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Docente: Dr. Stefania Bortoluzzi Dipartimento di Biologia Universita' di Padova viale G. Colombo 3, 35131, Padova Tel. 0039 049 8276214

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1 Docente: Dr. Stefania Bortoluzzi Dipartimento di Biologia Universita' di Padova viale G. Colombo 3, 35131, Padova Tel Corso di Laurea in Biotecnologie Sanitarie Universita' di Padova Corso di Bioinformatica 16 ore

2 Utilizzare Database per recuperare informazioni biomediche Utilizzare specifici programmi per analizzare le informazioni disponibili nei database, per avvantaggiarsi nel disegno e nella programmazione dell’attivita’ sperimentale Utilizzare metodologie e programmi per analizzare sequenze e “navigare” genomi completi Bioinformatica - OBIETTIVI

3 Home page del corso

4 I LEZIONE Database primari e Database secondari Database di sequenze nucleotidiche e proteiche GenBank SWISSPROT ENTREZ Information retrieval system

5 INTRODUZIONE ALL’UTILIZZO DI DATABASE Struttura e organizzazione di database  I database sono insiemi di dati memorizzati su un computer con diversi livelli di astrazione al di sopra di essi; ogni livello di astrazione consente di organizzare i dati contenuti e di accedervi.  Database diversi organizzano i dati in modi differenti database Flat-File il tipo piu’ semplice di database database relazionali (Oracle, mySQl) permettono la composizione di interrogazioni o query che collegano piu' tabelle, stabilendo delle "relazioni" tra i contenuti delle singole tabelle. database Object Oriented, le informazioni sono gestite come "oggetti" con varie "proprieta'", invece che records con campi.  Tutti i sistemi di database impiegano delle interfacce (API, Application Programming Interface) per accedere ai dati e modificarli

6 INTRODUZIONE ALL’UTILIZZO DI DATABASE Database flat-file  Il tipo piu' semplice di database e' il database flat-file, formato da files di testo ASCII in formato standard che il programa esamina per cercare informazioni.  Il formato e' di solito costituito da un insieme di campi, contenenti ciascuno una specifica categoria di informazioni, delimitati attraverso caratteri speciali o con lunghezza fissa assegnata.  Il pregio principale dei database flat-file e' la semplicita' di gestione, controbilanciata pero' dall’incapacita' di gestire accesso concorrente e dalla mancanza di indicizzazione dei dati, che non consentono interrogazioni sequenziali.

7 DATABASE FLAT-FILE ENTRY ACTT13627 NAThe ultimate chocolate cake INcacao, uova, farina, burro, … GR180 °C TM40 minuti CA500 ORVienna REDolci Austriaci, Ed.Frankfurter

8 LEVELS OF PROTEIN SEQUENCE AND STRUCTURAL ORGANISATION PRIMARY sequence primary database SECONDARY motif secondary database TERTIARY domain module secondary database DATABASE PRIMARI E DATABASE SECONDARI ORGANIZZANO RISPETTIVAMENTE DATI ORIGINALI E CONOSCENZA GENERATA A PARTIRE DA ANALISI DI DATI O INTEGRAZIONE DI DATI DIVERSI

9 DATABASE PRIMARI DATABASE DI SEQUENZE NUCLEOTIDICHE Collezioni di singoli record, ognuno dei quali contiene un tratto di DNA o RNA con delle annotazioni. Ogni record viene anche chiamato ENTRY, e ha un codice che lo identifica univocamente (ACCESSION NUMBER). Le tre principali banche dati primarie di sequenze nucleotidiche sono: EMBL nucleotide database, ora gestita dall’EBI (1980)  EMBL = European Molecular Biology Laboratory (Heidelberg)  EBI = European Bioinformatics Institute (Hinxton, UK) GenBank = banca dell NIH gestita dal NCBI (1982)  NIH = National Institutes of Health (Stuttura USA)  NCBI = National Center for Biotechnology Information, Bethesda, Maryland DDBJ = banca DNA giapponese (1986)  DDBJ = DNA DataBase of Japan SCAMBIO DI DATI  Nel 1988, i gruppi responsabili dei 3 database si sono organizzati nell’International Collaboration of DNA Sequence Databases per utilizzare un formato comune e scambiarsi giornalmente le sequenze.

10 DATABASE DI SEQUENZE NUCLEOTIDICHE GenBank SUBMISSION DIRETTA  La gran parte delle sequenze finisce in uno dei tre database perché l’autore (il laboratorio dove tale sequenza é stata ottenuta) la invia direttamente. La sequenza viene quindi inserita e il record corrispondente resta di proprietà solo di quel database, l’unico con il diritto di modificarlo. Il database che riceve la sequenza la invia poi agli altri due. Circa il 98% delle sequenze in un database sono presenti anche negli altri due. ANNOTAZIONE  Ci sono poi anche degli “annotatori” che prendono le sequenze dalle riviste scientifiche e le trasferiscono nel database.  Problema della ridondanza

11 DATABASE DI SEQUENZE NUCLEOTIDICHE – GenBank

12 DATABASE DI SEQUENZE NUCLEOTIDICHE GenBank contiene diverse sezioni  in passato per gruppi tassonomici e strategie di sequenziamento  ora tre grandi sezioni : EST, GSS e CoreNucleotide dbEST  database pubblico di "Expressed Sequence Tags" (sequenze espresse contrassegnate), contiene tutte le sequenze ottenute dal sequenziamento parziale o totale di cloni di cDNA, molto utili per: Identificare nuovi geni Studiare la struttura esoni/introni di geni Studiare l’espressione genica

13 Come e’ fatta un’entry di GenBank ?

14 DATABASE PRIMARI DATABASE DI SEQUENZE PROTEICHE SWISS-PROT Database di sequenze proteiche annotate, “scarsamente” ridondanti e cross-referenced Contiene TrEMBL, supplemento a SWISS-PROT costituito dalle sequenze annotate al computer, come traduzione di tutte le sequenze codificanti presenti all’EMBL TrEMBL contiene due sezioni: SP-TrEMBL, sequenze da incorporare in SWISSPROT, con AC. REM-TrEMBL, remaining (immunoglobuline, proteine sintetiche,...), senza AC. TrEMBLnew, generato ogni settimana.

15 UniProt (Universal Protein Resource) Il piu’ grande catalogo di informazioni sulle proteine. Contiene informazioni sulla sequenza e sulla funzione di proteine ed e’ ottenuto dall’insieme delle informazioni contenute in Swiss-Prot, TrEMBL e PIR. UniProt ha 3 componenti: UniProt Knowledgebase (UniProt) the central access point for extensive curated protein information, including function, classification, and cross-reference. UniProt Non-redundant Reference (UniRef) databases combine closely related sequences into a single record to speed searches. UniProt Archive (UniParc) is a comprehensive repository, reflecting the history of all protein sequences.

16 UniProt (Universal Protein Resource) The UniProt Knowledgebase consists of two parts, a section containing fully manually-annotated records resulting from information extracted from literature and curator-evaluated computational analyses, and a section with computationally- analysed records awaiting full manual annotation. For the sake of continuity and name recognition, the two sections are referred to as "UniProtKB/Swiss-Prot" and "UniProtKB/TrEMBL", respectively.

17 ENTREZ E' stato sviluppato all’NCBI (National Center for Biotechnology Information, USA) per permettere l'accesso a dati di biologia molecolare e citazioni bibliografiche. Sfrutta il concetto di “neighbouring”: possibilita' di collegare tra loro oggetti diversi di database differenti, indipendentemente dal fatto che essi siano direttamente “cross-referenced”. Tipicamente, ENTREZ permette l'accesso a database di sequenze nucleotidiche, di sequenze proteiche, di mappaggio di cromosomi e di genomi, di struttura 3D e bibliografici (PubMed).

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