Systems Biology - unimi.ithomes.di.unimi.it/besozzi/sysbio/lezioni/IntroX2.pdf · Le cellule...

30/09/2014

1

Systems Biology

Introduzione al corso

A.A. 2014-2015

Daniela Besozzi - Systems Biology (AA 2014-2015) - LM BMB - Università degli Studi di Milano

BIOTECNOLOGIE MOLECOLARI E BIOINFORMATICA

Informazioni sul corso

• Systems Biology

– LM BMB - curriculum Bioinformatico

– area disciplinare: INF/01

– 6 CFU

– insegnamento a scelta


30/09/2014

2

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


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


30/09/2014

3

Un esempio (o «caccia al tesoro»)



30/09/2014

4

Rad5Rad6

Rad5Ubc13-Mms2Rad18 Rad18 Ubc13-Mms2

di-ubiquitylation tri-ubiquitylation

ub ubub

ubub

ub

Post Replication Repair (PRR) e ubiquitinazione di PCNA

Mono-ubiquitylation of PCNA by enzymes Rad6 and Rad18

Poly-ubiquitylation of PCNA by enzymes Rad5 and Ubc13-Mms2

PCNA

Template Switching(error-free)

Translesion DNA Synthesis(mutagenic)

UV-induced lesions

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=10 J/m2

UV=50 J/m2 UV=75 J/m2

UV=5 J/m2

30/09/2014

5

…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

Low UV doses(5 and 10 J/m2)

High UV doses(50 and 75 J/m2)

UV=5 J/m2

UV=75 J/m2

?

30/09/2014

6

Giocando a ping-pong con il laboratorio

Computational work

• Many refinements of the model (reactions and parameterization)

• Parameter sweep analysis

• Sensitivity analysis

• Parameter estimation

Experimental work

• Many time-courseexperiments to refinemeasurements and to test various hypotheses

• Deletion of genesinvolved in DNA repair

• Deletion of PCNA deubiquitylating enzymes

Giocando a ping-pong con il laboratorio

Computational work

• Many refinements of the model (reactions and parameterization)

• Parameter sweep analysis

• Sensitivity analysis

• Parameter estimation

Experimental work

• Many time-courseexperiments to refinemeasurements and to test various hypotheses

• Deletion of genesinvolved in DNA repair

• Deletion of PCNA deubiquitylating enzymes

New biological insights!

30/09/2014

7

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 ExcisionRepair (NER) deficient cells

– rad14 yeast strain UV irradiated at 75 J/m2

30/09/2014

8

Il ruolo del NER

• PCNA ubiquitylation in Nucleotide ExcisionRepair (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)


30/09/2014

9

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)


Synthetic Biology & Systems Biology

Zheng et al. J Biomed Biotech, 2010

30/09/2014

10

Repressilator: un oscillatore sintetico in E. coli

• Modello, simulazioni e analisi di stabilità

Elowitz & Leibler Nature 403, 2000

mi = concentrazione mRNApi = concentrazione proteina0 = leakiness del promotore+0 = numero proteine per cellula senza repressore = velocità di degradazione proteina/velocità di degradazione mRNAn = coefficiente di Hill (cooperatività)

n = 2.1 0 = 0

n = 2 0 = 0

n = 2 0/ = 10-3

Repressilator: implementazione in vivo

• Plasmide “Repressilator” + plasmide “Reporter” (GFP)

Elowitz & Leibler Nature 403, 2000

• lacI (operone lac di E. coli)• tetR (trasposone Tn10)• cI (fago λ)

30/09/2014

11

Repressilator: funziona!

The Elowitz Lab: http://elowitz.caltech.edu/movies.html


Le cellule «fanno rumore»


../../../Repressilator/brepressilator-01-bwfluor.avi

30/09/2014

12

RP22 RP22 + IPTG

Elowitz et al. Science 297, 2002

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

In assenza di rumore biologico:le concentrazioni delle due proteine fluttuano in modo correlato popolazione “omogenea”

Il concetto di rumore biologicoCeppi di E.coli con alleli cfp e yfp di GFP, controllati dallo stesso promotore

Effetti del rumore

• Un esempio di sistema bistabile


30/09/2014

13

Modelli deterministici o stocastici?

Simulazione stocasticaSimulazione deterministica

Numeri e formiche


30/09/2014

14

L’importanza dei parametri

c1 = 1c2 = 5 x 10−3

c3 = 2.5 x 10−5

c4 = 1.5

c1 = 1c2 = 5 x 10−3

c3 = 2.5 x 10−4

c4 = 1.5

c1 = 1c2 = 5 x 10−3

c3 = 2.5 x 10−5

c4 = 1.5 x 10−1

Quantità iniziali:A = 200 molecole (costante)X = 200 molecoleB = 600 molecole (costante)Y = 300 molecole

Modello:r1 : A → X r2 : B + X → Y r3 : 2X + Y → 3X r4 : X → λ


L’importanza dei parametri

• Come determinare i parametri non noti?– Confronto con una dinamica sperimentale “target”

– È un problema di ottimizzazione

dinamica target

insieme di dinamiche “stimate”


30/09/2014

15

Metodi di ricerca locale

Fitness miglioreFitness peggiore Soluzione di partenza


Funziona?

Metodi di ricerca locale

Fitness miglioreFitness peggiore Soluzione di partenza


Funziona?

Le cose non sono mai (facili) come sembrano…

30/09/2014

16

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


30/09/2014

17

Colpito e affondato! (…o no?)


Reti di interazione proteina-proteina

Che «forma» (topologia) ha la rete di interazioni proteina-proteina in lievito?

Diverse topologie di rete

30/09/2014

18

Robustezza (topologica) della rete

Bar

abás

iet

al. S

cien

tifi

cA

mer

ica

n, M

ay 2

00

3


Robustezza (topologica) della rete

• Fragilità degli hub

Barabási et al. Scientific American, May 2003


30/09/2014

19

Ma prima di scegliere un corso…


«Questo corso fa per me?»


30/09/2014

20

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


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

30/09/2014

21

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]


Altre informazioni utili


30/09/2014

22

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

http://www.sba.unimi.it/

http://www.sba.unimi.it/

30/09/2014

23

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


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/BibliotecaDigitale/2484.html

http://www.unimi.it/studenti/71664.htm

http://www.sba.unimi.it/BibliotecaDigitale/2484.html

30/09/2014

24

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 «registrationaccount»

– Comodo, per restare aggiornati su argomenti particolari


Systems Biology - unimi.ithomes.di.unimi.it/besozzi/sysbio/lezioni/IntroX2.pdf · Le cellule...

Documents

Transcript of Systems Biology - unimi.ithomes.di.unimi.it/besozzi/sysbio/lezioni/IntroX2.pdf · Le cellule...