“Systems Biology, the future of biology in the 21st century”Kitano 2002

(1)

Systems Biology

“Systems Biology, the future of biology in the 21

^st

century”

Kitano 2002

(2)

Overzicht

• Inleiding

• Definitie bio-informatica

• Definitie systeembiologie

• Bio-informatica onderzoek

– Motiefdetectie & comparatieve genoomanalyse – Analyse van high-throughput data

– Pragmatische netwerkinferentie – Gepland onderzoek

– Samenwerkingen

• Bio-informatica onderwijs

• Motivatie

(3)

Kathleen Marchal

• 1995: Bio-ir. in de Scheikunde (KULeuven)

• 1995-1999: PhD FLTBW (CMPG, KULeuven)

• 1999-…: werkzaam als postdoc FWO in de BioI- onderzoeksgroep van ESAT/SCD (KULeuven) Bio-informatica ESAT/SCD

• Bio-informatica onderzoek voor klinische applicaties

• Bio-IT onderzoek: database management, standaardisatie

• Systems Biology onderzoek

Inleiding

(4)

Bio-informatica definitie

“Klassieke" bio-informatica

– Gebruik van computers/algoritmes voor analyse van moleculair biologische data

– Computational biology

• Alignments

• Phylogeny

• Protein structure modeling,…

Eerste citaties met “bioinformatics”

Trends Biotechnol 1993 Ann N Y Acad Sci 1993

(5)

Bio-informatica definitie

Library of strains, each with a tagged regulator

Chromatin IP to enrich promoters bound by regulator

in vivo

Microarray to identify promoters bound by regulator in vivo Regulator Tag

in vivo

Sequentiedata Microarraydata SAGE

ChIP-chipdata

Revolutie in moleculaire biologie …

(6)

Bio-informatica definitie

"Nieuwe" bio-informatica

– Structural genomics – Comparative genomics – Functional genomics

Mechanistic Biology Systems Biology

2000

1998 2000 1994

(7)

Systeembiologie

Onderzoek naar systeembiologie

– Reconstructie van regulatorische netwerken (systeembiologie) in prokaryoten en eukaryoten – Mechanistisch inzicht in het gedrag van een

biologisch systeem

Systems biology is in its infancy, but this is the area that has to be explored and the area that we believe to be the main stream in biological sciences in this century

References:

H. Kitano, Systems Biology: a brief overview, Science, 295:1662-1664, 2002 H. Kitano, Computational Systems Biology, Nature, 420:206-210, 2002

(8)

• Bio-informatica: interdisciplinair onderzoek

• Bio-informatica is geen “magic” maar impliceert volwaardig onderzoek

• Relevante problemen voor het bioi-onderzoek ontstaan vanuit de moleculaire biologie

• Moleculair biologische kennis en “wet lab” ervaring zijn essentieel

• Bio-informatica ondersteuning essentieel voor moleculair biologisch onderzoek

Systems Engineering

Biochemistry Molecular Biology

Bioph ysics Statistics

Mathematics Inform

atics

Systems Biology

Bio-informatica onderzoek

Systems Biology = Biosciences + Computational Sciences + Systems Engineering +...

(9)

Overzicht systeembiologie

Databronnen

Chromatin IP to enrich promoters bound by regulator in vivo

Datacompendia

Databronnen

Preprocessing Motiefdetectie

Pragmatische Inferentieprocedure

Motiefcompendium

Biologische doelstellingen

Motiefmodule

Netwerkmodule

Expressiegedrag

Sequentie-data Microarray data ChIP-chip data

Expressieprofielen Locatie-data

Netwerkinferentie

‘Omics’-dataGeïnfereerd netwerkBio-informatica

(10)

Motiefdetectie en comparatieve genoomanalyse

Databronnen

Datacompendia

Databronnen

Motiefmodule

Netwerkmodule

Expressiegedrag

(11)

Sequentiedata Motiefdata

Motiefdetectie gebaseerd op Gibbs sampling (G. Thijs)

Transcriptieregulatie

Motiefdetectie en comparatieve genoomanalyse

Thijs et al. 2001, Bioinformatics Thijs et al. 2002, J. Comput Biol Lescot et al. 2002, NAR

Marchal et al. 2003, Trends in Micr.

(12)

• Phylogenetic footprinting in prokaryoten gebaseerd op Gibbs sampling (P.

Monsieurs)

• Phylogenetic footprinting in eukaryoten (R. Van Hellemont)

ECs2829 NC_002695 E. coli O157 NATCTGATTTAATCAACAATAAAATTGAGGCCCGGCGTATATTGTACCGGGCTTTTTTTTGCCAATTATCTTATAGACTA ugd NC_004431 E. coli CFT073 ATCTGATTTAACCAACATTAAAAATTGAGGCCCGGCGTATATTGCACCGGGCTTTTTTTTGCCAATTATCTTATAGACTA ugd NC_000913 E. coli K12 NATCTGATTTAACCAACAATAAAATTGAGGCCCGGCGTATATTGCACCGGGCTTTTTTTTGCCAAATATCTTATAGACTA ugd NC_002655 E. coli O157 NATCTGATTTAATCAACAATAAAATTGAGGCCCGGCGTATATTGTACCGGGCTTTTTTTTGCCAATTATCTTATAGACTA ugd NC_003198 S.typhi NNNNNNNNNNNNNATTTCTGCAAGCTTGTTTAAGCCCGGTTTAATACTGGGCTTTTTTTTATCTCTATTCTTATTGATTT udg NC_003197 S. typhimurium NNNNNNNNNNNNNATTTCTGCAAAAATGTTTAAGCCCGGTTTAATACCGGGCTTTTTTTTATCTCTATTCTTATTGATTT

ECs2829 NC_002695 E. coli O157 AATATCACTGCTTAATATTAACTTAATAAATATCAGCTATTCTTATAAAGAAAATCTGAATTGTTTTTCGCTGCGTTGAC ugd NC_004431 E. coli CFT073 AATTTCACTGCTTAATATTAACTTAATAAATATCAGCTATCCTTATAAAGAAAATCTGAATTTTTTTTCGTTGCGTTGAC ugd NC_000913 E. coli K12 AATTTCACTGCTTAATATTAACTTAATAAATATCAGCTATTCTTATAAAGAAAATCTGAATTGTTTTTCGTTGCGTTGAC ugd NC_002655 E. coli O157 AATATCACTGCTTAATATTAACTTAATAAATATCAGCTATTCTTATAAAGAAAATCTGAATTGTTTTTCGCTGCGTTGAC ugd NC_003198 S.typhi ATCGCTTTTGCTTAATATTAACTTAATAATCTGTGTTTATCGTAATGAAGATAATCTGAATTGTTTTCGTCTGCGTTGCA udg NC_003197 S. typhimurium ATCGCTTTTGCTTAATATTAACTTAATAATCTGTGTTTATCGTAATGAAGATAATCTGAATTGTTTTCGTCTGCGTTGCA

ECs2829 NC_002695 E. coli O157 CATCGAACAACGTAGCGTTAAAACTTTTAGCTCTTATCAGGATGTTAAAAACATCATGATTCACAGTTAAGTTAATTCTG ugd NC_004431 E. coli CFT073 CATCGAACAACGTAGCGTTAAAACTTTTAGCTCTTATCAGGATGCTAAAAACATCATGATTCACAGTTAAGTTAATTCTG ugd NC_000913 E. coli K12 CATCGAACAACGTAGCGTTAAAACTTTTAGCTCTTATCAGGATGCTAAAAACATCATGATTCACAGTTAAGTTAATTCTG ugd NC_002655 E. coli O157 CATCGAACAACGTAGCGTTAAAACTTTTAGCTCTTATCAGGATGTTAAAAACATCATGATTCACAGTTAAGTTAATTCTG ugd NC_003198 S.typhi CTTTATATACTCAGGCGTTAAAACTTTGATATCTTATCAGGATGCGAAATACATCATGATTCATAATTAAGTTAATTCTG udg NC_003197 S. typhimurium CTTTATATACTCAGGCGTTAAAACTTTAATATCTTATCAGGATGCGAAATACATCATGATTCATAATTAAGTTAATTCTG

ECs2829 NC_002695 E. coli O157 AGAGCATGAAA ugd NC_004431 E. coli CFT073 AGAGCATGAAA ugd NC_000913 E. coli K12 AGAGCATGAAA ugd NC_002655 E. coli O157 AGAGCATGAAA ugd NC_003198 S.typhi AGAGCGAATAA udg NC_003197 S. typhimurium AGAGCGAATAA

PmrA -10 RscB

Marchal et al., 2004, Genome Biology

Rombauts et al., 2004, Plant Physiol

Motiefdetectie en comparatieve genoomanalyse

(13)

Analyse van high-throughput data

Databronnen

Datacompendia

Databronnen

Motiefmodule

Netwerkmodule

Expressiegedrag

(14)

Analyse van high-throughput data

Microarray-data Expressiedata

Preprocessing

ChIP-chip-data Interactiedata

Preprocessing

in vivo

(15)

• Normalisatie van ruwe data (K. Engelen)

Verwijderen van consistente bronnen van experimentele variatie

• Analyse van complexe experimentele designs (F. De Smet)

– Feature-extractie – Clustering

Marchal et al., 2002, J Biol Systems Engelen et al., 2003, Bioinformatics

De Smet et al., 2003, Bioinformatics Marchal et al., 2004, Toxicogenomics

Analyse van high-throughput data

(16)

Pragmatische netwerkinferentie

Databronnen

Datacompendia

Databronnen

Motiefmodule

Netwerkmodule

Expressiegedrag

(17)

• Ondergedetermineerd:

– 6000*6000 interacties – 10 a 30 experimenten

• Pragmatisch, stapsgewijs algoritme (Bayesiaans)

– Incorporeert prior-kennis

– Belang van experimenteel design

Reconstructie van transcriptionele netwerken a.h.v expressiedata

Pragmatische netwerkinferentie

(18)

Toekomst: focus op Systeembiologie

• Wetenschappelijke doelstelling

– Compendium microarray-data – Compendium motiefdata

– Compendium ChIP-chip-data – Netwerkinferentie

• Ideale onderzoeksomgeving

– Expertise in bio-informatica FTW/FLTBW – Geïntegreerd onderzoek

• Salmonella systeembiologie (CMPG, KULeuven)

• Saccharomyces systeembiologie (Lab of Functional Biology, KULeuven)

• Beoogde resultaten

– Uitbereiden naar andere groepen binnen FLTBW – Publicaties met hoge visibiliteit

– Internationale samenwerkingen uitbouwen (EU)

(19)

• Bio-informatica onderzoek

– Prof. Y. Van de Peer, (U. Gent) – Dr. B. Naudts, ISLab (UA)

• Geïntegreerd onderzoek

– Prof. J. Vanderleyden (CMPG, KULeuven)

– Prof. J. Winderickx (Lab. Functional Biology, KULeuven)

• Dienstverlening

– Microarray-analyse en experimenteel design

• Prof. R. Bouillon (LEGENDO, KULeuven)

• Prof J. Vanderleyden (CMPG , KULeuven)

• Prof. T. Ayoubi (VIB)

• Prof. P. Van Hummelen (MAF, VIB) – Sequentie-analyse en annotatie

• Prof. J. Michiels (CMPG , KULeuven)

• Prof J. Vanderleyden (CMPG , KULeuven)

Samenwerkingen

(20)

Onderwijs

• Onderwijs KULeuven

– IF17: Bio-informatics (GGS Bio-informatics) – IE72: Bio-informatica werkcollege (FLTBW)

– I427A: Seminaries Cel- en Genbiotechnologie (FLTBW) – Begeleiden van thesisstudenten

• Onderwijs buiten KULeuven

– ICES (Instituut permanente vorming; Bioinformatics, Biostatistics), U. Gent

– Masters of Biotechnology, U. Gent

• Didactische methode

– Praktisch en theoretisch inzicht – Exemplarisch

– Toegepast op biologisch relevante voorbeelden – Aangepaste cursustekst

• Dienstverlening

– Lid van de POC GGS Bioinformatics

– Opstellen van de syllabi voor de BAMA Cel- en Genbiotechnologie

“Bio-informatica als essentieel onderdeel van het curriculum moleculaire biologie”

(21)

Motivatie

• Onderzoeksaspect

– Uitdaging van wetenschappelijk onderzoek – Analytisch aspect: hoe efficient probleem

oplossen door combinatie van verschillende disciplines

– Biologisch aspect:

• Noodzaak aan biologisch inzicht

• Onderzoeksdomein op zichzelf

– Interdisciplinair karakter van Bio-informatica

• Didactisch aspect

– Belang van bio-informatica in curriculum moleculaire biologie

•

^Meerwaarde

– Samenwerken verschillende disciplines – Begeleiden/motiveren van studenten

(22)

Besluit

• Bioi-onderzoek in Vlaanderen (BBC) – U. Gent

• F. Wet. Plant Systems Biology

– Prof. Van de Peer, Prof. P. Rouze (Bioinformatics and Evolutionary Biology)

– Dr. Kuiper (Computational Biology)

• F.L.T.B.W. Vakgroep Moleculaire Biotechnologie

– Dr. Van Crieckinge, U.Gent

– U. Antwerpen

• Wiskunde en Computerwetenschappen

– ISLAB, Dr. Naudts

– K.U.Leuven

• Biomedische wetenschappen

– REGA, Prof. Vandamme, Prof. Van Ranst

• Wetenschappen

– Biochemie, Prof. Engelborghs

• Toegepaste wetenschappen

– ESAT/SCD, Prof. De Moor

•

Interdisciplinair aspect

– Interfacultaire GGS

– Systems Biology onderzoek (geïntegreerde projecten) – PROMETA

Ideale context voor hoogstaand bio-informatica onderzoek

& onderwijs

(23)

Met dank aan …

Collega’s van ESAT/SCD Bioi

Prof. B. De Moor Kristof Engelen Pieter Monsieurs Ruth Van Hellemont Dr. Gert Thijs

Md. Frank De Smet

Collega’s van CMPG

Prof. J. Vanderleyden Prof. J. Michiels

Dr. Sigrid De Keersmaecker

(24)