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In silico analysis and biological significance from genomic data Edmundo Grisard MIP/CCB/UFSC 1 Universidade Federal de Santa Catarina Centro de Ciência Biológicas Departamento de Microbiologia, Imunologia e Parasitologia

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In silico analysis and biological

significance from genomic data

Edmundo GrisardMIP/CCB/UFSC

1

Universidade Federal de Santa Catarina Centro de Ciência BiológicasDepartamento de Microbiologia, Imunologia e Parasitologia

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2

Background:• Biologist• PhD in Parasitology• Professor of Cellular and Molecular Parasitology @ UFSC• CNPq research fellow

Research interests:• Hemoflagellate protozoan parasites:

• Trypanosoma spp. – Chagas Disease• Leishmania spp. – Cutaneous/Visceral leishmaniasis

• Host-Parasite interaction• Comparative Genomics and Proteomics• Phylogeny / Taxonomy• Diagnostics• Strain characterization

Lab webpages: www.proto.ufsc.br / www.bioinformatica.ufsc.br E-mail: [email protected]

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The complexity of life

Vitruvian Men (1490)Leonardo Da Vinci (1452-1519)

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Getting deeper, in detail...

De Humani Corporis Fabrica Libri Septem (1543)Andreas Vesalius (1514-1564)

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“Organisms evolve through adaptative processes in response to the environment “

Charles R. Darwin(1809-1882)

Darwin’s notebook “B”

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Hug et al., Nature Microbiology 16048 (2016)doi:10.1038/nmicrobiol.2016.48

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DNA structure (1953) James D. Watson and Francis Crick

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• Gilbert & Sanger (70’s):• ~10 bp / year

• Manual sequencing - slab gels (80-90’s):• Radioisotopes• 150-200 bp / week

• Automated sequencers (90’s onwards):• 1st generation: 300-400 bp+

• 2nd generation: 700 bp – 1.5 Kb• 3rd generation (output per run):

• PacBio: >10 Gb (50% > 50Kb)• Illumina: >2,000 Gb• Mini Ion: >30 Gb

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9GOLD Access: 11/11/2019

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10

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11

Growth of the GenBank dataset

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/statistics/ - 11/11/2019

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Genome size X Organism complexity

13ib.bioninja.com.au, 2019

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14

Genome size X Coding genes

NCBI, 2019

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Genome contents

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The biological dogma

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DNA / RNA

PROTEINDEGENERATE

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18

Post-translational modifications &

Structure

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HemoglobinFlexible quaternary structure

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Each cell within an organism have a unique:

Genome

Transcriptome

Proteome

Metabolome

Secretome

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Lamarck’s & Darwin’s & Wallace’s concerns…

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• Type of data:• Eukaryotic or Prokaryotic• DNA, RNA, Protein, Structure, …• Genes, Proteins, Families• Functional domains, Antigens, Signatures• Intra- and Inter-specific variability

• Concept of species ~ Phylogeny• Similarity:

• Measurable !• Phylogeny• Distance, molecular clock, barcoding,…

• Homology:• Non-Measurable ! Imply on ancestrality• Orthology and Paralogy

• Search for patterns:• In silico prediction• Benchwork validation

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http://tolweb.org/tree/

“DNA-based”

“RNA-based”

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24

What to compare? / What to look for?

• Sequence (Size/Composition)• Presence / Absence of a gene:

• Introns, Pseudogenes, Duplications, Transposons, ITS, …• Syntheny• Transcription / Expression levels• Post-Transcriptional / Post-Translational modifications• Protein structure• Function• Activity• Life cycle stages:

• Stage-specific expression• Homeostatic Versus Pathological stages:

• Mutations• Drug resistance

(Few) Biological questions

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Deepness

(Data type, number of markers and specimens, broadness of taxa, rooting, algorithm, …)

Str

ing

en

cy

(Su

bst

itu

tio

ns,

Tra

nsl

oc

atio

ns,

Ch

arg

e, S

yno

nim

, …) Biological questions

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Comparative pattern recognition

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A.thaliana

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Similarity & Homology

Common evolutive origin? Similar/shared characteristics?

Same / Distinct function ?

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......ASVJSIRWQEKVNLSMDAFKOAPDSFLASDKFLASVASMRDSVKS’DALSKDFLASDFKDSMKLSMCKLAMSDKGFHAISVNJDSVANSNINZFNDSGNDSIOVNSANDIFNOINVDSNVSMDAFEASDVAMVDSNGFIOANEINWIOENVIANDIOSNVNSODVNSODNVUNPNRUNVUIDNVIUSNDUINAUINSDUNVRUNGUNERUVNDFPSUNVASDUNRUINVUNWINRUVANUIBVUIBRIUBVUIEBNRTUIBVUIBPUBAUIAWPIUEBRUABVIYBAIPBWQIPWIDVBWBNVODVINWIRHUVWNVUNUNRUNOUNVDUNUOQNEDNVEURNVUNEOVNQNUVDNQUBUOEBRUOVBERBVDOUBWEUOVBOUNDVODQVOSIVNDIONEROGNERUOVNROUVBWVUQBODUBVDOJBNVUGBERUBVNWJOEWNFINWVIFHYNEWNEROQHTHEDOUBLEPBWQIPWHELIXFDJAHDSHFHASDFHLASDFISABOOKASKDFKASJDFDSFKSDFFROMJSDHFJKADJFKASDHFLAHSDFJKHAJSDJAMESDWATSONIPBIUWBEIUBQPIUBWUEPIBCVYWVBDYIYBSBCVABSDPIUFBQWERUVBRQBWEJBWEJTBQWHTVYSGSVNASRNTIOWHFAJSBFSDFJAWBDFGUWRBQUDPIUVSJKDBVUIPWEGUQFADSUGHOSDHGJBQEPWIGUDUIABVSUAIGFDABWEFUIVBWUDFBGAUGEFUDNFGANDSVEUDJAJSBDVIUAUSBURBGUBWQPQJDCJPWICIRRYBQVIBWIUBVUIEBNRTUIBVUIBPUBAUIAWPIUEBRUABVIYBAIPBWQIPWIDVBWBNVODVINWIRHUVWNVUNUNRUNOUNVDUNUOQNEDNVEURNVUNEOVNQNUVDNQUBUOEBRUOVBERBVDOUBWEUOVBOUNDVODQVOSIVNDIONEROGNERUOVNROUVBWVUQBODUBVDOJBNVUGBERUBVNWJOEWNFINWVIFHYNEWNEROQHODVSBDPVASDVARNOFVSUODBVAUSBUVIPBIUWBEIUBQPIUBWUEPIBCVYWVBDYIVWDYBSBCVABSDPIUFIUBVUIEBNRTUIBVUIBPUBAUIAWPIUEBRUABVIYBAIPBWQIPWIDVBWBNVODVINWIRHUVWNVUNUNRUNOUNVDUNUOQNEDNVEURNVUNEOVNQNUVDNQUBUOEBRUOVBERBVDOUBWEUOVBOUNDVODQVOSIVNDIONEROGNERUOVNROUVBWVUQBODUBVDOJBNVUGBERUBVNWJOEWNFINWVIFHYNEWNEROQHODVSBDPVASDVARNOFVSUODBVAUSBUVIPBIUWBEIUBQPIUBWUEPIBCVYWV.....

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......ASVJSIRWQEKVNLSMDAFKOAPDSFLASDKFLASVASMRDSVKS’DALSKDFLASDFKDSMKLSMCKLAMSDKGFHAISVNJDSVANSNINZFNDSGNDSIOVNSANDIFNOINVDSNVSMDAFEASDVAMVDSNGFIOANEINWIOENVIANDIOSNVNSODVNSODNVUNPNRUNVUIDNVIUSNDUINAUINSDUNVRUNGUNERUVNDFPSUNVASDUNRUINVUNWINRUVANUIBVUIBRIUBVUIEBNRTUIBVUIBPUBAUIAWPIUEBRUABVIYBAIPBWQIPWIDVBWBNVODVINWIRHUVWNVUNUNRUNOUNVDUNUOQNEDNVEURNVUNEOVNQNUVDNQUBUOEBRUOVBERBVDOUBWEUOVBOUNDVODQVOSIVNDIONEROGNERUOVNROUVBWVUQBODUBVDOJBNVUGBERUBVNWJOEWNFINWVIFHYNEWNEROQHTHEDOUBLEPBWQIPWHELIXFDJAHDSHFHASDFHLASDFISABOOKASKDFKASJDFDSFKSDFFROMJSDHFJKADJFKASDHFLAHSDFJKHAJSDJAMESDWATSONIPBIUWBEIUBQPIUBWUEPIBCVYWVBDYIYBSBCVABSDPIUFBQWERUVBRQBWEJBWEJTBQWHTVYSGSVNASRNTIOWHFAJSBFSDFJAWBDFGUWRBQUDPIUVSJKDBVUIPWEGUQFADSUGHOSDHGJBQEPWIGUDUIABVSUAIGFDABWEFUIVBWUDFBGAUGEFUDNFGANDSVEUDJAJSBDVIUAUSBURBGUBWQPQJDCJPWICIRRYBQVIBWIUBVUIEBNRTUIBVUIBPUBAUIAWPIUEBRUABVIYBAIPBWQIPWIDVBWBNVODVINWIRHUVWNVUNUNRUNOUNVDUNUOQNEDNVEURNVUNEOVNQNUVDNQUBUOEBRUOVBERBVDOUBWEUOVBOUNDVODQVOSIVNDIONEROGNERUOVNROUVBWVUQBODUBVDOJBNVUGBERUBVNWJOEWNFINWVIFHYNEWNEROQHODVSBDPVASDVARNOFVSUODBVAUSBUVIPBIUWBEIUBQPIUBWUEPIBCVYWVBDYIVWDYBSBCVABSDPIUFIUBVUIEBNRTUIBVUIBPUBAUIAWPIUEBRUABVIYBAIPBWQIPWIDVBWBNVODVINWIRHUVWNVUNUNRUNOUNVDUNUOQNEDNVEURNVUNEOVNQNUVDNQUBUOEBRUOVBERBVDOUBWEUOVBOUNDVODQVOSIVNDIONEROGNERUOVNROUVBWVUQBODUBVDOJBNVUGBERUBVNWJOEWNFINWVIFHYNEWNEROQHODVSBDPVASDVARNOFVSUODBVAUSBUVIPBIUWBEIUBQPIUBWUEPIBCVYWV.....

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...HYNEWNEROQHTHEDOUBLEPBWQIPWHELIXFDJAHDSHFHASDFHLASDFISABOOKASKDFKASJDFDSFKSDFFROMJSDHFJKADJFKASDHFLAHSDFJKHAJSDJAMESDWATSONIPBIUWBEIUBQPI...

THE DOUBLE HELIX IS A BOOK FROM JAMES WATSON

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Patterns might be evolutionary conserved

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Patterns might be evolutionary conserved

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34Sharing of geographical distribution, hosts, vectors, genes, proteins, epitopes, …

Trypanosoma rangeliTrypanosoma rangeli

Trypanosoma cruzi

Study models

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35

Multicopy gene families

Gene Family T. rangeli

SC-58

T. cruzi

CL Brener

MASP 50 1465

GP63 444 449

Trans-sialidases 120 1481

Amastins 72 27

DGF 422 569

KMP-11 148 40

Tuzin 34 83

RHS 689 777

Mucin 15 992

MSH6 2 2

MSH2 2 2

GPI8 2 2

!

Trypanosoma spp.

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SintenyNo DGFNo TS< Transposable elements (Tc, Tb, Lm)

Trypanosoma spp.

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Frame shiftsStop codons

Full ORF

SC-58 and Choachí strains

RIF4 / RIF5

(Adapted from Kolev et al., 2011)

Trypanosoma spp.

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Trypanosoma spp.

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Start Project

Nucleic AcidAmino Acid

Load Local / Genbank sequences

Load Local Reads / Chormats

Like non-redudant sequences

Quality and VectorScreening

Clusterization

Load Local / Genbank sequences

Non-redundatsequences

Gene Prediction

Gimmer GimmerHMM ORF by COG

Predicted Genes / ORF Sequences

Similarity Features

BLAST InterProScan HMMER

Other Features

OrthoMCL tRNA-Scan AFP

Analyses Features

Curation

Phyip

Phyml Ancescon

Alignment

WebLogo

Results

Psort

Automatic Annotation Codon Usage

Finish

Modelgenerator

Manual Annotation

SignalP

Microarray

Sequences like reads

Export

RPS-BLAST PSI-BLAST

Exclusive Workflowsee figure 3

Base Calling

Tools development

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40https://tree.opentreeoflife.org/opentree/argus/opentree11.4@ott93302

~2.7 million species~1.4 million synonyms~0,5 million unknowns

Tree of Life

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Conflicts / Lack of resolution

Tree of Life

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Trypanosoma spp.

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Trypanosoma spp.

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Trypanosoma spp.

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~65% hypothetical (5,043)

Trypanosoma spp.

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T. rangeli

T. grayiT. evansiT. vivaxT. brucei

Extracellular

IntracellularIntra orextracellular ?

T. cruziT. cruzi marinkellei

Trypanosoma spp.

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SHAW, 1994

“Leishmaniasis is a group of heterogeneousclinical manifestations caused by distinctspecies of protozoan parasites of the GenusLeishmania”

Adapted from Antinori, Schifanella & Corbellino, 2011

Study models

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48

Leishmania spp.

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49Lainson & Shaw, 1987

Leishmania spp.

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12 3 4 CN1234CN1234CN1234CN12 34CN12 3 4CN

12 3 4 CN1234CN1234CN1234CN12 34CN12 34CN

MPI RSP MTF SF3B1 FAD A2P i

UBE1 ASAT ICD G6PDH STK ALAT .

Leishmaniose

Caracterização dos isolados de LV de Florianópolis

Tatiane Catecati et al. (Unpublished results)

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5’ A2rel

• Amastigote-specific• Visceralization• Virulence

Leishmaniose

Caracterização dos isolados de LV de Florianópolis

Tatiane Catecati et al. (Unpublished results)

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Genomes of L. infantum from Florianópolis

ISOLATES IDTOTAL NUMBER OF

READS

READS MAPPED ON THE REFERENCE

GENOME (ABSOLUTE)

READS MAPPED ON THE REFERENCE

GENOME(%)

SC1006(DOG, 2015)

20972393 20550871 97.99%

SC1007(DOG, 2016)

32328874 31682098 98.00%

SC1008(DOG, 2010)

21575573 20959774 97.15%

SC1009(HUMAN, 2017)

24426247 23365451 95.66%

Leishmaniose

+ 4 isolates

Jennifer Ottino et al. (Unpublished results)

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L-Cysteine Glutathione (GSH)

Ornithine

Putrescin

SpermidinTrypanothion

e (TS[H]2)

L-CystathionineL-Homocystein

L-Methionin

CβS

L-Serine

O-Acetil-L-Serine

CS

Romero et al., P&V, 2014

Romero et al., AAC, 2015

Cysteine / Cysthationine biosynthesis

Leishmania spp.

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T. rangeli:• Lacks de novo cysteine biosynthesis• Single route for cysteine biosynthesis – homocysteine• Uses the transulfuration pathway (as Tb)

!

MW

Tc

EP

I

Tr

EP

I

Lb

PR

O

rCB

S

CBS

STOP CODON

CS

Romero et al., P&V, 2014

Romero et al., AAC, 2015

Leishmnia spp.

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55

Challenges for MASTER/PrInt/CAPES:

Improve the genome assembling strategies:• Long, repetitive sequences• Non-coding regions• Hypothetical / Conserved Hypothetical proteins

Improve genome annotation:• Algorithm development & training

• Multiple biological variables • Time consuming manual curation

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Professor Mário Steindel

Dra. Patricia Stoco

Dr. Glauber WagnerDra. Milene de Moraes

Dra. Débora LückemeyerDra. Ibeth Romero

Dra. Elisa PrestesDr. Abadio Costa Jr.

Caibe Alves, MSc

Laís Yamanaka, MScCarime Pontes, MSc

Adriana Silva, MScFábio Indá, MSc

Tatiana Catecati, MSc

Laryssa de LizViviane Flores

Amábilli RosarNatalia Gutierrez

Dr Ana Teresa Vasconcellos

Professora Santuza Teixeira

Dr Daniela BartholomeuDr Ricardo Fujiwara

Dr João Cunha

Jennifer Ottino MSc

Professor Arnaldo Zaha

Professor Henrique Ferreira

Dr Hercules Moura

Professor Björn Andersson

Dr Hamid Darban

Dr Samuel GoldenbergDr Silvane Murta

Dr Elisa Cupolillo

Professor José Franco da Silveira

Professora Nobuko Yoshida

Professor Sergio Schenkman

Professor John Kelly

Dr Michael Lewis

Dr Kevin Tyler

Dr Gustavo Vallejo

Dr Luiz Felipe OliveiraDr Aline Sereia