Regulação Gênica e Inferência de Redes

(1)

Biologia In Silico - Centro de Informática - UFPE

Ivan G. Costa Filho

igcf@cin.ufpe.br

Centro de Informática

Universidade Federal de Pernambuco

Regulação Gênica e

Inferência de Redes

(2)

Tópicos

O que é regulação gênica?



_{Extração de Sinais regulatórios}



_{Processamento de seqüência}



_{Experimentos de Chip}



_{Métodos Computacionais}



_{Co-expressão}



_{Inferência de Redes}

Regulatórios

(3)

Dogma Central

e Controle de Expressão

• Dogma: fluxo de

informação

DNA

→

mRNA

→

Proteína

• Qual processo determina

quando/quantos mRNA

são produzidos?

(4)

Até o momento …

Expressão Gênica

(5)

Controle da Regulação

Gênica

Sinal

polimerase

Sinal

Operador (TF)

(6)

Exemplo Iteração

DNA-Proteína

(7)

Tipos de Regulação

(8)

Controle da Regulação

Gênica Eucarióticos

(9)

Controle de Regulação

Redes de Regulação

(10)

Controle de Regulação

Redes de Regulação

TF A

TF B

TF C

TF D

_{TF E}

TF F

TF G

TF C

TF A

TF G

Gene 1

TF B

TF F

TF G

Gene 1

(11)

Exemplo Rede

Regulatória

Desenvolvimento

em Ouriços

(12)

Como inferir tal redes?

• _{Análise de seqüência/Chip}

– Quais TF são possíveis

reguladores

• _{Expressão Gênica}

– Quais genes estão

ligados/desligados em uma

condição;

– Uso de interferencia de RNA

• _Solução:

– Buscar todas as possibilidades de

redes com suporte dos dados ...

(13)

Analise de Regiões

Promotoras

(14)

Regiões Promotoras

• _{Região promotora - DNA em volta do}

inicio do gene

• _{Fatores de Transcrição (TF)}

– Proteínas que se ligam a seqüência e

iniciam ou reprimem a transcrição

• _{A seqüência de ligação TF-DNA é}

especifica de cada TF

(15)

Fatores de

Transcrição

• _{Motifs indicam a}

preferência de

ligação

(16)

Motifs Fatores de

Transcrição

A partir de seqüências

de TF

• _{representações dos}

motifs.

Bases de dados com

Motifs de humanos,

camundongo, …

- Transfac

- Jasper

(17)

Position Weigth

Matrices

- Representação probabilística de motifs.

Uma entrada na matriz acima

p

_i

(x) – probabilidade da base x na

posição i

_{( , )}

_{( )}

i

(18)

Análise de Regiões

Promotoras

Calcular o valor de cada matriz sobre uma

seqüência promotora de um gene.

ACGGTTCAGGGTACGTTTGATCCCAGGCGGTTCAGGGTACGTTTGATCCCAGG

Usar teste estatístico para descobrir picos

relevantes.

(19)

Analise de Regioes

Promotoras

• Repetir a análise para todos os

genes e TF em um organismo.

• Resultado – Tabela de TF-genes

Tf1 Tf2 Tf3 Tf4 Tf5 Tf6 …

Gene 1

1

0

1

1 …

Gene 2

0

1

0

0 …

Gene 3

1

0

1

1 …

Gene 4

0

0 …

…

(20)

Análise de Regiões

Promotoras

• Tais tabelam permitem inferir as

arestas do gráfico de regulação

• Problemas:

– Falso positivos (muitos!)

• motifs são pequenos e

degenerados

(21)

(22)

Imuno Precipitação de

Cromatina

• Experimento biológico para medir

iteração DNA-proteína

• Chip permite recuperar o DNA

ligado a uma determinada

proteína

– microarray/sequenciamento permite

indicar a seqüência do DNA

(23)

(24)

Chip-chip

• Promoters Microarrays

– tem um design especial

• Mede uma TF/condição biológica

por vez.

• Requer vários microarrays por

experimento (20-40 por

experimento)

– alternativa – sequenciamento

(Chip-Seq)

(25)

Chip-chip

• Análise pré-processamento

– Sondas com valor alto indica

interação do TF com a região

genomica.

• Problemas - Contem falso

negativos

– algumas iterações TF-DNA não são

observadas na condição

(26)

(27)

Co-expressão e

Co-regulação

Genes com mesma expressão no

tempo/processo biológico são

potencialmente regulados pelo

(28)

5‘ UTR

ORF

Modulo Regulatórios

Ciclo Celular

G

rup

o

1 G

ru

p

o

2 G

rup

o

3 Gr

u

p

o

4

YIR017C YJL118W YER019W YDR113C YJR043C YPL016W YBR156C YKR010C YPR141C ... YDL093W YER016W YNL126W YKL053W YJL099W YDL198C YCR085W YBR043C YDR325W ...

---Tf 3

Tf 2

tf1

Usar teste hipergeométrico para

Identificar p-value

(29)

Modulos Regulatorios

• Metodologia Simples

• Só retorna algumas arestas do

gráfico de regulação (TF-gene)

• Não captura iterações entre TFs.

• Disponível em vários softwares de

gene sets/Analise de

(30)

Dinamica de Regulacao

• Como saber qual dos caminhos da

via esta sendo usado e em qual

condição biológica?

(31)

Regulação

Series Temporais

TFs no grupo verde são candidatos a

possíveis reguladores dos genes

(32)

Rede de Regulação

Ciclo-Celular da

Levedura (Lee et

al.)

• Ligações

extraídas de

Chip-chip

• Ordem da rede

a partir de

expressão

gênica

(detecção de

picos)

(33)

Interferência de RNA

Interferência de RNA (RNAi)

- protocolo para bloquear a expressão

de um determinado gene.

Para um dado organismo/célula:

- aplicar o processo em vários genes

- medir cada vez a expressão com

microarrays.

(34)

Inferência de Redes -

RNAi

(35)

Interferência de RNA

• Normalmente se baseia em poucos

genes de uma via

• Normalmente necessita discretizar

valores

• Abordagens usam modelos

probabilísticos.

(36)

Inferência de Redes

Bar-Joseph

(37)

Redes Bayesianas

(38)

Resumo

• Muitas alternativas apresentando

soluções para pequenas redes com

media acurácea

• Problemas:

– Qualidade dos dados

• microarrays, chip-chip, seqüência

– Integração de dados

– Visão simplificada do processo de

regulação

• mecanismos de epigenetica, regulação

pos-transcripcional, …

(39)

Agradecimentos