MINISTÉRIO DA DEFESA EXÉRCITO BRASILEIRO SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA CURSO DE MESTRADO EM SISTEMAS E COMPUTAÇÃO

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1 MINISTÉRIO DA DEFESA EXÉRCITO BRASILEIRO SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA CURSO DE MESTRADO EM SISTEMAS E COMPUTAÇÃO ANA CAROLINA BRITO DE ALMEIDA BIOANOT: UM SISTEMA MULTI-AGENTES PARA NOTIFICAÇÃO DE (RE) ANOTAÇÕES DE SEQÜÊNCIAS EM BANCOS DE DADOS GENÔMICOS Rio de Janeiro 2006

2 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA ANA CAROLINA BRITO DE ALMEIDA BIOANOT: UM SISTEMA MULTI-AGENTES PARA NOTIFICAÇÃO DE (RE) ANOTAÇÕES DE SEQÜÊNCIAS EM BANCOS DE DADOS GENÔMICOS Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Sistemas e Computação do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Ciências em Sistemas e Computação. Orientadora: Prof a. Maria C. R. Cavalcanti D.Sc. Co-orientador: Prof. Ricardo Choren Noya D.Sc. Rio de Janeiro

3 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA ANA CAROLINA BRITO DE ALMEIDA BIOANOT: UM SISTEMA MULTI-AGENTES PARA NOTIFICAÇÃO DE (RE) ANOTAÇÕES DE SEQÜÊNCIAS EM BANCOS DE DADOS GENÔMICOS Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado Sistemas e Computação do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Sistemas e Computação. Orientadora: Prof a. Maria Claudia Reis Cavalcanti - D. Sc Co-orientador: Prof. Ricardo Choren Noya - D. Sc Aprovada em 24 de julho de 2006 pela seguinte Banca Examinadora: Prof a. Maria Claudia Reis Cavalcanti D.Sc. do IME - Presidente Prof. Ricardo Choren Noya - D.Sc do IME Prof. Alberto Martin Rivera Dávila Dr. da FIOCRUZ Prof a. Fernanda Araujo Baião Amorim D.Sc da UNIRIO Prof a. Renata Mendes de Araujo D.Sc. da UNIRIO Rio de Janeiro

4 Dedico este trabalho a minha família e ao Instituto Militar de Engenharia. 4

5 AGRADECIMENTOS Primeiramente a Deus por ter permitido eu conseguir chegar até aqui e concluir mais uma etapa na minha vida. Ao meu pai (In memorian) que me apoiou até onde pôde e acompanhou o início deste mestrado, sempre se orgulhando dos meus estudos. A minha mãe e meu irmão por estarem sempre presentes na minha vida, me apoiando e ajudando em todos os obstáculos que tenho encontrado pela frente. A minha família, aos meus amigos e aos meus professores que me ensinaram muitas coisas e tiveram paciência comigo. A minha orientadora Profa. Maria Claudia Cavalcanti e co-orientador Prof. Ricardo Choren, que se mostraram muito mais do que professores e orientadores, são como dois amigos que sempre incentivaram os seus alunos a seguirem em frente e nunca desistir dos seus objetivos, atuando sempre com paciência e dedicação no desenvolvimento deste trabalho. Aos professores Alberto Martin Rivera Dávila, Fernanda Araújo Baião e Renata Mendes de Araújo por terem aceitado fazer parte da banca examinadora desta dissertação. A todos os amigos de luta aqui no IME, especialmente ao amigo Fabrício Nogueira da Silva, pelo apoio e cooperação em todo o andamento do mestrado. Aos amigos que conquistei na FIOCRUZ, especialmente Glauber Wagner, pela paciência com as inúmeras dúvidas sobre biologia. Em especial para a minha amiga Francisca Eneide de Oliveira e meu amor Ruben Augusto Ferreira Neto pela compreensão que tiveram comigo quando mais precisei. A Capes, pelo apoio financeiro concedido ao longo do curso. A todos os funcionários e professores do departamento de Engenharia de Computação e Telemática do IME (SE/8), meu agradecimento e admiração. Ana Carolina B. de Almeida 5

6 SUMÁRIO LISTA DE ILUSTRAÇÕES... 8 LISTA DE TABELAS LISTA DE SIGLAS INTRODUÇÃO Motivação Descrição do Problema Visão Geral da Solução Proposta Contribuições Esperadas Organização da Dissertação FUNDAMENTOS DE BIOINFORMÁTICA E PROJETOS COLABORATIVOS Conceitos Básicos Processo de Anotação Projetos Colaborativos FUNDAMENTOS TEÓRICOS O Esquema GUS Estrutura do Esquema GUS Similaridade no Esquema GUS Anotação no Esquema GUS Sistemas de Notificação Requisitos para Sistemas de Notificação sobre (Re) Anotação de Seqüências Sistemas Multi-agentes Especificação de Sistemas Multi-agentes Plataformas de Desenvolvimento de Sistemas Multi-agentes TRABALHOS RELACIONADOS PubCrawler My NCBI Projeto MyGrid MicrobaseLite Considerações sobre os Trabalhos Relacionados O SISTEMA BIOANOT Arquitetura do BioANot Esquema do banco de dados de notificação

7 5.2. Descrição do BioANot Considerações sobre o BioANot ESTUDO DE CASO Estudo de Caso com o BioANot Detalhamento da Execução do BioANot CONCLUSÃO Contribuições Trabalhos Futuros REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS

8 LISTA DE ILUSTRAÇÕES FIG. 2.1 Dogma Central da Biologia Molecular...21 FIG. 2.2 Estrutura do DNA [USP, 2002]...22 FIG. 2.3 Exemplo de um alinhamento local (A) entre uma seqüência alvo (Q)...24 FIG. 2.4 Exemplo de Anotação no Genbank[DDBJ et al, 2005]...25 FIG. 2.5 Seqüência de passos para o Processo de Anotação...26 FIG. 2.6 Seqüência alvo do Biólogo...26 FIG. 2.7 Alguns alinhamentos gerados pelo Programa de Similaridade...28 FIG. 2.8 Algumas Seqüências Hit selecionadas pelo Biólogo...29 FIG. 2.9 Exemplo hipotético de anotação da seqüência alvo baseada na hit gb AE FIG Exemplo de Cenário de notificação FIG Exemplo de Cenário de notificação FIG. 3.1 Subconjunto do sub-esquema DoTS do GUS para o armazenamento de Análise de Similaridade sobre seqüências de nucleotídeos...42 FIG. 3.2 Subconjunto do sub-esquema DoTS do GUS para o armazenamento de Anotação sobre seqüências de nucleotídeos...44 FIG. 3.3 Processo de Notificação sobre (Re) Anotação de Seqüências...49 FIG. 3.4 Exemplo de diagrama de objetivo...55 FIG. 3.5 Exemplo de diagrama de agentes...55 FIG. 3.6 Exemplo de diagrama de ambiente...56 FIG. 3.7 Exemplo de diagramas de cenário...57 FIG. 3.8 Exemplo de diagramas de planejamento...58 FIG. 3.9 Exemplo 2 de diagrama de planejamento...58 FIG Exemplo de Mensagem ACL...60 FIG Exemplo de diagrama de interação...60 FIG Exemplo de diagrama organizacional...60 FIG Arquitetura Interna do JADE distribuída em vários containers [SILVA, 2003]...62 FIG Arquitetura interna de um agente genérico em JADE [SILVA, 2003]...63 FIG. 4.1 Exemplo de registro de busca do PubCrawler no Genbank...67 FIG. 4.2 Tela com as informações que devem ser preenchidas para o usuário receber a notificação por do sistema My NCBI...69 FIG. 4.3 Algumas opções de filtros para nucleotídeos oferecidas pelo My NCBI...70 FIG. 5.1 Ambiente atual típico dos projetos colaborativos de Bioinformática

9 FIG. 5.2 Ambiente dos projetos colaborativos com o uso do BioANot...79 FIG. 5.3 Relacionamentos e conceitos ligados ao processo de (re) anotação e notificação...80 FIG. 5.4 Extensão no esquema GUS...81 FIG. 5.5 Dinâmica entre os agentes do sistema BioANot...93 FIG. 6.1 Arquitetura dos projetos, onde será aplicado o Estudo de Caso...98 FIG. 6.2 Interface do BioANot para configuração de perfil do usuário...99 FIG. 6.3 Interface do BioANot para a execução do BLAST FIG. 6.4 Interface do BioANot apresentando o resultado do BLAST para PSADEST005H12.b FIG. 6.5 Alinhamento do resultado do BLAST para PSADEST005H12.b FIG. 6.6 Resultado da similaridade obtida do BLAST FIG. 6.7 Interface do BioANot para anotação de Seqüência FIG. 6.8 Exemplo de um subconjunto de uma das mensagens trocadas entre os agentes FIG. 6.9 Exemplo de de notificação do BioANot para o bioinformata FIG Interação entre a página JSP e o Agente Executor de Programa de Similaridade FIG Subconjunto do sub-esquema DoTS do GUS para o armazenamento de Análises de Similaridade FIG Tabelas do GUS que armazenam dados sobre a anotação de uma seqüência 107 FIG Subconjunto dos atributos da tabela Similarity de um Projeto qualquer FIG. 9.1 Diagrama de Objetivo do BioANot FIG. 9.2 Diagrama de Agente do BioANot FIG. 9.3 Diagrama do cenário Analisar Similaridade do sistema BioANot FIG. 9.4 Diagrama de planejamento Analisar Similaridade do sistema BioANot FIG. 9.5 Diagrama do cenário Anotar Seqüência do sistema BioANot FIG. 9.6 Diagrama de planejamento Anotar Seqüência do sistema BioANot FIG. 9.7 Diagrama do cenário Monitorar (Re) Anotação do sistema BioANot FIG. 9.8 Diagrama de planejamento Monitorar (Re) Anotação do sistema BioANot FIG. 9.9 Diagrama do cenário Notificar (Re) Anotação do sistema BioANot FIG Diagrama de planejamento Notificar (Re) Anotação do sistema BioANot FIG Diagrama do cenário Receber Notificação de (Re) Anotação do sistema BioANot FIG Diagrama de planejamento Receber Notificação de (Re) Anotação do sistema BioANot

10 FIG Diagrama do cenário Notificar Usuário do sistema BioANot FIG Diagrama de planejamento Notificar Usuário do sistema BioANot FIG Diagrama de interação para Analisar Similaridade do sistema BioANot FIG Diagrama de interação para Anotar e Monitorar (Re) Anotação do sistema BioANot FIG Diagrama de interação para Notificar (Re) Anotação do sistema BioANot FIG Diagrama de interação para Receber Notificação de (Re) Anotação do sistema BioANot FIG Diagrama de interação para Notificar Usuário do sistema BioANot

11 LISTA DE TABELAS TAB. 3.1 Sub-esquemas do GUS [NASCIMENTO, 2004]...41 TAB. 4.1 Comparação entre os Trabalhos Relacionados...75 TAB. 9.1 Tabela NASequence TAB. 9.2 Tabela Similarity TAB. 9.3 Tabela SimilaritySpan TAB. 9.4 Tabela NAFeature TAB. 9.5 Tabela NALocation TAB. 9.6 Tabela NAFeatureNAProtein TAB. 9.7 Tabela NAProtein TAB. 9.8 Tabela NAFeatureNAGene TAB. 9.9 Tabela NAGene

12 LISTA DE SIGLAS ACC ACL AMS BLAST CFP CNPq DF DNA ECA FIPA GUS JADE JSP JVM MVC NCBI NIH OCL RNA SGBD UML Agent Communication Channel Agent Communication Language Agent Management System Basic Local Alignment Search Tool Call For Proposal Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Directory Facilitator DeoxyriboNucleic Acid Evento Condição - Ação Foundations of Intelligent Physical Agents Genomics Unified Schema Java Agent DEvelopment Framework JavaServer Pages Java Virtual Machine Model-View-Controller National Center for Biotechnology Information National Institutes of Health Object Constraint Language RiboNucleic Acid Sistema Gerenciador de Banco de Dados Unified Modeling Language 12

13 RESUMO A Bioinformática é uma área que está evoluindo rapidamente. Os projetos de pesquisa desta área, através do uso de ferramentas computacionais, geram um grande volume de dados. Como a maioria destes projetos colabora entre si, é fundamental que haja uma troca destes dados entre eles, a fim de que cada um tenha acesso à informação dos demais. Uma destas informações é a anotação genômica, que é a identificação de genes e sua função. Estes dados sobre anotações de seqüências estão em constante atualização. Como os projetos de pesquisa colaboram e estudam organismos correlatos, há a necessidade de se notificar biólogos sobre mudanças nesta anotação. Esta dissertação introduz o BioANot, um sistema multi-agentes para auxiliar os pesquisadores na troca de anotações genômicas. O BioANot auxilia no processo de anotação e oferece um mecanismo de notificação automática sobre (re) anotações de seqüências. As principais contribuições do BioANot são: a especificação de um mecanismo pró-ativo para manter os biólogos atualizados sobre anotações de seqüências de seu interesse e a melhoria na qualidade de anotação genômica, evitando a propagação de erros entre projetos colaborativos. Assim, por meio deste mecanismo, espera-se que cada projeto mantenha as anotações atualizadas sobre as seqüências que podem levar a descobertas sobre organismos em estudo. 13

14 ABSTRACT A Bioinformatics is a rapidly evolving area. Research projects in this area use computer-aided tools and produce large amounts of data. Since most of these projects collaborate, it is necessary for them to exchange data, so that each project can use the information from the others. Important information includes the genomic annotation, which is the identification of genes and their functions. Data about sequence annotation is frequently changing. As projects collaborate and study related organisms, it is crucial to notify biologists about changes in genomic annotations. This dissertation introduces the BioANot, a multi-agent system to assist researchers in the genomic annotations exhange. BioANot supports the annotation process and offers an automatic notification mechanism about sequence (re) annotations. The main contributions of BioANot include: the specification of a proactive mechanism to keep biologists updated about sequence annotations of their interest and the quality improvement in genomic annotation, preventing error propagation among collaborative projects. Through this notification mechanism, BioANot intends to contribute to keeping the research projects updated about sequences that can lead to new findings about an organism. 14

15 1. INTRODUÇÃO A área de Bioinformática encontra-se em constante evolução, demandando soluções rápidas e eficientes. Estas soluções envolvem o auxílio de ferramentas computacionais que estão surgindo atualmente no mercado. O uso destas ferramentas complementa as atividades manuais do processo de investigação de organismos na área biológica. Na medida em que este uso ocorre em larga escala, gera-se uma enorme quantidade de dados a serem tratados. Este Capítulo descreve o problema de manter alguns destes dados atualizados como motivação para o desenvolvimento deste trabalho. Além disto é apresentada uma visão geral da solução proposta e indicadas as contribuições esperadas desta solução MOTIVAÇÃO A Bioinformática, segundo [GIBAS, 2002], é uma disciplina convergente e multidisciplinar que usa fundamentos e ferramentas da ciência da computação para a manipulação, a análise e a interpretação de dados biológicos tais como: genes, proteínas, estruturas, cromossomos e genomas. O crescimento no volume destes dados, que são originados do uso das ferramentas computacionais, tem direcionado os pesquisadores de projeto nesta área a adotar sistemas de gerência de banco de dados (SGBD). Embora um SGBD auxilie na organização de tais dados, estes projetos de pesquisa visam não apenas armazenar dados, mas também prover a inferência ou a descoberta de informações sobre a evolução dos organismos. Esta inferência de informações que identifica uma lista de segmentos da seqüência que possuam algum significado biológico (Ex.: função de genes em genomas) é chamada de anotação. O processo de anotação (processo de descoberta de informações sobre um dado biológico específico) é armazenado no SGBD para servir como base para outras 15

16 análises direcionadas a um detalhamento do organismo ou comparação entre organismos existentes. Como estes dados estão em constante estudo pelos biólogos, a anotação está sujeita a contínuo aperfeiçoamento, resultando em descobertas de informações e conseqüentemente, fazendo com que a (re) anotação seja cada vez mais freqüente DESCRIÇÃO DO PROBLEMA Diante do fato de os dados sobre (re) anotações de seqüências estarem em constante atualização, surge um problema que é freqüente no cenário em que grupos de pesquisa colaboram: a falta de notificação sobre estas (re) anotações [MARSHALL, 2002] [THEOLOGIS et al, 2004] [COCHRANE et al, 2006] [TULI et al, 2003]. Estes grupos de pesquisa geralmente estudam seqüências de organismos correlatos. Assim, é importante que ao ocorrer uma nova anotação ou uma atualização na anotação de um organismo, os outros projetos envolvidos na colaboração sejam notificados. Esta notificação torna-se imprescindível no caso desta anotação poder impactar diretamente sobre a anotação de uma seqüência em estudo pelo grupo notificado. Esta notificação é ainda mais necessária no caso de ocorrer uma anotação equivocada e esta ser utilizada como base para outra anotação. A ausência de um mecanismo que notifique os usuários sobre uma anotação que acabou de ser corrigida, por exemplo, acarreta em uma propagação de erro pelos diversos projetos. Neste caso, para não ocorrer uma propagação de um dado desatualizado, a notificação poderia ser realizada pessoalmente, através de uma comunicação entre biólogos, no momento em que é realizada uma nova anotação. Porém, diariamente, existem diversas (re) anotações sendo armazenadas no banco de dados local de cada grupo. A freqüência com que estas atualizações ocorrem no banco, devido ao fato destes biólogos estarem lidando com seqüências em fase de estudos, tende a gerar um grande volume de dados. Diante desta enorme quantidade de atualizações, fica inviável que, a cada nova anotação, o biólogo notifique os outros grupos através de um meio de comunicação usual, como o telefone. Além disto, neste tipo de 16

17 notificação encontram-se problemas, pois está sujeito ao esquecimento humano (caso o biólogo não consiga notificar algum grupo no momento da sua anotação, ele pode esquecer de notificá-lo mais tarde), ao não aproveitamento do tempo (o biólogo precisa interromper o seu estudo para notificar os outros grupos) e a inviabilidade de notificar cada grupo envolvido, sobre as inúmeras atualizações. Então, considerando este problema enfrentado pelos grupos de pesquisa colaborativos que estudam organismos correlatos, surge a necessidade de um mecanismo que realize notificação automática entre estes grupos. Os mecanismos de notificação existentes atualmente na literatura estão preocupados em notificar os usuários, de uma forma geral, de maneira pouco personalizada, não atendendo assim a todos os requisitos necessários para a notificação automática personalizada e pró-ativa. Isto é, estes mecanismos [STEVENS et al, 2003] [SUN, 2004] não provêem uma notificação voltada especificamente aos interesses de um determinado biólogo sobre (re) anotações que possam impactar nos seus estudos. Alguns mecanismos de notificação [HOKAMP et al, 1999] [PUBMED, 2005] chegam a oferecer alguma personalização, na medida em que permitem aos usuários uma declaração prévia de interesse. Porém, devido a característica dinâmica que o uso de programas traz para o ambiente de pesquisa do biólogo, tais interesses mudam com relativa freqüência, o que demanda mecanismos que atuem de forma pró-ativa. Para permitir esta automação da notificação, este trabalho propõe o BioANot, um sistema que foi desenvolvido com a abordagem de agentes de software e um esquema genérico de banco de dados genômicos VISÃO GERAL DA SOLUÇÃO PROPOSTA Este trabalho foca na apresentação de um sistema multi-agentes, que interage com um banco de dados que utiliza um esquema genérico, com o objetivo principal de identificar e notificar, automaticamente, os usuários interessados em novas (re) anotações de determinadas seqüências. 17

18 A solução foi baseada nos cenários e requisitos levantados junto a um grupo de pesquisa em bioinformática. A caracterização de um ambiente distribuído e heterogêneo com a necessidade de que cada biólogo realize a sua anotação independentemente e que este processo de anotação seja monitorado de forma que os biólogos interessados sejam notificados, contribuiu para a escolha da abordagem de agentes de software. Além disto, como uma forma de resolver a falta de padronização entre os diversos bancos de dados existentes nos diferentes grupos de pesquisas e pelo fato destes bancos também estarem distribuídos e serem heterogêneos, foi utilizado um esquema genérico de integração dos dados para aplicações biológicas, que já vem sendo adotado por alguns projetos de pesquisa. Assim, o BioANot identifica, automaticamente, o interesse de cada usuário envolvido na colaboração, ou seja, a seqüência cujas (re) anotações podem impactar diretamente na sua seqüência de estudo. De posse desta informação, a cada (re) anotação de seqüência, o BioANot notifica somente os usuários que podem estar interessados de acordo com a similaridade entre as seqüências, informando sobre a nova anotação CONTRIBUIÇÕES ESPERADAS As principais contribuições esperadas para este trabalho são: Automatizar o processo de notificação, de maneira a facilitar a interação entre os projetos envolvidos na colaboração, apoiando a troca de informações armazenadas em cada um deles e evitando a propagação de erros; Fazer a notificação de forma pró-ativa, de maneira que o biólogo não precise registrar explicitamente o seu interesse sobre as (re) anotações de uma seqüência. Criar uma ferramenta que permita a integração dos processos de anotação e de notificação automática. 18

19 Facilitar a colaboração entre projetos, independente do ambiente adotado por cada um, de forma que ao haver uma mudança na configuração do ambiente do projeto, esta não tenha um grande impacto sobre o sistema de notificação; Certificar o biólogo de que ele possui as informações mais atuais sobre as seqüências que possam impactar na sua seqüência de estudo, estando mais confiante no momento de realizar uma (re) anotação ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO Este trabalho encontra-se organizado da seguinte maneira: no capítulo 2, definem-se alguns termos importantes relacionados à área de Bioinformática que são utilizados no decorrer deste trabalho. Entre eles, destaca-se o processo de anotação, descrevendo os elementos envolvidos no mesmo. Ao final do capítulo, apresenta-se o cenário principal desta dissertação, no qual são definidos e exemplificados os projetos colaborativos, descrevendo três situações reais que ocorrem nestes projetos atualmente, confirmando a necessidade do desenvolvimento de um trabalho para notificação automática sobre (re) anotações de seqüências. O capítulo 3 descreve alguns fundamentos teóricos. Entre eles, o esquema genérico de banco de dados genômicos adotado, justificando a escolha do mesmo e apresentando como é a sua estrutura, o armazenamento de similaridade e de anotação. Além disto, conceitua-se sistemas de notificação, descrevendo os requisitos necessários para tal processo. Por fim, desenvolvem-se os conceitos relacionados à abordagem de agentes de software. Primeiramente, são citadas algumas técnicas de modelagem de agentes, detalhando o ANote [CHOREN et al, 2005] que foi a linguagem adotada por este trabalho. Posteriormente, é detalhada a plataforma de desenvolvimento de sistema multi-agentes JADE [JADE, 2006] que também foi adotada para o desenvolvimento deste trabalho. No capítulo 4 é realizado o levantamento de alguns trabalhos relacionados à notificação que existem na literatura. Estes trabalhos são detalhados e comparados aos requisitos que foram levantados no capítulo anterior. 19

20 No capítulo 5, apresenta-se o BioANot como uma forma de solução, que é um sistema multi-agentes para a notificação automática de (re) anotações de seqüências. A arquitetura do BioANot bem como as etapas envolvidas no seu desenvolvimento e na sua implementação também são apresentadas. No capítulo 6 é apresentado um estudo de caso que ocorre freqüentemente entre projetos colaborativos, onde estes projetos utilizam o protótipo implementado do BioANot. Além disto, mostra-se um detalhamento da execução do sistema. Finalizando, no capítulo 7, apresenta-se a conclusão deste trabalho, expondo as suas contribuições bem como alguns trabalhos futuros a partir do BioANot. 20

21 2. FUNDAMENTOS DE BIOINFORMÁTICA E PROJETOS COLABORATIVOS Este capítulo apresenta uma descrição sucinta dos principais conceitos relacionados à área de Bioinformática que são necessários para o entendimento e a motivação do presente trabalho, visto que estes termos são utilizados no decorrer da dissertação. Além disto, delimita-se o escopo deste trabalho, apresentando cenários reais em que o problema é claramente identificado e situado em um ambiente onde ocorrem anotações em seqüências que envolvem diversos projetos colaborativos CONCEITOS BÁSICOS Este trabalho está focado na biologia molecular, cujo dogma central estabelece que o ácido desoxirribonucleico (DNA) atua como um modelo para se replicar e também é transcrito em ácido ribonucléico (RNA) que é convertido em proteína [CRICK, 1970], conforme ilustrado pela FIG DNA Processo de RNA Processo de Proteínas Transcrição Tradução FIG. 2.1 Dogma Central da Biologia Molecular Uma seqüência de DNA é um polímero linear formado por nucleotídeos ou bases, ou seja, é uma ordem particular de bases que especifica as instruções genéticas exatas requeridas para criar um organismo específico [WATSON et al, 1953]. Estes nucleotídeos ou bases podem ser de quatro tipos: adenina (A), guanina (G), citosina (C) e timina (T). Estas bases são identificadas na seqüência através do processo conhecido como seqüenciamento. Seqüenciamento é um processo utilizado para montagem de seqüências em que o genoma (seqüência de DNA completa) deve ser dividido em fragmentos e estes 21

22 fragmentos seqüenciados precisam ser remontados em uma seqüência contínua [SANGER et al, 1977]. Esta seqüência contínua é representada na forma de uma cadeia de letras correspondentes às bases da seqüência. O DNA constitui-se de uma estrutura especial, cujo formato é uma dupla hélice enroscada uma na outra, onde as suas metades são mantidas juntas e interligadas por nucleotídeos formando uma fita (FIG. 2.2). Estes nucleotídeos são interligados de maneira específica (A só pode fazer par com T e G só pode fazer par com C) e a cada par A-T e G-C, chamamos de par de bases. FIG. 2.2 Estrutura do DNA [USP, 2002] O RNA é semelhante à estrutura do DNA, sendo também formado por nucleotídeos, geralmente em cadeias simples [GESTELAND et al, 1993]. Porém, as bases encontradas no RNA são: adenina (A), guanina (G), citosina (C) e uracila (U). Esta última base substitui a timina que está presente na seqüência de DNA. O processo de transcrição é baseado em um tipo específico de RNA (mrna), que é utilizado para que uma das fitas presentes no DNA seja copiada. Este processo é o primeiro passo para que uma seqüência de DNA seja traduzida em uma seqüência de proteína, conforme ilustrado na FIG O segundo passo, chamado de tradução, corresponde à conversão da seqüência de RNA em proteína. A cada três bases do RNA corresponde um códon para 22

23 codificar um aminoácido em uma seqüência de proteína. Estes códons da molécula do mrna servem como base para estabelecer a ordem da inserção de aminoácidos na cadeia crescente de formação da proteína, originando assim, a seqüência de proteína. Proteínas são moléculas complexas constituídas de seqüências lineares de moléculas menores chamadas de aminoácidos e que realizam a maioria das funções da vida celular [HARTLEY, 1951]. As proteínas são geradas a partir da transcrição e tradução de genes, que possuem as informações e componentes estruturais necessários para a construção de proteínas. Ao conjunto destes genes, podemos chamar de genoma, que nada mais é do que uma seqüência de DNA completa e que codifica um ser vivo. Além dos conceitos definidos até então, é importante ter conhecimento sobre as ferramentas de análise disponíveis na comunidade de Bioinformática. Entre as ferramentas que auxiliam os biólogos na análise de dados genômicos estão aquelas que identificam similaridade. Em geral, a similaridade é baseada no alinhamento de seqüências. Por este motivo, antes de definir similaridade, é importante entender os tipos de alinhamento de seqüências existentes, ou seja, os tipos de processos em que duas seqüências são colocadas lado a lado para comparação. Existe o alinhamento de seqüência global e local [SANKOFF et al, 1983]. O alinhamento global pressupõe que as duas seqüências a serem alinhadas são conhecidas e devem ser alinhadas por todo o seu comprimento. Já o alinhamento local não precisa se estender do começo ao fim de duas seqüências a serem alinhadas (FIG. 2.3 ). Durante este alinhamento, cada par recebe uma pontuação. Caso esta pontuação, em algum ponto da seqüência, seja negativa, o alinhamento pode ser interrompido e reiniciado em um outro trecho da seqüência, ou seja, este alinhamento pode ser parcial, cobrindo apenas parte (local) da seqüência. 23

24 FIG. 2.3 Exemplo de um alinhamento local (A) entre uma seqüência alvo (Q) e uma seqüência hit (P) Os biólogos utilizam as ferramentas de alinhamento para comparar as seqüências em busca de uma similaridade entre elas. Similaridade é a presença de trechos similares e idênticos entre duas seqüências, podendo significar características em comum [MURPHY, 1994]. Ao submeter uma seqüência em estudo, também conhecida como seqüência alvo, query ou cluster (Q da FIG. 2.3 ) a um programa de similaridade, ele realiza o alinhamento (A da FIG. 2.3 ) da seqüência com várias outras seqüências presentes em outros bancos de dados. Como resultado, ele retorna várias seqüências que são similares àquela que foi consultada (seqüência alvo), atribuindo a cada seqüência similar, também chamada de seqüência hit ou subject (P da FIG. 2.3 ), um valor (score) que sinalizará o quanto esta seqüência é similar à seqüência alvo. Quanto maior este valor, maior o grau de similaridade. As ferramentas mais utilizadas atualmente na comunidade de Bioinformática para realizar o alinhamento entre as seqüências, buscando por similaridade entre elas, são o BLAST (Basic Local Alignment Search Tool) [ALTSCHUL et al, 1997] e o FASTA [PEARSON, 1994]. Ambos provêem uma busca rápida em bancos de dados de seqüências, que podem ser de nucleotídeos ou proteínas, bem como o 24

25 alinhamento local e global. Estas ferramentas auxiliam os biólogos no processo de anotação de seqüências, que é descrito no próximo item PROCESSO DE ANOTAÇÃO Um processo de anotação é a extração de informações biológicas úteis sobre a seqüência em processo de estudo, ou seja, é a identificação de uma lista de segmentos associados a conclusões do biólogo e que podem corresponder, por exemplo, à identificação de genes, elementos funcionais em DNA genômico ou inferência de funções dos genes nos genomas [STEIN, 2001]. A anotação envolve a organização genômica de um organismo, que significa identificar genes e outros elementos funcionais no DNA genômico. A anotação funcional é o fato de designar como e quando estes genes serão explicitados e quais as suas interações com outros genes. Além disto, existem três maneiras de classificar uma anotação [LEMOS, 2004]: Importada a anotação importada é obtida de fontes de dados públicas como o Genbank [BENSON et al, 2004] e o Swiss-Prot [BOECKMANN et al, 2003]; Automática a anotação automática é gerada por programas analíticos disponíveis na área de Bioinformática; Manual a anotação manual é diretamente criada pelo biólogo. Como exemplo de uma anotação, que é ilustrada na FIG. 2.4, podemos citar um trecho de uma seqüência, classificado como seqüência codificante (CDS) que corresponde a um gene conhecido como adhi, que possui início na posição 23 e término na posição 400 e cuja função é gerar um produto chamado alcohol dehydrogenase. Esta anotação é baseada no formato da tabela Feature presente no banco de dados Genbank. FIG. 2.4 Exemplo de Anotação no Genbank[DDBJ et al, 2005] 25

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