Элементарная геномика

2019/2020

Лучший по критерию «Новизна полученных знаний»

Статус: Майнор

Кто читает: Департамент больших данных и информационного поиска

Где читается: Факультет компьютерных наук

Когда читается: 1, 2 модуль

Преподаватели: Коновалов Дмитрий Львович, Попцова Мария Сергеевна, Светличный Дмитрий Владимирович

Язык: русский

Кредиты: 5

Контактные часы: 60

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

В курсе «Элементарная геномика» изучаются основные закономерности молекулярной эволюции и математические методы анализа молекулярных последовательностей, включая алгоритмы поиска гомологичных последовательностей, выравнивания последовательностей и построения филогенетических деревьев, алгоритмы поиска ортологов и горизонтально перенесенных генов, предсказания генов и поиск мотивов, методы аннотации геномов de novo генами и функциональными элементами. Изучаются алгоритмы и методы предсказания вторичной структуры ДНК, РНК и белков. В течение курса студенты познакомятся с основными биоинформатическими ресурсами, включая базы данных, веб-порталы, компьютерные программы для работы с базами данных молекулярной биологии, а также программами, реализующими биоинформатические методы.

Цель освоения дисциплины

Освоение методов математического анализа биологических последовательностей
Освоение алгоритмов и методов молекулярной эволюции
Знакомство с основными биоинформатическими ресурсами, включая базы данных, веб-порталы, компьютерные программы для работы с базами данных молекулярной биологии, а также программами, реализующими биоинформатические методы

Планируемые результаты обучения

Знать биоинформатические ресурсы, включая базы данных, веб-порталы, компьютерные программы для работы с базами данных молекулярной биологии
Знать программы, реализующие методы, изучаемые в курсе
Знать организацию геномов прокариот и эукариот
Уметь запускать программы поиска схожих последовательностей
Знать алгоритмы попарного и множественного выравнивания последовательностей
Знать методы построения филогенетических деревьев
Знать методы автоматического поиска ортологов
Знать основные базы данных и ресурсы молекулярной эволюции
Знать методы нахождения генов под действием положительного или отрицательного отбора
Знать методы поиска мотивов
Знать методы предсказания генов de novo
Знать методы аннотации геномов de novo
Знать методы предсказания вторичных структур белков, РНК, ДНК

Содержание учебной дисциплины

Введение. Основы молекулярной биологии.
Строение клетки. Геном, белки, поток информации, генетический код. Семинар. Введение в систему Unix. Основные команды Unix. Файловая система. Навигация. Командная строка. Просмотр файлов. Bash-скрипты.
Организация геномов прокариот и эукариот. Гены и регуляторные элементы.
Белок-кодирующие и РНК-кодирующие гены. Экзоны и интроны. Сплайсинг. Промоторы и энхансеры. Семинар. Базы данных геномов бактерий, человека и разных видов. Файлы аннотации геномов генами. Стренды. Геномный браузер UCSC. Biopython для анализа геномных последовательностей.
Молекулярная эволюция. Поиск схожих последовательностей. Алгоритм и программа BLAST. Статистика локального выравнивания.
Семинар. Программа BLAST. Поиск схожих последовательностей. Определение последовательностей из метагеномного исследования с помощью BLAST.
Алгоритмы попарного и множественного выравнивания последовательностей. Динамическое программирование.
Семинар. Программы ClustalW, Muscle, TCoffee, Mega. Программа MEGA. Выравнивание последовательностей на примере коровых белков (ATP, DNA-poymerase, 16S-RNA).
Филогения. Методы построения филогенетических деревьев.
Методы расстояний. Методы максимального правдоподобия. Вес бутстреп для ветвей. Семинар. Построение деревьев с помощью пакета MEGA. Определение горизонтально перенесенных генов.
Гомологи, ортологи и паралоги. Методы автоматического поиска ортологов. Поиск горизонтально перенесенных генов.
Семинар. Определение ортологов и паралогов по филогенетическим деревьям. Определение горизонтально перенесенных генов.
Белки и базы данных белков. Genbank, Uniprot, PDB.
Белок-кодирующие гены, присутствующие у всех организмов (коровые гены). Семейства генов. Семинар. Изучение 3-х мерной структуры белка по базе данных PDB. Работа за базами данных Genbank, Uniprot.
Эволюционный отбор. Гены под действием положительного или отрицательного отбора.
Семинар. Определение генов под действием отбора. Отношение dN/dS.
Поиск мотивов. Представление мотивов в виде позиционных весовых матриц
Семинар. Построение PWM с помощью сервиса RSAT. Представление мотива в виде LOGO. Поиск мотивов de novo с помощью пакета MEME. Программа сравнения мотивов TOMTOM.
Предсказание генов de novo. Алгоритмы в основе предсказания генов. Цепи Маркова. Скрытые цепи Маркова.
Семинар. Программы Prodigal, Glimmer, GenMark3 для предсказания генов прокариот.
Аннотация геномов de novo.
Серверы аннотации геномов Prokka, RAST, SEED.
Вторичные структуры белка.
Семинар. Методы определения альфа-спирали и бета-структуры.
Вторичные структуры РНК. Методы предсказания вторичной структуры РНК.
Семинар. Программа RNAFold. Структурное выравнивание (LocARNA). Нахождение структурных паттернов (CM-finder). База данных RFam.
Вторичные структуры ДНК. Квадруплексы, триплексы, крестообразные структуры.
Методы аннотации геномов вторичными структурами ДНК.

Элементы контроля

Домашние задания
Контрольные работы
Экзамен

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (2 модуль)
0.5 * Домашние задания + 0.1 * Контрольные работы + 0.4 * Экзамен

Программа дисциплины