Cumulo Numbio La révolution next-generation sequencing et les enjeux de l'expansion de la bioinformatique pour les biologistes.

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1 Cumulo Numbio 2015 La révolution next-generation sequencing et les enjeux de l'expansion de la bioinformatique pour les biologistes.

2 Human genome sequence June 26th 2000: official announcement of the completion of the draft of the human genome sequence (truly finished in 2004) Francis Collins Craig Venter HGP: 3 billion $ 15 years Costs: Celera: 200 million $ 2 years

3 Next-Generation Sequencing (NGS): Slashing costs

4 Next generation sequencing Massively parallel sequencing Key: direct sequencing of DNA without the bacterial cloning step From colonies to polonies

5 Next generation sequencing Massively parallel sequencing Key: direct in situ sequencing of polonies A C G T

6 Illumina Polonies Several 100 million reads A few 100 bp long Error rate ~0.1% Oxford nanopores Single molecules A few 10,000 reads Several 10,000 bp long Error rate ~10% The 2015 winning technologies

7 Impact of costs decreases Collecte des échantillons et design de l expérience Séquençage Réduction Données Gestion Données Analyses des données 100% Enjeu majeur 0% Pre-NGS (2000)

8 Quelques enjeux de l analyse des données NGS Ø Va concerner des pans entiers de la biologie qui en seront transformés Ø Va concerner un très grand nombre de biologistes: problème de la formation et de l interdisciplinarité Ø Il va falloir traiter des volumes de données dont l expansion actuelle est énorme Ø Il va falloir intégrer des données hétérogènes

9 More than 50 NGS applications

10 Grands types d applications Ø Séquençage de novo de génomes Ø Caractérisation de la variabilité dans une population Ø Caractérisation de la diversité des espèces dans l environnement Ø Caractérisation des mécanismes d interprétation de l information génomique

11 Séquençage de novo de génomes 48 avian genomes (>1 Gb) de novo assembled

12 Séquençage de novo de génomes Ø Biologie de l évolution Ø Ouverture de l éventail des modèles biologiques Ø Diversité du vivant devient accessible à la biologie moléculaire

13 Caractérisation de la variabilité dans une population Human Domestic animals

14 Caractérisation de la variabilité dans une population Genome-wide association study (GWAS) Lier une variation génétique à un phénotype

15 Caractérisation de la variabilité dans une population Les limites du GWAS Par exemple: schizophrénie: 108 gènes sont responsables de 7% de l héritabilité de la pathologie

16 Caractérisation de la variabilité dans une population 20 génomes d épinoche pour caractériser les bases génétiques de l adaptation à l eau douce

17 Caractérisation de génomes anciens Paléogénomique Génomes du Néanderthalien, d un nouvel hominidé, le Dénisovien, et flux génétiques entre hommes modernes et archaïques

18 Caractérisation de la diversité des espèces dans l environnement Métagénomique: Le Microbiome Microbiome intestinal, au moins 3,3 millions de gènes, au moins 160 espèces bactériennes

19 Caractérisation de la diversité des espèces dans l environnement Métagénomique: Le Microbiome Le microbiome du métro de New York

20 Caractérisation de la diversité des espèces dans l environnement Métagénomique du mileu marin Diversité des populations de microorganismes marins

21 Caractérisation des mécanismes d interprétation de l information génomique Epigénomique et mécanismes d expression du génome Une multiplicité de technologies pour caractériser toutes les transactions affectant des acides nucléiques: ADN ou ARN

22 More than 50 NGS applications

23 Caractérisation des mécanismes d interprétation de l information génomique Une multiplicité d approches pour analyser presque tous les niveaux d organisation et d expression du génome Ø Conformation du chromosome, higher order chromatin structure Ø Organisation nucléosomale Ø Méthylation de l ADN et autres modifications Ø Liaison des facteurs de transcription Ø Réplication de l ADN Ø Transcription nucléaire, conformation des ARN, interaction ARN-protéines Ø ARN sous toutes ses formes, petits, grands, épissage alternatif, sens-antisens, codant-non codant, compartimentation cellulaire, transport, traduction, modification, dégradation

24 Caractérisation des mécanismes d interprétation de l information génomique Conformation du chromosome, higher order chromatin structure

25 Caractérisation des mécanismes d interprétation de l information génomique Conformation du chromosome, higher order chromatin structure Des outils bioinformatiques spécifiques

26 Caractérisation des mécanismes d interprétation de l information génomique Organisation nucléosomale, liaison de facteurs de transcription Chromatine immunoprécipitation: ChIp-seq

27 Caractérisation des mécanismes d interprétation de l information génomique Organisation nucléosomale, liaison de facteurs de transcription Des outils bioinformatiques spécifiques

28 Caractérisation des mécanismes d interprétation de l information génomique Méthylation de l ADN et autres modifications

29 Caractérisation des mécanismes d interprétation de l information génomique Méthylation de l ADN et autres modifications Des outils bioinformatiques spécifiques

30 Caractérisation des mécanismes d interprétation de l information génomique Méthylation de l ADN et autres modifications Des outils bioinformatiques spécifiques

31 Caractérisation des mécanismes d interprétation de l information génomique L ARN dans tous ses états Des outils bioinformatiques spécifiques

32 Caractérisation des mécanismes d interprétation de l information génomique L ARN dans tous ses états Des outils bioinformatiques spécifiques

33 Les enjeux de l explosion NGS Intégration des données: données omics (NGS, MS) Cancer

34 Les enjeux de l explosion NGS Intégration de toutes les autres données Ø Images Ø Données patients Ø Données phénotypage Ø Données historiques (épigénétique) Ø Echelle planétaire et/ou temporelle

35 Les enjeux de l explosion NGS Va concerner un très grand nombre de biologistes et de médecins: Problème de la formation et de l interdisciplinarité

36 Les enjeux de l explosion NGS Va concerner un très grand nombre de biologistes et de médecins: Problème de la formation et de l interdisciplinarité

37 Les enjeux de l explosion NGS Va concerner un très grand nombre de biologistes et de médecins: Problème de la formation et de l interdisciplinarité

38 Les enjeux de l explosion NGS Va concerner un très grand nombre de biologistes et de médecins: Problème du renouvellement des connaissances et des «connaissants» dans une période de pénurie

39 Les enjeux de l explosion NGS Des solutions cloud pour distribuer largement des environnements conviviaux diversifiés pour assurer un continuum de compétences et faire bouger les biologistes et médecins vers une implication plus forte en analyses de données bioinformatiques?