Bài giảng Tin sinh học đại cương - Chương 3: Bắt cặp trình tự (Sequence Alignment)

TIN SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG<br /> (Introduction to Bioinformatics)<br /> Chương 3:<br /> <br /> PGS.TS. Trần Văn Lăng<br /> Email: langtv@vast.vn<br /> PGS.TS. Trần Văn Lăng,<br /> VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM<br /> <br /> BẮT CẶP TRÌNH TỰ (SEQUENCE<br /> ALIGNMENT)<br /> PGS.TS. Trần Văn Lăng, VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM<br /> <br /> NỘI DUNG<br /> <br /> •  Giới thiệu<br /> •  Bắt cặp hai trình tự<br /> •  Bắt cặp nhiều trình tự<br /> <br /> PGS.TS. Trần Văn Lăng, VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM<br /> <br /> MỘT SỐ KHÁI NIỆM CHUNG<br /> <br /> PGS.TS. Trần Văn Lăng, VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM<br /> <br /> 1<br /> <br /> Nhắc lại<br /> <br /> •  Sinh vật được tạo thành từ tế bào.<br /> •  Bên trong mỗi tế bào - ngoại trừ hồng huyết cầu<br /> trưởng thành - có nhân (nucleus) chứa tất cả các<br /> chỉ thị di truyền (genetic instruction)<br /> •  Những chỉ thị này là chức năng của tế bào<br /> <br /> •  Các tế bào, với các ngăn khác nhau của nó gọi<br /> là bào quan, phải đối mặt với một vấn đề là:<br /> –  Tế bào sản xuất các phân tử như kích thích tố, dẫn<br /> truyền thần kinh, các cytokine và enzyme<br /> –  Chúng phải được gửi đến nơi khác bên trong tế bào,<br /> hoặc xuất ra khỏi tế bào.<br /> –  Việc sản xuất và vận chuyển này phải được thực hiện<br /> đúng nơi và đúng lúc.<br /> <br /> PGS.TS. Trần Văn Lăng, VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM<br /> <br /> PGS.TS. Trần Văn Lăng, VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM<br /> <br /> •  Chẳng hạn, mỗi tế bào người có 46 nhiễm sắc<br /> thể, được tổ chức thành 23 cặp.<br /> •  Mỗi nhiễm sắc thể được cấu thành bởi một trình<br /> tự DNA<br /> •  DNA chứa các gen mã hóa RNA mà nó sẽ sinh<br /> ra các protein, để từ đó điều chỉnh tất cả các quá<br /> trình phát triển của một sinh vật<br /> <br /> •  Một gene là một đoạn của DNA với trình tự base<br /> đặc trưng – cụ thể, gọi là mã di truyền (genetic<br /> code), hay chỉ thị di truyền để xác định chức<br /> năng của tế bào<br /> <br /> PGS.TS. Trần Văn Lăng, VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM<br /> <br /> PGS.TS. Trần Văn Lăng, VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM<br /> <br /> 2<br /> <br /> Khái niệm bắt cặp<br /> <br /> •  Bắt cặp trình tự, hay là sắp xếp thẳng hàng trình<br /> tự (Sequence Alignment)<br /> •  Mục đích đạt đến sự giống nhau đến mức tối đa<br /> của các trình tự<br /> •  Việc bắt cặp được thực hiện bằng cách thêm các<br /> “gap” vào các vị trí có thể sao cho các cột giống<br /> nhau hoặc tương tự nhau<br /> <br /> •  Việc thêm các gap biểu thị sự đột biến mất<br /> nucliotide đã xãy ra tại vị trì này trên trình tự.<br /> •  Trong tin học, việc thêm ký tự gap là khoảng<br /> trống (“-”) giúp cho việc tạo ra 2 chuỗi ký tự gần<br /> giống nhau nhất.<br /> <br /> PGS.TS. Trần Văn Lăng, VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM<br /> <br /> PGS.TS. Trần Văn Lăng, VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM<br /> <br /> Tiến hóa và đột biến<br /> <br /> •  Trong sự tiến hóa, các gốc giống nhau đó chính<br /> là một phần của trình tự sinh học tổ tiên.<br /> •  Còn các gốc bắt cặp không giống nhau chính là<br /> sự đột biến của một trong hai trình tự.<br /> –  Tuy nhiên, không thể xác định trình tự nào bị đột biến<br /> so với trình tự nào.<br /> <br /> PGS.TS. Trần Văn Lăng, VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM<br /> <br /> •  Dưới góc độ sinh học, đột biến xãy ra trên cả một<br /> trình tự DNA của bộ gene.<br /> •  Vì vậy có thể xãy ra tại:<br /> –  các gene mã hóa protein<br /> –  các gene mã hóa phân tử RNA chức năng<br /> –  trình tự điều hòa tham gia bật tắc gene khác<br /> –  vùng trình tự nối các gene<br /> <br /> PGS.TS. Trần Văn Lăng, VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM<br /> <br /> 3<br /> <br /> •  Từ đó, đột biến có thể ảnh hưởng hay không ảnh<br /> hưởng đến kiểu hình của sinh vật.<br /> •  Khi phân loại, có 2 loại đột biến<br /> –  đột biến điểm: chỉ xãy ra ở một nucleotide, sẽ rất<br /> quan trọng nếu tại vùng mã hóa protein, hay vùng tín<br /> hiệu<br /> –  đột biến đoạn: do mất hay thêm một đoạn trình tự. Kết<br /> quả của việc đột biến đoạn là sự nhân đôi gene hay<br /> nhân đôi một vùng nhiễm sắc thể<br /> PGS.TS. Trần Văn Lăng, VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM<br /> <br /> •  Qua thời gian, những đột biến có lợi hoặc không<br /> có hại sẽ được giữ lại trong quần thể, kích thích<br /> sự hình thành và phát triển loài mới.<br /> •  Đó chính là sự tiến hóa (evaluation), trong đó đột<br /> biến là nguyên liệu quan trọng<br /> <br /> PGS.TS. Trần Văn Lăng, VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM<br /> <br /> Ví dụ<br /> <br /> •  Tương tự, với 2 trình tự dài hơn<br /> <br /> •  Ví dụ bắt cặp 2 trình tự<br /> – GAATTCAGTTA<br /> – GGATCGA<br /> <br /> •  Kết quả<br /> – GAATTCAGTTA<br /> – | || | | |<br /> – GGAT-C-G—-A<br /> <br /> •  Hoặc 2 trình tự<br /> – ACGCTG<br /> – CATGT<br /> <br /> – tcctctgcctctgccatcat---caaccc<br /> – |||| ||| ||||| |||||<br /> ||||||<br /> – tcctgtgcatctgcaatcatgggcaaccc<br /> <br /> •  Kết quả<br /> – ACGCTG–  | | |<br /> – -C-ATGT<br /> <br /> PGS.TS. Trần Văn Lăng, VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM<br /> <br /> PGS.TS. Trần Văn Lăng, VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM<br /> <br /> 4<br /> <br /> Ký tự “gap”<br /> <br /> •  Ký tự “gap” là chỗ trống, khe hở, chỗ gián đoạn,<br /> chỗ thiếu sót.<br /> •  Trong sinh học gap có ý nghĩa: sự đột biến, hoặc<br /> mất đi do quá trình tiến hóa<br /> <br /> Nếu lấy v làm căn cứ,<br /> thì u có:<br /> •  4 match<br /> •  1 mismatch<br /> •  3 insertion<br /> •  2 deletion<br /> <br /> Cho 2 trình tự:<br /> u = ATCTGATG<br /> v = TGCATAC<br /> match<br /> <br /> deletion<br /> <br /> A<br /> <br /> T<br /> <br /> -<br /> <br /> C<br /> <br /> -<br /> <br /> T<br /> <br /> G<br /> <br /> A<br /> <br /> T<br /> <br /> G<br /> <br /> -<br /> <br /> T<br /> <br /> G<br /> <br /> C<br /> <br /> A<br /> <br /> T<br /> <br /> -<br /> <br /> A<br /> <br /> -<br /> <br /> C<br /> <br /> insertion<br /> PGS.TS. Trần Văn Lăng, VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM<br /> <br /> mismatch<br /> <br /> PGS.TS. Trần Văn Lăng, VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM<br /> <br /> Về bắt cặp trình tự protein<br /> <br /> •  Mục đích<br /> –  Bắt cặp trình tự nhằm nghiên cứu sự tiến hóa<br /> –  Hoặc để tìm kiếm, so sánh mức độ tương đồng giữa<br /> các trình tự<br /> <br /> PGS.TS. Trần Văn Lăng, VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM<br /> <br /> •  Sự bắt cặp trình tự không chỉ dừng lại ở trình tự<br /> DNA mà cả trình tự protein.<br /> •  Trong đó, việc chỉ có 4 ký tự được thay bởi 20 ký<br /> tự.<br /> •  Tuy nhiên, do protein có đặc điểm bảo tồn cấu<br /> trúc và chức năng cao (bởi nếu mất chức năng<br /> sẽ gây bất lợi)<br /> <br /> PGS.TS. Trần Văn Lăng, VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM<br /> <br /> 5<br /> <br />