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Définitions et autres lexicalités : Les ontologies

Evelyne Duvernois — Fri, 21 Mar 2008 09:47:00 +0100

Et voilà, une nouvelle rubrique toute neuve, tout belle, toute fraîche pour que l'on puisse parler ensemble d'un peu plus de la bioinformatique, en particulier du langage utilisé....

Un mot inconnu, une syntaxe incompréhensible, c'est ici que ça se passe et nous allons commencer notre première édition du genre avec ce qu'on appelle les ontologies.

Les ontologies.... Ça fait un peu nom barbare vous ne trouvez pas ? Mais qu'est-ce que ça peut bien être...
En fait, décrire une ontologie, il n'y a rien de plus simples, et ce terme n'est pas limité à l'usage "bioinformatique". Il faut imaginer une sorte de dictionnaire hiérarchisé, qui décrit un ensemble d'éléments de même nature. Trop compliqué ? Je vais reprendre tout ça !

Un peu d'histoire...

Le terme d'ontologie n'est pas récent, puisque ses premières allusions remontent au grec ancien, avec le terme oντος qui signifie : "étude le l'être en tant qu'être" (merci wikipedia)... En clair, une ontologie étudie les propriétés générales de ce qui existe.
Ce terme a alors été repris dans les domaines de l'étude de l'information, donc de l'informatique en générale, où ontologie désigne un ensemble structuré de termes et concepts qui ont un sens autour d'un thème donné. Une ontologie est donc un modèle de données représentatif d'un ensemble de concepts autour d'un sujet donné ainsi que des relations que ces concepts ont les uns par rapport aux autres.

Utilisation d'ontologies, quel est l'objectif...

Les utilisations des ontologies interviennent dans de multiples domaines, du génie logiciel à l'intelligence artificielle, et naturellement, en bioinformatique. Le but est de modéliser un ensemble de connaissances pour un domaine donné. Ainsi, les termes utilisés dans le domaine ne sont pas indépendants des autres, mais les relations entre concepts sont connus et détaillés...
D'après Thomas Gruber, cinq critères permettent de mettre en évidence des aspects importants d'une ontologie :

La clarté : un définition fait sens, doit être objective et la plus complète possible ainsi que documentée
La cohérence : pas de contradiction possible
L'extensibilité : les extensions doivent être anticipées. On ne doit pas interférer dans le fondement d'une ontologie
Une déformation de l'encodage minimal : l'influence de la spécification sur la conceptualisation doit être évitée autant que possible
Un engagement ontologique minimal : une ontologie ne définit que les termes nécessaires, c'est un vocabulaire, elle ne répond pas à toutes les questions du domaine.

Utilisation en bioinformatique

Les ontologies en bioinformatique, ou devrais-je plutôt dire en biologie, sont très utilisées, en particulier pour couvrir le domaine des gènes ou des protéines. En effet, il existe plusieurs façons de décrire la fonction d'un gène. Pour l'une des bases de données les plus connues d'ontologies appelées the Gene Ontology ou GO, il existe 3 fonctions possibles :

la fonction moléculaire ou molecular function : décrit une activité qui intervient au niveau moléculaire
le processus biologique ou biological process : décrit une série d'événements réalisés par un ou plusieurs assemblages ordonnés de molécules
la localisation cellulaire ou cellular component : décrit les composants cellulaires, d'un organite à tout un organe

Chaque gène ou protéine a donc une ou plusieurs fonctions au niveau de ces "types de fonction".

Par exemple, en prenant la protéine ACTN1: Alpha-actinin-1 humaine, on trouve plusieurs fonctions possibles :
source : screenshot d'un résultat de recherche sur Actin, filtre H. sapiens, par le Browser AmiGO de la Gene Ontology. Le résultat a été coupé pour des problèmes de place et de visibilité du résultat.

Deux relations entre les termes sont possibles sous GO : part_of ou is_a décrivant l'existence de sous-classes, avec pour particularité pour part_of que l'élément primaire n'est pas forcément présent dans l'ontologie. Ces relations peuvent être représentées sous la forme d'arbres comme celui présenté plus bas, pour une recherche sur l'activité omega12-desaturase dans les biological process (n° GO : GO:0042389).

En espérant que ce petit "intermède technique" vous a plu, je vous souhaite une bonne continuation de lecture de mon blog...
A bientôt pour de nouvelles aventures !

Le thème de la semaine... : Le système immunitaire

Evelyne Duvernois — Mon, 25 Feb 2008 14:06:00 +0100

Pour notre premier "thème de la semaine", j'ai décidé en concertation avec vous, de vous parler un peu du système immunitaire.
Qu'est-ce que c'est ? A quoi ça sert ?

Généralités

Le système immunitaire est la barrière que tout organisme a développé pour se protéger des attaques extérieurs. Ce système très sophistiqué permet à l'organisme de combattre tout élément qui lui est inconnu.
On définit alors le soi du non-soi. On parle du soi pour définir tout élément appartenant à l'organisme, le reste étant du non-soi. Pour reconnaître le soi du non-soi, chaque cellule contient à sa surface des molécules appelées CMH ou Complexe d'Histocompatibilité Humaine. Ces molécules sont soit reconnues comme du soi, soit comme du non-soi.
Une reconnaissance de non-soi va déclancher la réponse immunitaire.

Les agents du système immunitaire

Plusieurs éléments de l'organisme sont dédiés à la réponse immunitaire et toutes les molécules et cellules impliquées sont le système immunitaire.
Les agents principaux et connus de tous sont les leucocytes ou globules blancs qui sont produits dans la moelle osseuse, et sont présentes dans de nombreux endroits du corps (sang, lymphes, ganglions...). Dans le sang, les leucocytes constituent les agents de sécurité de l'organisme et tente de repérer les intrus.
Il existe 6 types différents de leucocytes :

Les neutrophiles : responsables de la défense contre les infections bactériennes et autres petits processus inflammatoires
Les éosinophiles : gère les infections parasitaires
Les basophiles : responsable des réponses allergiques
Les lymphocytes : voir juste après
Les monocytes : cellule phagocytaire (qui mange "ce qui reste")
Les macrophages : monocytes hors du flux sanguin

Les lymphocytes sont le type leucocytaire le plus connu. Ce sont des cellules produites par des cellules souches (cellules non différenciées) dans la moelle osseuse. Une maturation de cellule dans le thymus forment les lymphocytes T tandis que les cellules qui restent dans la moelle donnent des lymphocytes B.

Qu'est-ce que la réponse immunitaire ?

Deux types de réponses immunitaires existent :

La réponse non-spécifique : correspond à
1. une barrière physique : le peau ou les muqueuses
2. une réponse des cellules phagocytaires : capturant et digérant les intrus
3. une réponse du système du complément : qui correspond à un ensemble de protéines qui agissent en cascade (les unes après les autres) dans un processus lytique (provoque la lyse des cellules = éclatement cellulaire).
4. une réponse inflammatoire : rougeur, chaleur, douleur, oedème
La réponse spécifique: correspond à une spécificité de la réponse = la réponse est dirigée vers un intrus et un seul. Elle est de 2 types :
1. le système immunitaire humoral : qui agit contre les bactéries et virus dans les fluides du corps. Le principal mode d'action est le largage d'immunoglobulines ou plus couramment appelées anticorps produites par des lymphocytes particuliers : les lymphocytes B.
2. le système immunitaire cellulaire : qui agit contre des cellules infectées grâce à l'action des autres lymphocytes : les lymphocytes T.

Utilité / Nécessité du système immunitaire

Le système immunitaire est le mécanisme de défense par excellence de tout être vivant. Il permet de garantir une intégrité dans le matériel génétique (les virus infecte leur ADN dans l'ADN hôte), de garantir une intégrité cellulaire (une cellule infectée est lysée, détruite pour préserver les cellules environnantes) et limiter la prolifération des intrus, donc rendre sain l'organisme. Du simple "bobo sur le genoux" aux grosses maladies infectieuses, le système immunitaire préserve le bon fonctionnement de l'individu.

Les maladies du système immunitaire

Malgré une apparente sophistication du système immunitaire, il apparaît parfois que ce système se "détraque".

Un problème "bénin" (dans une certaine mesure) du système immunitaire sont les allergies. Une allergie est le résultat d'une réponse immunitaire trop intense contre quelque-chose contre quoi l'organisme ne devrait pas se défendre. L'organisme réagit contre des poussières, du pollen, ou des aliments alors qu'il ne devrait pas.
Les petites réactions allergiques que nous connaissons tous ne sont pas graves mais une réaction immunitaire exacerbée peut provoquée un choc anaphylatique pouvant engager le pronostic vital. La réponse provoque le largage de molécules vaso-actives vasodilatatrices (qui dilatent les vaisseaux sanguins) et provoque à terme une chute brutale de la pression artérielle. Cette réaction est provoquée chez une personne hypersensible au 3ème contact avec l'allergène.

Un défaut du système immunitaires est catastrophique pour l'organisme qui ne peut plus se défendre contre ces attaques. C'est l'état dans lequel se trouvent des patients dits "immunodéficients", par exemple les malades atteints du VIH étant au stade SIDA ou Syndrome de l'ImmunoDéficience Acquise. Ces personnes sont donc très sensibles à des maladies opportunistes c'est-à-dire profitants de l'absence de système immunitaire.

Le système immunitaire peut aussi se retourner contre l'individu lui-même. C'est ce qu'on appelle les maladies auto_immunes, où le système immunitaire s'attaque aux propres cellules de l'organismes (sclérose en plaque, polyarthrite rhumatoïde...).

Utilisation de ce système en biologie

J'expose ici une utilisation particulièrement courante dans tout laboratoire d'analyse appelée "test par immunofluorescence". Ce test n'est pas le seul utilisant les caractéristiques du système immunitaire mais est très utile pour obtenir des tests simples et peu chères
Le but est d'avoir des anticorps dirigés contre un certain antigène, c'est-à-dire reconnaissant un certain type de molécules. On met alors en contact l'anticorps avec un fluide quelconque (sang, urine, lymphe...). Le plus souvent, on utilise un second anticorps appelé anticorps secondaire qui reconnaît le 1er anticorps ou anticorps primaire. Cela permet une amplification du signal (plusieurs Ac secondaire sur un seul Ac primaire).
L'anticorps secondaire est couplé, c'est-à-dire lié chimiquement à une protéines fluorescente.
Après rinçage, si une fluorescence est observée, cela indique que l'anticorps secondaire a reconnu un anticorps primaire lié à la molécule d'intérêt. Ainsi, la protéine que l'on cherche se trouve bien dans l'échantillon analysé.

Un autre test souvent utilisé aussi est appelé Elisa. La différence ici réside dans le fait qu'on ajoute le fluide sur l'anticorps primaire et qu'on ajoute à nouveau ce même anticorps. Le test Elisa bien connu est le test de grossesse, qui regarde si la protéine HCG est présente ou non dans les urines.

Et la prochaine fois...

Je vous propose pour la semaine prochaine de continuer sur le système immunitaire et de vous parler de la réponse immunitaire.
Que se passe-t-il exactement quand l'organisme est attaqué ? Qui réagit ? Qui fait quoi ?
Toutefois, si vous avez des idées, n'hésitez pas à m'en faire part...

Bonne lecture à tous !

De quoi pourrait-on parler ?

Evelyne Duvernois — Thu, 21 Feb 2008 14:21:00 +0100

En voilà une bonne question ? Mais de quoi pourrais-je bien vous parler ?
Pour un soucis de rapprochement avec mes lecteurs, je laisse ici un espace libre dans lequel vous pouvez me demander de vous parler d'un sujet... Pas de limitations particulières pour ce sujet, du moment qu'il touche un temps soit peu au monde :

de la bioinformatique naturellement... mais aussi
de la biologie
de l'informatique pourquoi pas
de la recherche
ou de la science en général...

Donc, à vos commentaires...
Chaque semaine, je tenterai de répondre à un sujet au minimum....

Laisser donc s'exprimer votre inventivité !

Ma vie, mon métier.... : La prédiction de structure...

Evelyne Duvernois — Wed, 20 Feb 2008 15:23:00 +0100

Dans la famille "ma vie, mon métier...", on continue. Nous allons parlé aujourd'hui d'une partie du grand monde de la bioinformatique avec un domaine très intéressant, alliant biologie structurale, méthodes statistiques et modélisation informatique : le prédiction de structure des protéines...

Les protéines

Pour comprendre comment modéliser une protéine, il faut nous attarder un instant à ce qu'est une protéine.
Une protéine est un élément particulier de toute cellule vivante (animale, végétale, bactérienne...), crée grâce au décodage d'un code inscrit dans l'ADN (voir ici). Ce code permet d'associer à 3 acides nucléiques un acide aminé.
La formation d'une protéine n'est toutefois pas simplement cet alignement d'acides-aminés, et on parle de 4 structures protéiques bien distinctes :

la structure primaire : correspond à la séquence d'acides-aminés
la structure secondaire correspond en un repliement local de cette chaîne d'acides-aminés (on parle d'hélice alpha et de feuillet béta, en majorité)
la structure tertiaire correspond au repliement de la chaîne secondaire dans l'espace. C'est la structure 3D, celle qui nous intéresse ici en particulier.
la structure quaternaire correspond à l'association de plusieurs structures tertiaires appelées ici sous-unités ou mères. On parle d'hétéromère quand les structures sont de nature différente, et de monomère quand les sous-unités sont identiques.

L'étude d'une protéine...

Comme certains doivent le savoir, la biologie est un domaine scientifique toujours en évolution. L'étude des protéines ne fait pas exception. En effet, pour étudier une protéine, il faut non-seulement l'isoler (on parle de purification), étudier sa fonction (=son activité) mais il faut aussi connaître sa structure, c'est-à-dire :

voir comment sa séquence s'organise en 3D
voir si elle a des domaines d'interaction avec d'autres protéines
voir si elle agit toute seule
voir où elle s'accroche dans la cellule
...

Toutes ces questions nécessitent des réponses qui ne sont pas simples à trouver. En particulier, résoudre la structure 3D passe par une étude compliquée de cristallisation et d'étude des cristaux via les rayons X (désolée pour les puristes, je résume beaucoup je sais...). Or, le problème principale ici réside dans le fait que de nombreuses protéines sont difficilement ou ne sont pas cristallisables.

La prédiction de structure...

Ainsi, et pour prédire la structure des protéines (je parle ici surtout des structures III), la bioinformaticien joue sur l'homologie des protéines, c'est-à-dire qu'il étudie la protéine à définir avec toutes celles qui, d'un point de vue évolution, lui ressemblent. Si parmi des protéines homologues, une protéine a été caractérisée et que sa structure est connue, il va comparer, à la manière du phylogénéticien, les séquences en acides-aminées. Toutefois, ici l'évolution de l'intéresse pas et il concentre ses efforts sur les différences / ressemblances observables sur la séquence pour en déduire la structure.

Tel domaine est identique et correspond à telle structure : donc ma protéine se replie de telle façon à cet endroit...

Les missions du "prédicateur"...

Trouver des séquences homologues c'est-à-dire fouiller dans les banques de données publiques de protéines
Comparer les séquences grâce à l'œil biologique mais aussi grâce à des outils logiciels sophistiqués.
Dans le cas de domaines différents, déduire la structure grâce à des logiciels qui étudie la composition en acides-aminés du domaine, et permette de poser des hypothèses quant aux différentes structures possibles
Modéliser la protéine en gardant à l'esprit que seule une vérification expérimentale prouve le bien fondé de cette modélisation

Comme tout prédicateur, sa parole ne fait pas foi mais permet d'avancer dans la connaissance en attendant que la science soit véritablement capable expérimentalement d'inférer ou non cette prédiction...

Qu'est-ce que la bioinformatique ?

Evelyne Duvernois — Mon, 20 Aug 2007 16:35:00 +0200

Bioinformatique Mais qu'est-ce donc que cette bête là ? Un nouveau jeu en vogue, le nouveau bouquin de votre auteur préféré ?
Pour tout savoir sur ce qu'est la bioinformatique, pour savoir pourquoi ce domaine me passionne et pourquoi je cherche tant à tracer mon petit bonhomme de chemin vers ce milieu... Suivez le lien !

Bio-informatique ou plus simplement bioinformatique, le terme paraît quelque peu barbare. Pour autant, cela désigne une matière passionnante qui allie avec subtilité l'informatique au monde du vivant.
C'est bien joli tout ça, mais à quoi cela correspond exactement ???

Le domaine de la science de la vie est extrêmement varié et requiert divers corps de métiers comme des biologistes naturellement, mais aussi des mathématiciens, des chimistes ou des physiciens. Le monde du vivant est tellement vaste à explorer que nous n'en sommes qu'aux prémices des découvertes potentielles que cette science peut révéler.

Avec les nouveaux progrès faits tant au niveau matériel que méthodes d'analyse, la science de la vie ou communément appelée biologie, est devenue un domaine qui brasse énormément de données, en particulier dans les nouveaux domaines de recherches (protéomique, transcriptomique pour les connaisseurs...). Les données recueillies par ces nouvelles méthodes d'analyse sont difficilement exploitables telles qu'elles et requièrent des outils logiciels toujours plus performants et toujours plus puissants pour permettre de les analyser avec rigueur. Ceci sous-entend d'avoir accès aux informations utiles mais aussi de pouvoir recouper les données obtenues avec celles d'autres équipes de recherche ainsi que de réaliser des traitements sur les données.

Là intervient le rôle du bioinformaticien (moi donc) qui est en charge de la gestion de ces données ainsi que du développement d'outils toujours plus puissants pour pouvoir les analyser.

Pour autant, le rôle du bioinformaticien n'est pas de programmer. Biologiste il est avant tout, et biologiste à vie il restera !

Ainsi, la bioinformatique est aussi présente dans le monde de la recherche (privée ou publique) où le rôle n'est plus simplement de développer les outils logiciels mais surtout de savoir utiliser les nouveaux logiciels et outils mais aussi connaître les banques de données publiques de la biologie, ceci afin d'étudier le monde du vivant via l'utilisation d'un ordinateur. Plus qu'un outil, l'ordinateur est l'instrument de travail du bioinformaticien, au même titre qu'un biologiste utilise éprouvettes et microscopes. Pour ce faire, les connaissances en informatique ne sont plus essentielles et le rôle de la bioinformatique consiste à étudier le vivant par un outil qu'est son ordinateur. Le but ici est donc, comme tout biologiste, d'appréhender, de comprendre et d'apprendre.

La bioinformatique est donc présente dans tous les milieux de la biologie, de la génétique à la génomique, en passant par la protéomique. C'est un domaine passionant dans lequel je m'investis chaque jour en perfectionnant mes connaissances.

La bioinformatique n'est pas un domaine figé, et correspond pour moi à l'avenir de la biologie. Sans les bioinformaticiens, le monde de la biologie ne peut traiter les énormes quantités de donnée qu'il génère. De même, les nouveaux outils aujoud'hui essentiels à la recherche ne pourront être développés et exploités sans nous, les bioinformaticiens.

Pour ceux et celles qui veulent plus de détail, vous pouvez commencer par lire cet article sur biologeek