Unita` sperimentale 1

Unita’ sperimentale 1
Database biologici e ricerche
per soggetto
Indice dei contenuti
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Parte 1: tipi di database e strategie di
ricerca
Parte 2: database di sequenze
biologiche
Parte 3: il motore SRS di EBI e il
motore Entrez di NCBI
Organizzare dati
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Sistemi per la gestione di dati
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Un’agenda, una rubrica, un elenco del telefono, sono altrettanti
esempi di database
Concetto di efficienza della ricerca: il fatto di aver
“salvato” dei dati non vuol dire che sia semplice trovarli.
{
Per es., in un elenco cartaceo del telefono, la ricerca:
{
dato il nome dell’abbonato, trovare il numero
e’ semplice e prende poco tempo grazie al fatto che l’elenco
possiede un ordine alfabetico dei nomi; invece la ricerca:
{
dato il numero, trovare il nome
e’ inefficiente e prende molto tempo, perche’ richiede un esame
esaustivo dell’elenco. Sia il numero di telefono che il nome sono
dati presenti sull’elenco, ma la loro accessibilita’ e’ ben diversa.
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Importanza della progettazione del sistema di gestione di
dati in funzione delle ricerche che si vorranno effettuare.
Database elettronici
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Sfruttano l’efficienza computazionale dei
computer per organizzare grandi quantita’ di
dati
Nella struttura piu’ comune, un database
immagazzina numerosi record (o entry, o
elementi) composti da diversi field (campi)
La visualizzazione piu’ comune e’ in forma
tabellare, dove le righe corrispondono ai
singoli record e le colonne sono i field.
Esempio: un database per la cantina
casalinga (visualizzazione a schede)
Elementi (record) del
database
Campi di
un
elemento
Esempio: un database per la cantina
casalinga (visualizzazione tabellare)
record
campi
(il database e’ lo stesso di prima, cambia solo la visualizzazione)
Classificazione dei campi
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Campo ID: campo necessario, serve a dare un
identificativo univoco a quel record nel database.
Spesso e’ un contatore progressivo.
Campi a contenuto controllato
{
{
{
{
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Campi logici (si/no, presente/assente,…)
Campi a valori predefiniti (lista di possibili valori che il
campo puo’ assumere), univoci o moltivoci (se puo’
assumere un solo valore della lista o piu’ d’uno)
Campi a formato controllato (es. Il campo “data”)
Campi a linguaggio controllato
Campi a contenuto non controllato (riempimento
libero)
{
Esempio classico: il campo “note”
Campi indice
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Un database e’ indicizzato rispetto a un
campo quando i dati presentano un
ordinamento per quel campo
{
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Es.: l’elenco del telefono e’ indicizzato per il
nome dell’abbonato, e l’ordine e’ dato dall’ordine
alfabetico.
Indicizzare un campo aumenta la velocita’
delle ricerche su quel campo, ma
mantenere un indice costa memoria:
scegliere cosa indicizzare.
Il modello relazionale
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Informazioni immagazzinate su diversi database
possono essere collegate tra loro da opportune
relazioni. In questo modo si crea una sorta di
database di database che prende il nome di
database relazionale.
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Esempio. Immaginiamo di avere tre database: uno di
scrittori, un altro di libri e il terzo di editori. La relazione
“scritto da” mi mette in comunicazione un libro col suo
autore. La relazione “pubblicato da” mi mette in relazione
un libro con la casa editrice che l’ha pubblicato.
Distribuire dati su piattaforme relazionali consente
di risparmiare spazio e di rendere piu’ efficienti le
ricerche.
Modello relazionale: esempio
Database di autori
Relazione che collega un autore
ai libri da lui scritti
Database di libri
I database di sequenze
biologiche
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I database di sequenze biologiche sono mantenuti
da organizzazioni internazionali che ne curano gli
aspetti gestionali. Sono generalmente pubblici. I
formati dei singoli record cambiano in accordo con
le nuove realta’ biologiche.
Sono tutti database annotati, ovvero, i dati veri e
propri (sequenze di geni, proteine, ecc.) sono
accompagnati da meta-dati che servono a
qualificare e dettagliare le proprieta’ biologiche del
dato stesso.
Annotazioni sia in linguaggio naturale che in
linguaggio controllato
EMBL
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Database di sequenze geniche e genomiche
Gestito da EMBL (European Molecular Biology
Laboratory) e EBI (European Bioinformatics
Institute)
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Raggiungibile a:
http://www.ebi.ac.uk/embl/
I suoi elementi sono file di testo semplice (ASCII
plain text) il cui formato standard prevede che ogni
campo sia contraddistinto da un codice di due
lettere presentato a inizio riga
EMBL: esempio
EMBL: righe importanti
Riga ID: identifica l’elemento del database.
Il codice che compare subito dopo ID e’
quello che va citato quando ci si intende
riferire (in una pubblicazione, per es.) a un
elemento di EMBL; per es., in questo caso
si dovra’ scrivere “EMBL:X56734“
Riga DE: contiene la descrizione
dell’elemento, data in linguaggio
naturale. Puo’ occupare piu’ righe.
Righe OS e OC. La prima
contiene il nome scientifico
dell’organismo sorgente, le
seconde contengono tutta la
tassonomia relativa.
EMBL: righe importanti /2
La riga SQ. Dichiara l’inizio
della sequenza e contiene
alcune informazioni come: la
lunghezza in bp e il
contenuto in basi.
Le righe della sequenza. Ospitano il dato vero e proprio e sono scritte su sei
colonne di dieci caratteri ciascuna. Una settima colonna numerica a destra delle
precedenti da’ la posizione lungo la sequenza dell’ultimo carattere della riga.
La riga //. Segnala la
fine del file.
Il manuale completo, con la spiegazione del significato di tutte le righe si trova qui:
http://www.ebi.ac.uk/embl/Documentation/User_manual/usrman.html
GenBank
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Altro database di sequenze geniche e
genomiche (ma i dati vengono
continuamente scambiati con EMBL, per cui
entrambi i database conservano gli stessi
dati)
Gestito da NCBI (National Center for
Biotechnology Information), raggiungibile a:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Genbank/
Elementi come file di testo, ma formato
diverso da EMBL
GenBank: esempio
GenBank: considerazioni sul
formato
„
Il formato di GenBank prevede che le
righe inizino con specifiche parole
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Il manuale del formato e’ reperibile qui:
ftp://ftp.ncbi.nih.gov/genbank/gbrel.txt
UNIPROT
„
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Maggior database mondiale di sequenze di
proteine
Raggiungibile a:
http://www.uniprot.org/
Formato identico a EMBL. Contiene diverse
sezioni con contenuto qualitativamente
diverso. La sezione SWISSPROT ha le
annotazioni curate manualmente!
La Feature table
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„
„
Serve per annotare, in linguaggio controllato, tutte
le proprieta’ biologiche della sequenza.
E’ presente in tutti i database maggiori: su
EMBL/UNIPROT viene introdotta da due righe FH,
cui seguono piu’ righe FT. In GenBank la introduce
la riga “Feature”.
Ha una struttura del tipo:
Key
Location
Qualifier
dove “Key” indica la caratteristica da descrivere;
“Location” la sua localizzazione sulla sequenza e
“Qualifier” dei qualificatori per dettagliare le
proprieta’ della caratteristica stessa
Feature table: esempio
Key
Location
La Location puo’ essere
complessa: puo’ indicare
incertezza sulla localizzazione o
congiunzioni tra diversi tratti:
GUARDARE IL MANUALE!!
Qualifier
Il manuale completo della FT si trova qui:
http://www.ebi.ac.uk/embl/WebFeat/
Ricerche su database
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Ricerche per “parole chiave”: si imposta una chiave di ricerca
costituita da una o piu’ parole e si chiede al motore di ricerca
di eseguirla sul database voluto.
Espressioni logiche:
{
{
{
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Ricerche “AND”: quando si richiede che due (o piu’) chiavi siano
contemporaneamente presenti nel risultato
Ricerche “OR”: quando, cercando con piu’ chiavi, si stabilisce
che basta la presenza di una di esse nel risultato
Ricerche “BUT NOT”: quando la ricerca richiede la presenza di
alcune parole chiave e l’assenza di altre
Wildcard: caratteri speciali che sostituiscono un numero
qualsiasi di altri caratteri. Il piu’ generalmente usato e’
l’asterisco. Una ricerca per “tryp*” considera risultato un
documento che contenga: trypsin, trypsinogen, tryptic, …
SRS: motore di ricerca di EBI
http://srs.ebi.ac.uk
Uso di SRS
Menu a linguette (tab): il valore di default e’ “Quick search”, e la
corrispondente pagina permette di cercare rapidamente un elemento se e’
nota la sua ID. Per effettuare ricerche piu’ articolate, prima occorre scegliere il
(i) database dove cercare, col menu “Library Page” e poi impostare la ricerca
col menu “Query Form”.
Library page
Per selezionare un database, cliccare il check-box accanto al nome
Lo standard query form
Condizioni logiche
Inserimento
chiavi di ricerca
Campi da
visualizzare nella
pagina dei risultati
Ricerche mirate:
selezionare i campi
Il menu a tendina posto accanto alle caselle di
inserimento testo per le chiavi di ricerca permette di
selezionare un campo specifico su cui restringere la
ricerca. Da notare: gli elementi del menu a tendina
cambiano a seconda del database scelto.
Scegliendo piu’ database, vengono visualizzati solo I
campi comuni a tutti.
Nell’esempio sotto, la ricerca e’ ristretta al campo DE
(Description) e al campo Taxon. Se la condizione
logica impostata e’ “AND”, i risultati debbono
contenere entrambe le chiavi nei rispettivi campi.
La pagina dei risultati
Di default in forma tabellare: sotto la casella che ricapitola la query c’e’ l’indicazione
del numero di risultati trovati. A sinistra il menu per il lancio rapido di alcuni applicativi
(per es. BLAST) sui risultati selezionati (cliccando sul check-box della prima colonna)
Scegliere i campi da
visualizzare
La tabella dei risultati puo’ essere modificata
scegliendo quali campi mostrare esplicitamente.
Si selezionano i campi voluti sul menu a finestra
della sezione “create a view” del form.
I risultati vengono forniti come appare nella slide
seguente.
Risultati con vista
personalizzata
Extended query form
Extended query form /2
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„
Permette di impostare richieste di ricerca
molto piu’ complesse e selettive
Indirizza in modo diretto e dettagliato la
Feature table
In questo form, per creare la vista
personalizzata, occorre selezionare il checkbox posto nell’ultima colonna di destra,
accanto a ciascun campo che si vuole
visualizzare.
Formati di output dei singoli
risultati
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Formati nativi dei database: il risultato
selezionato viene mostrato del formato
nativo del database (EMBL, UNIPROT,
ecc.) attraverso una interfaccia grafica che
ne migliora la leggibilita’.
SeqSimpleView: viene mostrata la semplice
sequenza, senza le annotazioni.
FASTA: formato molto usato per le
elaborazioni.
Formato FASTA
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Formato essenziale privo di annotazioni
La prima riga e’ di commento (ed e’ l’unica), inizia
con un segno di maggiore (“>”) e termina (ma
questo NON e’ strettamente necessario) con un
segno di punto e virgola (“;”).
La sequenza viene scritta a partire dalla seconda
riga: di solito si va a capo al 60esimo carattere, ma
anche questo non e’ strettamente necessario:
volendo, la sequenza puo’ anche essere scritta su
un’unica riga.
Non c’e’ un carattere di terminazione esplicito.
Formato FASTA: esempio
Il motore Entrez di NCBI
Indirizzo:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/
Pagina molto piu’ semplice:
stile “Google”; la ricerca e’
pre-impostata per trovare
una parola chiave su tutti i
database collegati.
Entrez: i risultati
Accanto a ogni database, viene indicato il numero dei risultati trovati.
Dopo questa esercitazione lo
studente e’ supposto saper:
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„
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Consultare database per recuperarne
elementi.
Usare i motori di ricerca per database
biologici
Impostare richieste di ricerca
complesse, imperniate sulle proprieta’
biologiche della sequenza cercata.
Gestire i formati dei file di output.