Velkommen Immunologisk Bioinformatik

Transkript

1 Velkommen Immunologisk Bioinformatik EduForce undervisere:

2 Hvem er vi? 2 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

3 Hvem er I? 3 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

4 Dagens Program Kl Kl Kl Kl Kl Kl Kl Kl Kl Kl Kl Velkommen på DTU Virus Introduktion til bioinformatik Finde sekvenser, Parvis Alignment, Fylogeni Frokost Rundvisning på DTU Immunsystemet Færdiggør øvelse samt hypotetisk person og epitop bestemmelse At læse Life Science på DTU Evaluering af øvelsen Tak for i dag 4 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

5 Hvad er en patogen virus? A. En sygdomsfremkaldende virus B. En ikke sygdomsfremkaldende virus C. Andet navn for influenza virus D. Har aldrig hørt om det 5 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

6 Hvad er en patogen virus? A. En sygdomsfremkaldende virus B. En ikke sygdomsfremkaldende virus C. Andet navn for influenza virus D. Har aldrig hørt om det 6 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

7 Hvad er en pandæmi? A. Et lokalt sygdomsudbrud B. Et sygdomsudbrud der kun rammer få mennesker C. Et globalt sygdomsudbrud D. En sygdom der ikke smitter 7 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

8 Hvad er en pandæmi? A. Et lokalt sygdomsudbrud B. Et sygdomsudbrud der kun rammer få mennesker C. Et globalt sygdomsudbrud D. En sygdom der ikke smitter 8 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

9 Virus opbygning 9 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

10 Antigener Proteiner og kulhydrater der sidder på ydersiden af alle celler Influenza-virus har bl.a. Neuraminidase og Hemagglutinin Det er disse immunsystemet reagerer imod 10 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

11 Hvad er Bioinformatik? Bioinformatik er et tværfagligt forskningsfelt inden for biologien, hvor man benytter beregningsmæssige metoder til at forstå og ordne den information, der er tilknyttet biologiske makromolekyler. 11 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

12 Fylogenetisk træ Slægtstræ der beskriver hvor tæt beslægtede forskellige organismer er Søstergrupper Ydergruppe- Ingen relation til de andre grupper Fælles stamfader 12 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

13 Fylogenetisk træ To typer af fylogenetiske træer: Træ med rod Træ uden rod Grenlængden fortæller hvor tæt beslægtede grupperne er 13 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

14 Fylogenetisk træ Forskellige afbildninger 14 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

15 Fylogenetisk træ NJ-algoritmen Neighbor Joining = Sætter naboer sammen Danner træ ved at slå de tættest beslægtede naboer sammen, indtil alle arter er tilføjet til træet. 1. Find antal mutationer (distancen) mellem hver sekvens 2. Find den samlede distance fra en sekvens til ALLE de andre 3. Slå naboer sammen og find den fælles stamfader for disse to 4. Beregn distancen fra stamfaderen til de resterende sekvenser Gentag trin 1 4 indtil der kun er to sekvenser tilbage! 15 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

16 NJ - eksempel Dan et træ for 4 arter på baggrund af en kendt sekvens fra hver A: MATCGGRA B: MISCGGRA C: MATGGGCL D: MITGGGRL 1. Find antal mutationer (distancen) mellem hver sekvens Antal forskelle = antal mutationer = distancen 16 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

17 NJ - eksempel Dan et træ for 4 arter på baggrund af en kendt sekvens fra hver A: MATCGGRA B: MISCGGRA C: MATGGGCL D: MITGGGRL 1. Find antal mutationer (distancen) mellem hver sekvens D(A,B) = = 2 17 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

18 NJ - eksempel Dan et træ for 4 arter på baggrund af en kendt sekvens fra hver A: MATCGGRA B: MISCGGRA C: MATGGGCL D: MITGGGRL D A B C D A - 2 B - C - D - 18 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

19 NJ - eksempel Dan et træ for 4 arter på baggrund af en kendt sekvens fra hver A: MATCGGRA B: MISCGGRA C: MATGGGCL D: MITGGGRL D A B C D A B C - 2 D - 19 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

20 NJ - eksempel Dan et træ for 4 arter på baggrund af en kendt sekvens fra hver A: MATCGGRA B: MISCGGRA C: MATGGGCL D: MITGGGRL 2. Find den samlede distance fra en sekvens til ALLE de andre Q(i) = D(i, j)-u(i)-u( j) u(i) = å r k=1 D(i, k) r DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

21 NJ - eksempel Dan et træ for 4 arter på baggrund af en kendt sekvens fra hver A: MATCGGRA B: MISCGGRA C: MATGGGCL D: MITGGGRL u(i) = å r k=1 D(i, k) r - 2 D A B C D A - 2 B - C - 2 D - u A = D A, B + D A, C + D(A, D) 4 2 = = 4 u B = D B, A + D B, C + D(B, D) 4 2 = = 5 21 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

22 NJ - eksempel Dan et træ for 4 arter på baggrund af en kendt sekvens fra hver A: MATCGGRA B: MISCGGRA C: MATGGGCL D: MITGGGRL Q(i) = D(i, j)-u(i)-u( j) Q A B C D A - -7 B - C - D - Q(A, B) = D(A, B)-u(A)-u(B) = DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

23 NJ - eksempel Dan et træ for 4 arter på baggrund af en kendt sekvens fra hver A: MATCGGRA B: MISCGGRA C: MATGGGCL D: MITGGGRL Q A B C D A - -7 B - C - D - 3. Slå naboer sammen og find den fælles stamfader for disse to 23 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

24 NJ - eksempel Dan et træ for 4 arter på baggrund af en kendt sekvens fra hver A: MATCGGRA B: MISCGGRA C: MATGGGCL D: MITGGGRL v i = 0,5 D i, j + 0,5 (u i u j ) Q A B C D A - -7 B - C - D - v A = 0,5 D A, B + 0,5 u A u B =? A B v B = 0,5 D B, A + 0,5 u B u A =??? X 24 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

25 NJ - eksempel Dan et træ for 4 arter på baggrund af en kendt sekvens fra hver A: MATCGGRA B: MISCGGRA C: MATGGGCL D: MITGGGRL Q A B C D A - -7 B - C - D - A B 4. Beregn distancen fra stamfaderen til de resterende sekvenser? X? 25 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

26 NJ - eksempel Dan et træ for 4 arter på baggrund af en kendt sekvens fra hver A: MATCGGRA B: MISCGGRA C: MATGGGCL D: MITGGGRL D2 C D X C - 2 D - X - D x, k = 1 2 D i, k + D j, k D i, j 1 D( X, C) ( D( A, C) D( B, C) D( A, B)) 2 1 D( X, D) ( D( A, D) D( B, D) D( A, B)) 2 26 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

27 Databaser NCBI: GenBank samlet database, der indeholder data fra proteiner, DNAsekvenser og meget andet EBI: Den europæiske pendant til NCBI UniProt: Protein-database PDB: 3d-strukturer af proteiner 27 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

28 Genbank Søgefelt Database hvor man kan finde DNA eller protein sekvenser. Indeholder mere end 168 millioner sekvenser og 155 mia. baser (okt. 2013) Den største Gendatabase i verden. Database, du vil søge i Udvidede søgemuligheder (AND, OR, NOT) 28 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

29 Uniprot Indeholder proteinsekvenser fra Genbank, EMBL-bank og DDBJ database. Databasen du søger i Udvidede søgemuligheder (AND, OR, NOT) Information om databaserne Søgefelt 29 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

30 Parvis Alignment Uniprot benytter BLOSUM-62. Høj score medfører godt match. BLOSUM-62 = BLock Substitution Matrix af proteiner der er max 62 % identiske 30 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

31 BLOSUM-62 Blosum-62 er beregnet ved: S ij = 1 l log æ p ö ij ç è q i q j ø, hvor p ij =frekvensen, hvormed aminosyre i obeserveres det samme sted i to peptider og q i = er baggrundsforekomsten af aminosyre i. AGFHADRV AVFLADSV GGFHAETV AGFKIDTL GVFHADSL p A,G = 6 20 = 0,3 q A = 7 40 = 0,175 q G = 5 40 = 0,125 S A,G = 1 l log æ 0,3 ö ç è 0,175 0,125 ø 31 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

32 Konstruktion af fylogenetisk træ Lav multiple alignment i MAFFT Indsæt sekvenserne Vælg hvilken matrix du vil bruge Begynd alignment 32 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

33 Hvilke celler består immunsystemet af? A. A- og B-celler B. D- og S-celler C. A- og T-celler D. B- og T-celler 33 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

34 Hvilke celler består immunsystemet af? A. A- og B-celler B. D- og S-celler C. A- og T-celler D. B- og T-celler 34 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

35 Immunsystemet Adaptivt immunsystem Medfødt immunsystem Består af B- og T-celler Første beskyttelse mod infektioner Ikke forudbestemt fra fødsel Danner hukommelsesceller Udløser immunrespons ved opdagelse af strukturer fra patogener Forskelligt fra person til person 35 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

36 Major Histocompatibility Complex (MHC) MHC I præsenterer antigener fra cellens cytosol til T-dræber celler Findes på overfladen af alle celler. Dannes i det endoplasmatiske reticulum Peptidbindende kløft I mennesker kaldes MHC I for HLA-A, -B og C. 36 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

37 Major Histocompatibility Complex (MHC) MHC II fremstiller peptider fra antigener og præsenterer dem til T-hjælper celler Placeret på celler der kan optage partikelmateriale fra patogener og B-celler Peptidbindende kløft I mennesker kaldes MHC II for HLA-DR, -DP og -DQ 37 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

38 T-celler De dannes og specialiseres i thymus. Ca. 1% af T-cellerne overlever og går ud i blodbanen Undertrykker T-celler der er blevet fejlselekteret i thymus 38 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

39 T-dræber celler (CD8 + ) MHCI fremstiller epitoper på overflade af inficeret celle. T-dræbercelle genkender MHCI epitop og udsender toksiner. Inficeret celle går til grunde. 39 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

40 T-hjælper celler (CD4 + ) Genkender MHCII epitop og aktiverer B-celler, der begynder at producere antistoffer, samt aktiverer T-dræber celler og makrofager. Antistoffer binder til patogener så makrofager kan nedbryde dem Aktiverede T-hjælper celler danner også T-hukommelses celler 40 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

41 B-celler Modnes og dannes i knoglemarven Antigener binder til B-cellereceptorens Fab del De B-celler med højest affinitet for antigenet deler sig til antistofproducerende plasmaceller og B-hukommelses celler 41 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

42 Selektion og modning af B-celler Dannelse af B-celle repertoire Negativ selektion Positiv selektion Patruljering Aktivering Bekæmpelse af infektion Fjerne B-cellereceptorer der binder til dele fra kroppen Modning af de B- celler, der ikke blev elimineret 42 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

43 Selektion og modning af B-celler Dannelse af B-celle repertoire Negativ selektion Positiv selektion Patruljering Aktivering Bekæmpelse af infektion + Omrokering af tung kæde - + Omrokering af let kæde - Apoptose (celledød) Umoden B-celle Apoptose (celledød) 43 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

44 Infektion med virus 44 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

45 Antistofrespons Sammenligning af to sekvenser. Fejl angivet ved kolon, mellemrum eller punktum. Tæl fejl og beregn antistof responset 1 de Jong J.C.; Lapedes A.S.; Smith D.J.; et al., 2004: Mapping the Antigenic and Genetic Evolution of Influneza Virus. 45 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

46 Hypotetisk person På The Allele Frequencies kan du finde hvilke HLA der er mest udbredt blandt forskellige befolkningsgrupper Vælg HLA Her kan du vælge en bestemt population Eller vælg etnisk baggrund Vælg et bestemt land 46 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

47 Epitope forudsigelse 47 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

48 Epitope forudsigelse Det er denne sekvens der er epitopen Skal benytte de epitoper der er stærkt bindende 48 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

49 Epitope forudsigelse 49 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

50 Øvelse Del 4: Beregne antistofrespons Del 5: Opstille hypotetisk person Del 6: Lave epitop-bestemmelse Del 6.1: Beregne antigenrespons 50 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

51 Vaccineudvikling Hele inaktiverede virus vacciner Inaktiverede patogener der ikke kan replikeres Danner B- og T-hjælper hukommelsesceller Subunit vacciner Dele af virus Giver et T-hjælper immunrespons Levende vacciner Replikeres men forårsager ikke alvorlig sygdom Laver B-, T-hjælper og T-dræber hukommelsesceller 51 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

52 Vaccineudvikling immunoinformatisk tilgang Vælg et protein som er godt egnet, mht. epitopgenkendelse antistoffer. Find en polytop (sammensætning af epitoper) der dækker så stor en del af befolkningen som muligt mht. HLA I-alleller. Polytopen kan sammensættes af alle proteiner i organismen. Forudsig splejsningsmønstre i organismen og 2d vs 3d struktur vaccinens indhold. 52 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

53 Opsamling Sekvenssøgning Sammenligning af forskellige sekvenser Virus slægtskab Hvordan fungerer immunsystemet Forudsigelse af immunsystemets reaktion 53 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

54 Biotek på DTU DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

55 Hvad vil det sige at læse biotek på DTU? Uddannelserne Årets gang Hverdagen Studielivet Hvad kan man blive? Hvad så nu? DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

56 At studere på DTU DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

57 At studere på DTU Kønsfordelingen 2012? DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

58 At studere på DTU Kønsfordelingen 2012 Biotek og TB? DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

59 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

60 Bachelor i Bioteknologi eller Teknisk Biomedicin? DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

61 Uddannelserne ved DTU Bacheloruddannelsernes opbygning Naturvidenskabelige grundfag 45 ECTS Projekter og almene fag 45 ECTS Teknologiske linjefag 45 ECTS Valgfri fag 45 ECTS 180 ECTS DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

62 Uddannelserne ved DTU Bioteknologi/Teknisk Biomedicin fag Naturvidenskabelige grundfag Matematik (teori + temaøvelser) Fysik Almen Kemi Statistik Biovidenskab Indledende fysisk kemi Teknologiske linjefag Human fysiologi Biokemi (teori + eksperimentel) Molekylær mikrobiologi Introduktion til eksperimentel biomedicin Ernæring Intro til bioinformatik Fermenteringsteknologi Systembiologi Anvendt biodiversitet Projekter og almene fag Indledende programmering Bioteknologi og formidling/sundhed sygdom og teknologi Fagprojekt Videnskabsteori Bachelorprojekt Valgfri fag Mere matematik, statistik, fysik? Mere biotek? Mere eksperimentel? Mere management? Specialkurser DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

63 Årets gang Semestrets opbygning 13-ugersperiode (sept-nov/feb-apr) Eksamensperiode (dec/maj) 3-ugersperiode (jan/juni) Fri i ferierne! 13 ugers perioder Eksamen 3 ugers Eksamen og eksamensformer DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

64 Hverdag på uni semester Mandag Tirsdag Onsdag Torsdag Fredag Matematik Statistik Bioteknologisk og Matematik Human Almen kemi formidling projekt fysiologi Molekylær Matematik mikrobiologi Bioteknologi Molekylær og formidling mikrobiologi Biovidenskab Fysik International evening Sports-kamp fra TV Happy torsdag Fredagsbar og fredagsrock DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

65 Alt det sjove ved siden af studiet Sociale fristelser bl.a. fodboldturnering, motionsløb 2000 kollegiepladser Polyteknisk forening: Klubber (sport, poker, motorcykler) Sportshal + træningscenter Studenter Huset (S-Huset) Koncerter (FredagsRock) Store fester Fredagsbarer DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

66 En verden af muligheder på studiet Specialprojekter Society of Biological Engineering Biotech Academy Samarbejde med industrien og meget mere DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

67 Studielivet Fuldtidsstudium: Planlægning og selvdisciplin Du bestemmer selv! Meget stof på kort tid Alle har valgt at gå her DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

68 Fra studerende til Arbejde Ph.d. 3 år Kandidat - Cand. polyt 2 år Diplomingeniør 3½ år Bachelor i teknisk videnskab 3 år DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

69 Hvad kan man lave som kandidat? Arbejde indenfor Lægemiddeludvikling, Industriel biotek (enzymer) Generel molekylærbiologisk forskning Fødevare Forske på universitetsniveau. Tage phd (3-årig) Arbejde/Forske i industrien: DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

70 Hvad så nu? Hvis du vil vide mere... DTU s studiekatalog Studerende for en dag SRP-opgave og Optagelse / KOT Uddannelsesguiden Studievejledningen Hovedbygningen 101A Personligt studvejl@adm.dtu.dk Tlf: DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

71 Vi glæder os til at se jer herude! DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet

72 Evaluering kortlink.dk/dtu/cmq7 74 DTU Systembiologi, Danmarks Tekniske Universitet