER • PCNA ubiquitylation in Nucleotide Excision Repair (NER) deficient cells – rad14 yeast strain UV irradiated at 75 J/m2 7 30/09/2014 Il ruolo del NER • PCNA ubiquitylation in Nucleotide Excision Repair (NER) deficient cells – rad14 yeast strain UV irradiated at 75 J/m2 1. PRR needs the contribution of NER to work properly in vivo 2. NER is active also during S phase Giochiamo con il Lego (biologico) Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano 8 30/09/2014 Synthetic Biology • Scopi della Synthetic Biology: – progettare e costruire nuovi componenti, reti e circuiti biomolecolari (genetici, virali, pathway, …) – usare i nuovi componenti per riprogrammare e controllare gli organismi viventi • Approccio “engineering-driven”: – prime applicazioni: circuiti genetici ispirati a dispositivi elettronici (switch, porte logiche, filtri, oscillatori) Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano Synthetic Biology & Systems Biology Zheng et al. J Biomed Biotech, 2010 9 30/09/2014 Repressilator: un oscillatore sintetico in E. coli • Modello, simulazioni e analisi di stabilità n = 2.1 0 = 0 n=2 0 = 0 mi = concentrazione mRNA pi = concentrazione proteina 0 = leakiness del promotore +0 = numero proteine per cellula senza repressore = velocità di degradazione proteina/velocità di degradazione mRNA n = coefficiente di Hill (cooperatività) n=2 0/ = 10-3 Elowitz & Leibler Nature 403, 2000 Repressilator: implementazione in vivo • Plasmide “Repressilator” + plasmide “Reporter” (GFP) • lacI (operone lac di E. coli) • tetR (trasposone Tn10) • cI (fago λ) Elowitz & Leibler Nature 403, 2000 10 30/09/2014 Repressilator: funziona! The Elowitz Lab: http://elowitz.caltech.edu/movies.html Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano Le cellule «fanno rumore» Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano 11 30/09/2014 Il concetto di rumore biologico Ceppi di E.coli con alleli cfp e yfp di GFP, controllati dallo stesso promotore RP22 In presenza di rumore biologico: le concentrazioni delle due proteine fluttuano in modo non correlato popolazione eterogenea in cui una proteina è espressa più dell’altra RP22 + IPTG In assenza di rumore biologico: le concentrazioni delle due proteine fluttuano in modo correlato popolazione “omogenea” Elowitz et al. Science 297, 2002 Effetti del rumore • Un esempio di sistema bistabile Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano 12 30/09/2014 Modelli deterministici o stocastici? Simulazione deterministica Simulazione stocastica Numeri e formiche Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano 13 30/09/2014 L’importanza dei parametri Modello: r1 : A → X r2 : B + X → Y r3 : 2X + Y → 3X r4 : X → λ c1 = 1 c2 = 5 x 10−3 c3 = 2.5 x 10−5 c4 = 1.5 Quantità iniziali: A = 200 molecole (costante) X = 200 molecole B = 600 molecole (costante) Y = 300 molecole c1 = 1 c2 = 5 x 10−3 c3 = 2.5 x 10−4 c4 = 1.5 c1 = 1 c2 = 5 x 10−3 c3 = 2.5 x 10−5 c4 = 1.5 x 10−1 Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano L’importanza dei parametri • Come determinare i parametri non noti? – Confronto con una dinamica sperimentale “target” – È un problema di ottimizzazione insieme di dinamiche “stimate” dinamica target Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano 14 30/09/2014 Metodi di ricerca locale Funziona? Fitness peggiore Fitness migliore Soluzione di partenza Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano Metodi di ricerca locale Le cose non sono mai (facili) come Funziona? sembrano… Fitness peggiore Fitness migliore Soluzione di partenza Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano 15 30/09/2014 Metodi evolutivi di ricerca globale • Anziché modificare iterativamente una sola soluzione candidata potremmo utilizzarne un insieme • Potremmo anche far collaborare le soluzioni tra loro, in modo che esplorino al meglio lo spazio di ricerca Particle Swarm Optimization https://vimeo.com/17407010 Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano 16 30/09/2014 Colpito e affondato! (…o no?) Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano Reti di interazione proteina-proteina Che «forma» (topologia) ha la rete di interazioni proteina-proteina in lievito? Diverse topologie di rete 17 30/09/2014 Barabási et al. Scientific American, May 2003 Robustezza (topologica) della rete Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano Robustezza (topologica) della rete • Fragilità degli hub Barabási et al. Scientific American, May 2003 Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano 18 30/09/2014 Ma prima di scegliere un corso… Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano «Questo corso fa per me?» Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano 19 30/09/2014 Modalità di svolgimento del corso • Lezioni frontali – metodi teorici – esempi e applicazioni – interazione e discussione in aula • Lavoro di gruppo in aula – sviluppo di modelli di sistemi biologici • Esercitazioni in aula di calcolo – utilizzo di software per l’analisi di sistemi biologici – *frequenza obbligatoria* • Seminari Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano Modalità d’esame 1. Prova scritta (3 ore): – 3-4 domande aperte su argomenti trattati a lezione 2. Prova orale: – – eventuale discussione dello scritto seminario di approfondimento (con slide) su un argomento di Systems Biology concordato col docente (20-30 minuti) – – articolo di ricerca pubblicato su riviste internazionali NON ammessi lavori di review da sostenere entro 3 mesi dall’esito della prova scritta, pena annullamento dell’intero esame • Valutazione dell’esame: – voto dello scritto + max 5 punti per l’orale 20 30/09/2014 Contatti • Ricevimento studenti su appuntamento: – [email protected], [email protected] – ufficio: Dipartimento di Informatica, Via Comelico 39, Milano • Tutor: – Riccardo Colombo: [email protected] – Chiara Damiani: [email protected] – Marco Nobile: [email protected] Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano Altre informazioni utili Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano 21 30/09/2014 Sistema Bibliotecario di UNIMI • http://www.sba.unimi.it (accessibile anche dal portale di UNIMI) Sistema Bibliotecario di UNIMI • http://www.sba.unimi.it – Catalogo delle riviste scientifiche elettroniche accessibili al personale e agli studenti di UNIMI Daniela Besozzi – Laboratorio di Informatica (AA 2013-2014) – LT Scienze Biologiche - Università degli Studi di Milano 22 30/09/2014 Accedere alla Biblioteca Digitale - 1 • L’accesso alle risorse elettroniche della Biblioteca Digitale è libero e automatico da qualsiasi pc dell’Ateneo – Potete usare anche la rete wireless «Eduroam» su pc/smartphone/tablet personali: • Qui trovate le informazioni per la configurazione http://www.unimi.it/studenti/71664.htm • Eduroam è disponibile in moltissimi Atenei nazionali e internazionali Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano Accedere alla Biblioteca Digitale - 2 • Usando un pc esterno alla rete di UNIMI, si può accedere alla Biblioteca Digitale: – Autenticandosi usando le credenziali di Ateneo – Configurando il browser per accedere automaticamente tramite proxy server Trovate qui le istruzioni: http://www.sba.unimi.it/Bi bliotecaDigitale/2484.html 23 30/09/2014 Servizi «e-mail alert» • Molte riviste scientifiche mettono a disposizione un servizio di informazione periodica via e-mail, relativa alle nuove pubblicazioni in settori scientifici selezionabili sulla base dei propri interessi – Gratuito, richiede la creazione di un «registration account» – Comodo, per restare aggiornati su argomenti particolari Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano 24
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