Introductie Prof. dr. A.H.C. van Kampen (Antoine) Bioinformatics Laboratory Academic Medical Centre (AMC) www.bioinformaticslaboratory.nl a.h.vankampen@amc.uva.nl Genomics van Ziekte

Kennis van omics, bioinformatica, informatiemanagement en e-Bioscience wordt steeds belangrijker voor een biomedisch wetenschapper. Onderzoekers met kennis en ervaring in deze gebieden worden steeds meer gevraagd maar het huidige aanbod is nog steeds te laag. Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

4 vragen Waarom is de naam van dit vak fout? Hoe zullen patienten profiteren van dit vak? Hoe kunnen we computers gebruiken om ziekten te verslaan? Wat heeft dit met jou te maken? Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

4 antwoorden Waarom is de naam van dit vak fout? Genomics is de studie van ‘genomen’ (volledige DNA sequenties) In ‘Genomics van Ziekte’ kijken we naar alle ‘omics’ niveaus Echter, ‘genomics’ wordt in de wandelgangen vaak gebruikt als verzamelnaam voor alle ‘omics’ technologieen. Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

4 antwoorden Hoe zullen patienten profiteren van dit vak? ‘omics’ technologieen zijn van grote waarde bij meten van moleculen in de cel. DNA, RNA, eiwitten, metabolieten Deze moleculaire informatie wordt gebruikt voor Ontrafelen en begrijpen van biologische processen in ziekte en gezondheid Diagnostiek Selectie van behandeling Ontwikkeling van nieuwe behandelingen (medicijnen) Begrijpen van biologische systemen (bv organel, cel, weefsel, orgaan, patient) Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

4 antwoorden Hoe kunnen we computers gebruiken om ziekten te verslaan? In de context van ‘omics’ hebben we computers en software nodig om grote hoeveelheden complexe data te kunnen verwerken analyseren interpreteren Is dit een taak voor een informaticus, statisticus of biomedisch wetenschapper? Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

4 antwoorden Wat heeft dit met jou te maken? OMICS is niet meer weg te denken uit biomedische wetenschappen High-throughput experimenten Bioinformatica Statistiek e-Bioscience Systeembiologie ..... Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

International Space Station this could be you....... OMICS wordt zeer breed binnen biomedisch onderzoek gebruikt. Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

“Biomedical analysis of human hair exposed to a long-term space flight Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

In dit geval is het effect ook zonder onderzoek duidelijk.... Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

? Centrale dogma Welke niveau ontbreekt hier? Genomics van Ziekte

Centrale dogma Metabolieten Metabolieten worden niet gezien als onderdeel van het centrale dogma maar spelen wel een zeer belangrijk in de cel. Denk aan de metabole pathways. Hiernaast zijn ze bijvoorbeeld betrokken bij regulatie van genexpressie. Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Monkey Business http://www.youtube.com/watch?v=IGQmdoK_ZfY In de video ‘monkey business’ ben je gefocusseerd op de personen die de bal overgooien. Hierdoor ontgaat je waarschijnlijk dat er een aap door de groep loopt en dat het gordijn van kleur verandert. Bij de analyse en interpretatie van omics data kan dit ook gebeuren. Je kunt zo gefocusseerd zijn op 1 aspect van de data, dat andere aspecten je ontgaan. Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Genomics van Ziekte Wat kunnen we meten in de cel? Genomics van Ziekte

Genomics van Ziekte Wat kunnen we meten in de cel? Nucleotide volgorde van DNA / RNA Expressie van genen Expressie van eiwitten Volgorde aminozuren Metaboliet concentraties Metaboliet structuur etc Met het huidige arsenaal aan OMICS technologieen kunnen we op alle niveaus metingen verrichten aan de cel. Hier staan een aantal voorbeelden genoemd. Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Genomics van Ziekte De ‘OMICS’ domeinen We meten het: Genome Transcriptome Proteome Metabolome Genomics: dit is het bestuderen van ‘genomen’ (DNA sequenties). Vaak wordt hier (een deel van de) DNA sequentie in kaart gebracht. Bijvoorbeeld voor het identificeren van mutaties in genen. Transcriptomics: hier wordt het ‘transcriptome’ in kaart gebracht door het meten van de expressie van genen. Proteomics: hier wordt het ‘proteome’ in kaart gebracht. Het meten van eiwitten (aminozuurvolgorde, post-translationaele modificaties, concentraties) Metabolomics: hier wordt het ‘metabolome’ in kaart gebracht. Het meten van kleine moleculen (metabolieten): structuur en concentraties. Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Genomics van Ziekte OMICS voor bestuderen van normale en ziekte processen OMICS technologieen worden gebruikt om zowel fysiologische als pathofysiologische condities te meten. Bijvoorbeeld normale cellen en tumor cellen. Door zulke condities met elkaar te vergelijken krijgen we meer inzicht in de genen, eiwitten, metabolieten en biologische pathways die betrokken zijn bij een ziekte. Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Genomics van Ziekte OMICS met behulp van high-throughput technologieen. Compleet DNA ‘Alle’ genen ‘Alle’ eiwitten ‘Alle’ metabolieten Met omics technologieen met we niet niet langer 1 gen, 1 eiwit of 1 metaboliet, maar kunnen we ‘alle’ genen/eiwitten/metabolieten tegelijk meten. Evenzo kunnen we eenvoudig complete DNA sequenties van organismen (waaronder van mens) bepalen. PTM = post translational modication Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Genomics van Ziekte OMICS met behulp van high-throughput technologieen. Next generation sequencing DNA microarrays Massa spectroscopy NMR ........ Er zijn verschillende experimentele technologieen beschikbaar om op alle niveaus van de cell metingen te verrichten. Deze technieken produceren vaak grote hoeveelheden data. Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Genomics van Ziekte Bioinformatica Systeembiologie Informatiemanagement e-Bioscience Systeembiologie: dit is de discipline die door middel van experimenten en computationele methoden complete systemen probeert te modelleren en te begrijpen. Met systemen bedoelen we hier een complete organisme (bv een bacterie) of een cel, en organel, of orgaan. Bioinformatica is een discipline die methoden uit de informatica en statistiek toepast om biologische vraagstellingen te adresseren. Bioinformatica is nodig om omics data te analyseren en te interpreteren. Bioinformatica speelt ook een rol bij het goed opzetten van experimenten zodat achteraf de gewenste informatie uit de data kan worden verkregen. Informatiemanagement: vanwege de grote hoeveelheden data die worden geproduceerd door omics technologieen speelt informatiemanagement (als onderdeel van (bio)informatica) een belangrijke rol in hedendaags biologische onderzoek. Informatiemanagement speelt bijvoorbeeld een rol bij het opzetten van (publieke)databases, de organisatie van data, de beschrijving van data en de integratie van data. e-Bioscience (of e-Science): e-Bioscience is de discipline die moderne ICT middelen gebruikt als ‘enabling technologie’ om het beantwoorden van biomedische vragen mogelijk te maken. Zulke technologieen zijn bijvoorbeeld GRID en workflow systemen. e-Bioscience ontsluit benodigde rekenkracht en opslagcapaciteit die vaak nodig is voor de analyse van grote hoeveelheden omics data. Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Information management Bioinformatica *convert data to knowledge *generate new hypotheses Experimental Data Knowledge From public databases Definitions Advancing the scientific understanding of living systems through computation (Int. Society of Computational Biology) Bioinformatics is conceptualising biology in terms of molecules and applying “informatics techniques” (derived from disciplines such as applied maths, computer science and statistics) to understand and organise the information associated with these molecules, on a large scale. In short, bioinformatics is a management information system for molecular biology and has many practical applications. (N. M. Luscombe, D. Greenbaum, M. Gerstein (2001) What is bioinformatics? A proposed definition and overview of the field. Methods of Information in Medicine, 40, 346–58) Extracting Biological Knowledge from complex Data *Design new experiments Information management Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Systeembiologie Understanding the functioning of biological systems is essential * for the development of effective drugs and therapies for major diseases, such as metabolic syndrome, cancer, diabetes and ageing. * for cost-effective biotechnological innovations. However, living organisms are extremely complex: even 'simple' functions require the interplay of large numbers of components *in time and space: molecules, cells, tissues, organisms. Systems biology is the scientific approach towards overcoming this complexity hurdle. It brings together experimental information about the interplay of the components of the systems in quantitative mathematical models that allow prediction of the behaviour of such systems. Peter Hunter, Thomas Borg (2003) Molecular Cell Biology, 4, 237 Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Informatiemanagement Opslaan Organiseren Annoteren Curatie Integreren ....... 2010 De hoeveelheid omics data neemt explosief toe. Het is bijvoorbeeld mogelijk geworden om via (next generation) sequencing technologieen complete genomen (DNA sequenties) in kaart te brengen. Dit geeft zeer uitdagende problemen voor informatiemanagement 2011 2001 Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

e-Bioscience Een voorbeeld van e-Bioscience. Amazon verkoopt niet alleen boeken maar ‘Amazon Webservices’ verkoopt ook rekenkracht. Tegen betaling krijg je toegang tot de ‘Cloud’ en waarin computers tot je beschikking staan. Wij zullen het Cloud van SARA gebruiken voor het exome sequencing practicum. Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Some examples Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Wat heeft deze muziek te maken met DNA? Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Wat heeft deze muziek te maken met DNA? Het genome van Ozzy Osbourne is in kaart gebracht door een commercieel bedrijf. Zie bijvoorbeeld http://www.guardian.co.uk/music/2010/nov/05/ozzy-osbourne-genes-sequenced-genome Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Wat heeft de voormalige president, Victor Yushchenko (2005-2010), van Oekraine te maken met transcriptomics (DNA microarrays)? Yeshchenko heeft zelf niet zoveel te maken met transcriptomics. Echter zoals op de foto’s te zien is ging zijn toestand snel achteruit vanwege een dioxine vergiftiging: Ukrainian opposition leader, Victor Yushchenko, became acutely ill during the 2004 Ukrainian elections He was hospitalised in Vienna with “acute pancreatitus” (inflammation of the pancreas), and a Dutch toxicologist suggested testing for dioxin levels. I turned out that dioxin concentrations found to be 1000 times higher than normal. Dioxin is a very toxic compound. A publication in Nucleic Acids Research (2004) describes how sequence analysis in combination with transcriptomics (DNA microarrays) could be used to determine the mechanism of dioxin toxicity, which is still not fully understood. Sun YV, Boverhof DR, Burgoon LD, Fielden MR, Zacharewski TR. Comparative analysis of dioxin response elements in human, mouse and rat genomic sequences. Nucleic Acids Res. 2004 32(15):4512-23. PubMed PMID: 15328365; July 2004 Dec. 2004 Oct 2008 July 2004 Dec. 2004 Oct 2008 Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Vietnam oorlog (“Agent Orange”) 2011 The Seveso Disaster (July 1976) 2008-2010 2008 Er zijn de afgelopen jaren vele voorbeelden van problemen met dioxine. Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Gene regulation and dioxin response elements Exterior Cytosol Receptor Proteins Dioxine heeft effect op genexpressie doordat het een interactie aangaat met een recepter en vervolgens bindt aan het DNA waardoor genen tot expressie komen. De NAR studie laat zien hoe je in het DNA respons elementen kun identificeren en hoe je met behulp van microarrays de expressie van genen kunt meten. Receptor gene Biochemical effects Toxic effects Detoxification responses response element Nucleus Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Wat heeft deze gekke koe te maken met eiwitten en humane ziekte? Mad cow disease (Creutzfeldt-Jakob disease) is a fatal aquired brain disorder caused by prions (a protein with an unusual structure; smaller than a virus). They also alter nearby proteins structures and consequently their functions. When diagnosed CJD has caused enough damage to produce progressive dementia and involuntary jerking muscle movements called myoclonus. About more than a half of cases of CJD are from sporadic mutations, the rest may be hereditary or transmited from an animal to a person, or from person to person (eg. transfusions). Its very rare to make a diagnosis, as the condition continues undetected they will eventually develop strong muscle spasms, paralysis, and coma. The prognosis is very poor, about 90% of people with CJD die within 1 year. In een van de volgende colleges gaan we in het kader van ‘informatiemanagement’ kijken naar prionen. Wat heeft deze gekke koe te maken met eiwitten en humane ziekte? Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Wat heeft rode wijn te maken met metabolomics? Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Resveratrol Resveratrol is een polyfenol — een chemische verbinding die in diverse plantensoorten voorkomt, maar vooral in de schil van blauwe druiven. Van resveratrol wordt verondersteld dat het een gunstige werking heeft bij het voorkómen van hartaandoeningen en kanker. Het heeft ook een positief effect op de stofwisseling bij obese mannen. Zie bijvoorbeeld wikipedia of http://abcnews.go.com/Health/w_DietAndFitnessNews/red-wine-ingredient-resveratrol-mimics-calorie-restriction-obese/story?id=14852698 Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Abstract: Resveratrol is a naturally occurring anticancer compound present in grapes and wine with antiproliferative properties against breast cancer cells and xenografts. Our objective was to investigate the metabolic alterations that characterize the effects of resveratrol in the human breast cancer cell lines MCF-7 and MDA-MB-231 using high-throughput liquid chromatography-based mass spectrometry. In both cell lines, growth inhibition was dose dependent and accompanied by substantial metabolic changes. For all 21 amino acids analyzed levels increased more than 100-fold at a resveratrol dose of 100 μM with far lower concentrations in MDA-MB-231 compared to MCF-7 cells. Among the biogenic amines and modified amino acids (n = 16) resveratrol increased the synthesis of serotonin, kynurenine, and spermindine in both cell lines up to 61-fold indicating that resveratrol strongly interacts with cellular biogenic amine metabolism. Among the eicosanoids and oxidized polyunsaturated fatty acids (n = 17) a pronounced increase in arachidonic acid and its metabolite 12S-HETE was observed in MDA-MB-231 and to a lesser extent in MCF-7 cells, indicating release from cell membrane phospholipids upon activation of phospholipase A2 and subsequent metabolism by 12-lipoxygenase. In conclusion, metabolomic analysis elucidated several small molecules as markers for the response of breast cancer cells to resveratrol. http://online.liebertpub.com/doi/abs/10.1089/omi.2010.0114 Resveratrol is a naturally occurring anticancer compound present in grapes and wine with antiproliferative properties against breast cancer cells Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Biomedisch wetenschapper of computer nerd? Als biomedisch wetenschapper zul je ook wat af moeten weten van (bio)informatica, informatiemanagement, e-Bioscience, statistiek, etc. Je zult dan in staat zijn de data te analyseren die jezelf produceert of in ieder geval kun je met experts op deze gebieden communiceren. Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

OMICS en Bioinformatica van Sequencing Transcriptomics Proteomics Genomics van Ziekte OMICS en Bioinformatica van Sequencing Transcriptomics Proteomics Metabolomics Systeembiologie Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Who We Are Beijing Genomics Institute http://www.youtube.com/watch?v=3jtEQ6W4zIo (5 minuten) Let op: Genomics, Proteomics Bioinformatica e-Science (ICT / Cloud) Hardware/software Informationmanagement Toepassingen Training BGI is een instituut dat zeer actief is in het ‘omics’ (met name genomics) veld. Het youtube filmpje dient niet als reclame voor BGI, maar laat duidelijk zien hoe verschillende aspecten van ‘omics’ (zoals bioinformatica, ICT, informatiemanagement, etc) met elkaar verweven zijn. De moderne biomedisch wetenschapper wordt geacht een ‘schaap met 7 poten’ te zijn en/of te kunnen samenwerken in multidisciplinaire teams. Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Genomics van Ziekte Geen science fiction Genomics is geen ‘science fiction’. Het is dichterbij dan je wellicht realiseert. Binnen de UvA zijn het AMC en FWNI zeer actief bezig met OMICS, Bioinformatica, e-Bioscience, etc etc. Er zijn diverse experimentele faciliteiten en computationale onderzoeksgroepen bij betrokken. Veel (pre)klinische afdelingen maken gebruik van omics in hun onderzoek. Genomics van Ziekte Geen science fiction Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

The ‘biomedical’ laboratories AMC FNWI Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

The Academic Medical Center In het AMC wordt omics gebruikt onderzoek om moleculaire processen die ten grondslag liggen van ziekte beter te begrijpen. Of voor de ontwikkeling van nieuwe methoden voor diagnostiek en behandeling. Hierbij wordt naast omics data ook vaak patient/klinische data gebruikt. In het vak ‘genomics van ziekte’ zullen we ons concentreren op omics data. Research: understanding disease, diagnosis, prognosis, treatment, drug Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Klinische data: het ziekenhuis als een laboratorium Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

DNA isolation Beckman Biomek FX Mass spectrometer Sequencing Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Transcriptomics: Affymetrix gene expression Microarray Department (SLS) Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Proteomics: Fourier transform cyclotron resonance mass spectrometer Proteomics afdeling (SILS) Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Bioinformatica, informatie- management, e-Bioscience, etc Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Clinic Laboratories Bioinformatics Genomics van Ziekte

Het vak ‘Genomics van Ziekte’

Genomics van Ziekte in 12EC Inzicht in NGS, Transcriptomics, Proteomics, Metabolomics Experimentele omics technologieën (sequencing, microarrays, massaspectroscopie); Toepassing van omics in biomedisch onderzoek; Toepassing van omics in diagnostiek; Analyse van biologische systemen (systeembiologie) Analyse en interpretatie van omics data (bioinformatica); Het managen van complexe en grote hoeveelheden data (informatiemanagement) Het gebruik van moderne ICT in biomedisch onderzoek (e-Bioscience) Genomics van Ziekte

Opzet Opzet van de module (Rooster) Computerpractica en beoordeling Lesmateriaal Tentamens Eindcijfer Evaluatie Zie ook blackboard Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte

Rooster 5 blokken (omics + bioinformatica) Sequencing Transcriptomics Proteomics Metabolomics Systeembiologie Door deze 5 blokken loopt ‘Informatiemanagement’ Relatie met onderzoek, diagnostiek, gezondheid en ziekte. Genomics van Ziekte

Genomics van Ziekte

Genomics van Ziekte

Genomics van Ziekte

Genomics van Ziekte

Genomics van Ziekte

Genomics van Ziekte

Genomics van Ziekte

Deeltentamen Genomics van Ziekte

Genomics van Ziekte

-Radboud Universiteit 24 docenten waarvan 3 gastdocenten -NKI -Universiteit Leiden -Radboud Universiteit Genomics van Ziekte

Lesmateriaal Powerpoint presentaties Wetenschappelijke artikelen Materiaal voor computeropgaven Alles wordt door docenten voor, tijdens of kort na college beschikbaar gemaakt. Genomics van Ziekte

Computerpractica Onderwerpen Exome sequencing 1+5 uur Public databases 4+0 uur Transcriptomics (DNA microarrays) 2+3, 1+4, 1+3 uur Proteomics (String) 2x2+0 uur Metabolomics: pre-processing 1+5 uur Metabolomics: multivariate statistiek 4+0 uur Ondersteunend aan hoorcolleges Verplicht! Deel van practicum is ingeroostered (assistentie aanwezig); deel van practicum moet gebeuren in eigen tijd. Zie verdeling hierboven. Diverse tools: Linux, R, Cloud, Cytoscape, xcms, ...... Logistiek is niet altijd optimaal Genomics van Ziekte

Practicumgroepen Vier groepen: A, B, C, D In elke groep 28 personen De volgorde van de groepen in het rooster is gisteren aangepast! Genomics van Ziekte

Beoordeling computerpractica Aan het totaal van deze practica zal maximaal 1 punt worden toegekend. Voor elke van de 6 computerpractica wordt een cijfer gegeven: 0 punten: niet voldaan aan practicum en dus niet aan vak. Volgend jaar overdoen (elk practicum moet minimaal met 0.5 worden beoordeeld). 0.5 punten: gewoon aanwezig en voldoende meedoen (en antwoorden inleveren) 1 punt: uitstekende deelname Van de verkregen 6 punten zal het gemiddelde worden berekend en dit zal dienen als beoordeling voor de computerpractica. Genomics van Ziekte

Computerpracticum: donderdag 5 april. Identificatie van gen/mutatie die Nicolaides-Baraitser veroorzaakt (Exome sequencing) Dit gaat we doen op SARA HPC Cloud IP nummer + password zijn persoonlijk! Staan a.s. woensdag op blackboard Zorg dat je deze donderdag hebt. Genomics van Ziekte

Tentamens 1 Deeltentamen. Donderdag 26 april 2012, 9.00-11.00 (2 uur) Onderwerpen: Sequencing, Transcriptomics en Information Management (Part 1 en 2). Tentamen Woensdag 30 mei 2012, 13.00-16.00 (3 uur) Proteomics, Metabolomics Systeembiologie Information Management (Part 3, 4, 5 en 6) e-Bioscience Hertentamen: alle stof Genomics van Ziekte

Tentamens 2 Weging van de tentamens Het deeltentamen maakt 40% uit van het eindcijfer. Het Tentamen maakt 60% deel uit van het tentamencijfer. Vereisten voor tentamencijfers Cijfers voor deeltentamen en tentamen moeten minimaal een 5 zijn. Tentamens zullen bestaan uit open vragen. Genomics van Ziekte

Eindcijfer E = eindcijfer (afgerond minimaal een 6) D = Cijfer deeltentamen (minimaal 5) T = Cijfer eindtenamen (minimaal 5) c = cijfer voor computerpractica (alle >=0.5) Voor het totaal van alle computerpractica is maximaal 1 punt te verdienen. Het deeltentamen en tentamen moet de andere (maximaal 9) punten leveren. Dus scoor je een 10 voor de tentamens dan telt deze voor 90% mee. Indien je de minimale score voor de computerpractica hebt gehaald (alle 0.5) dan is je eindcijfer maximaal 9.5. Eindcijfer moet afgerond minimaal een 6 zijn. Genomics van Ziekte

Evaluatie Evaluatieformulieren op het eind van dit vak Discussieforum ‘Geef je mening’ op blackboard 2 evaluatiegroepen voor informele mondeling evaluatie halverwege en op het eind max 6 studenten per groep schrijf je in via blackboard (Groups) Email, skype, phone, etc je feedback naar de docent of coordinator Genomics van Ziekte

Contact Antoine van Kampen Coordinator Genomics van Ziekte Bioinformatica Laboratorium Academisch Medisch Centrum www.bioinformaticslaboratory.nl a.h.vankampen@amc.uva.nl 020-5667096 Genomics van Ziekte

Veel plezier............. Genomics van Ziekte

Opmerking Een aantal slides in deze powerpoint is aangevuld met notities. Gebruik bijvoorbeeld ‘view’  ‘Notes page’ om deze notities te zien. Genomics van Ziekte Genomics van Ziekte