生物信息学课件(东南大学版)1.ppt
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生物信息学生物信息学主讲人主讲人:
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刘志华东南大学东南大学吴健雄实验室吴健雄实验室11/7/20221参考文献参考文献1、生物信息学生物信息学孙啸孙啸东南大学(课程讲义)东南大学(课程讲义)2、生物信息学概论生物信息学概论罗静初罗静初北京大学北京大学北京大学出版社北京大学出版社3、生物信息学生物信息学(863高科技丛书)高科技丛书)赵国平赵国平中科院上海生命科学院中科院上海生命科学院科学出版社科学出版社4、生物信息学生物信息学基因和蛋白质分析的使用指南基因和蛋白质分析的使用指南李衍达李衍达清华大学清华大学清华大学出版社清华大学出版社5、生物信息学手册生物信息学手册郝柏林郝柏林中科院物理所中科院物理所上海科学技术出版社上海科学技术出版社6、简明生物信息学简明生物信息学钟扬钟扬复旦大学复旦大学高等教育出版社高等教育出版社11/7/20222网上资源网上资源http:
/引言引言l第二节第二节生物信息学的发展历史生物信息学的发展历史l第三节第三节人类基因组计划和基因组信息学人类基因组计划和基因组信息学l第四节第四节蛋白质结构与功能关系的研究蛋白质结构与功能关系的研究l第五节第五节目前生物信息学主要研究内容目前生物信息学主要研究内容l第六节第六节生物信息学所用的方法和技术生物信息学所用的方法和技术11/7/20225第一节第一节引言引言生命信息的组织、传递、表达物理化学分子生物学遗传学信息技术11/7/202261、生物信息学概念HGP生物数据的激增(每15个月翻一番)生物学家数学家计算机科学家生物信息学(bioinfomatics)的诞生11/7/20227概念(广义)生物体系和过程中信息的存贮、传递和表达细胞、组织、器官的生理、病理、药理过程的中各种生物信息信息科学生命科学中的信息科学11/7/20228概念(狭义)生物分子数据深层次生物学知识分子生物信息学MolecularBioinformatics挖掘获取生物分子信息的获取、存贮、分析和利用生物分子信息的获取、存贮、分析和利用11/7/20229Bioinformatics生物分子数据计算机计算+11/7/2022102、生物分子信息细胞分子存贮、复制、传递和表达存贮、复制、传递和表达遗传信息的系统遗传信息的系统生物信息的载体生物信息的载体11/7/202211l生物信息学主要研究两种信息载体生物信息学主要研究两种信息载体DNA分子分子蛋白质分子蛋白质分子11/7/20221211/7/202213ProteinMachines11/7/202214FromtheCelltoProteinMachines11/7/202215生物分子至少携带着三种信息生物分子至少携带着三种信息遗传信息遗传信息与功能相关的结构信息与功能相关的结构信息进化信息进化信息11/7/202216
(1)遗传信息的载体遗传信息的载体DNA遗传信息的载体主要是DNA控制生物体性状的基因是一系列DNA片段生物体生长发育的本质就是遗传信息的传递和表达11/7/202217DNA通过自我复制,在生物体的繁衍过程中传递遗传信息基因通过转录和翻译,使遗传信息在生物个体中得以表达,并使后代表现出与亲代相似的生物性状。
基因控制着蛋白质的合成DNARNA蛋白质转录翻译11/7/202218基因的DNADNA序列序列DNA前体RNAmRNA多多肽链蛋白质序列对对应应关关系系遗遗传传密密码码11/7/202219
(2)蛋白质的结构决定其功能蛋白质的结构决定其功能l蛋白质蛋白质功能功能取决于蛋白质的空间取决于蛋白质的空间结构结构l蛋白质结构决定于蛋白质的蛋白质结构决定于蛋白质的序列序列(这是(这是目前基本共认的假设),蛋白质结构的目前基本共认的假设),蛋白质结构的信息隐含在蛋白质序列之中。
信息隐含在蛋白质序列之中。
11/7/202220(3)DNA分子和蛋白质分子分子和蛋白质分子都含有进化信息都含有进化信息l通过比较通过比较相似的蛋白质序列相似的蛋白质序列,如肌红蛋,如肌红蛋白和血红蛋白,可以发现由于基因复制白和血红蛋白,可以发现由于基因复制而产生的分子进化证据。
而产生的分子进化证据。
l通过比较来自于不同种属的同源蛋白质,通过比较来自于不同种属的同源蛋白质,即即直系同源蛋白质直系同源蛋白质,可以分析蛋白质甚,可以分析蛋白质甚至种属之间的系统发生关系,推测它们至种属之间的系统发生关系,推测它们共同的祖先蛋白质。
共同的祖先蛋白质。
11/7/202221生物分子信息DNA序列数据蛋白质序列数据生物分子结构数据生物分子功能数据最基本直观复杂生物分子数据类型生物分子数据类型11/7/202222DNA核酸序列蛋白质氨基酸序列蛋白质结构蛋白质功能最基本的生物信息维持生命活动的机器第一部遗传密码第二部遗传密码?
生命体系千姿百态的变化生物分子数据及其关系生物分子数据及其关系11/7/202223l第一部遗传密码已被破译,但对密码的第一部遗传密码已被破译,但对密码的转录过程还不清楚,对大多数转录过程还不清楚,对大多数DNA非编非编码区域的功能还知之甚少码区域的功能还知之甚少l对于第二部密码,目前则只能用统计学对于第二部密码,目前则只能用统计学的方法进行分析的方法进行分析l无论是第一部遗传密码,还是第二部遗无论是第一部遗传密码,还是第二部遗传密码,都隐藏在大量的生物分子数据传密码,都隐藏在大量的生物分子数据之中。
之中。
生物分子数据是宝藏,生物信息数据库是金矿,等待我们去挖掘和利用。
生物分子数据是宝藏,生物信息数据库是金矿,等待我们去挖掘和利用。
11/7/202224生物分子信息的特征生物分子信息的特征l生物分子信息数据量大生物分子信息数据量大l生物分子信息复杂生物分子信息复杂l生物分子信息之间存在着密切的联系生物分子信息之间存在着密切的联系11/7/2022253、生物信息学的目标和任务、生物信息学的目标和任务l收集和管理生物分子数据收集和管理生物分子数据l数据分析和挖掘数据分析和挖掘l开发分析工具和实用软件开发分析工具和实用软件生物分子序列比较工具生物分子序列比较工具基因识别工具基因识别工具生物分子结构预测工具生物分子结构预测工具基因表达数据分析工具基因表达数据分析工具11/7/202226实验数据信息知识收集表示分析建模刻画特征比较推理应用基因工程蛋白质设计疾病诊断疾病治疗开发新药生物分子信息处理流程11/7/202227分子生物学的三大核心数据库分子生物学的三大核心数据库lGenBank核酸序列数据库核酸序列数据库lSWISS-PROT蛋白质序列数据库蛋白质序列数据库lPDB生物大分子结构数据库生物大分子结构数据库11/7/202228数据源数据源数据量数据量生物信息学任务生物信息学任务DNA序列11.5百万条序列125.0亿个碱基分离编码与非编码区域识别内含子与外显子基因产物预测基因功能注释基因调控信息分析蛋白质序列40.0万条序列(每条序列平均有300氨基酸)序列比较多重序列比对识别保守的序列模式进化分析大分子结构1.5万个结构(每个结构平均1000个原子坐标)二级结构、空间结构预测三维结构比对蛋白质几何学度量表面和形态计算分子间相互作用分析分子模拟基因组300个基因组标注重复序列基因结构分析系统发生分析基因与疾病的连锁分析基因组比较遗传语言分析基因表达酵母6000个基因在约20时间点表达值达模式相关分析基因表基因调控网络分析表达调控信息分析表1.1至2001年初已经得到的各类数据及基本数据处理任务11/7/202229生物信息学研究意义生物信息学研究意义l认识生物本质认识生物本质了解生物分子信息的组织和结构,破译基因了解生物分子信息的组织和结构,破译基因组信息,阐明生物信息之间的关系。
组信息,阐明生物信息之间的关系。
l改变生物学的研究方式改变生物学的研究方式改变传统研究方式,引进现代信息学方法改变传统研究方式,引进现代信息学方法l在医学上的重要意义在医学上的重要意义为疾病的诊断和治疗提供依据为疾病的诊断和治疗提供依据为设计新药提供依据为设计新药提供依据生物信息学将是生物信息学将是21世纪生物学的核心世纪生物学的核心11/7/202230主要研究内容主要研究内容n破译遗传语言、识别基因破译遗传语言、识别基因n预测蛋白质结构和功能预测蛋白质结构和功能n认识生物界信息存贮和传递的本质认识生物界信息存贮和传递的本质n研究药物作用机制和开发新药研究药物作用机制和开发新药11/7/202231第二节第二节生物信息学的发展历史生物信息学的发展历史生物信息学基本思想的产生生物信息学的迅速发展二十世纪50年代二十世纪80-90年代生物科学和技术的发展人类基因组计划的推动11/7/202232n20世纪世纪50年代,生物信息学开始孕育年代,生物信息学开始孕育n20世纪世纪60年代,生物分子信息在概念上将计算年代,生物分子信息在概念上将计算生物学和计算机科学联系起来生物学和计算机科学联系起来n20世纪世纪70年代,生物信息学的真正开端年代,生物信息学的真正开端n20世纪世纪70年代到年代到80年代初期年代初期,出现了一系列著,出现了一系列著名的序列比较方法和生物信息分析方法名的序列比较方法和生物信息分析方法n20世纪世纪80年代以后,出现一批生物信息服务机年代以后,出现一批生物信息服务机构和生物信息数据库构和生物信息数据库n20世纪世纪90年代后年代后,HGP促进生物信息学的迅速促进生物信息学的迅速发展发展11/7/202233关于生物信息学发展历程中的重要大事,关于生物信息学发展历程中的重要大事,请参见下面两个网站的介绍:
请参见下面两个网站的介绍:
http:
/www.ncbi.nlm.nih.gov/Education/BLASTinfo/milestones.html、http:
/www.biosino.org/bioinformatics/。
11/7/202234生物信息学国内外发展现状生物信息学国内外发展现状PubMed中与生物信息学相关论文统计90002%11/7/202235第三节第三节人类基因组计划和基因组信息学人类基因组计划和基因组信息学1、人类基因组计划简介、人类基因组计划简介人类基因组计划准备用人类基因组计划准备用15年时间,年时间,投入投入30亿美元,完成人类全部亿美元,完成人类全部24条条染色体的染色体的3109脱氧核苷酸对脱氧核苷酸对(bp)的序列测定,主要任务包括作图的序列测定,主要任务包括作图(遗传图谱、物理图谱的建立及转遗传图谱、物理图谱的建立及转录图谱的绘制录图谱的绘制)、测序和基因识别。
、测序和基因识别。
其中还包括模式生物其中还包括模式生物(如大肠杆菌、如大肠杆菌、酵母、线虫、小鼠等酵母、线虫、小鼠等)基因组的作基因组的作图和测序,以及信息系统的建立。
图和测序,以及信息系统的建立。
作图作图和和测序测序是基本的任务,在此基是基本的任务,在此基础上解读和破译生物体生老病死以础上解读和破译生物体生老病死以及和疾病相关的遗传信息及和疾病相关的遗传信息11/7/202236基因组基因组一个物种中所有基因的整体组成一个物种中所有基因的整体组成11/7/202237人类基因组构成人类基因组构成24条染色体和线粒体条染色体和线粒体11/7/202238人类基因组计划的具体任务可以人类基因组计划的具体任务可以概括为建立四张图谱概括为建立四张图谱n遗传图谱遗传图谱n物理图谱物理图谱n序列图谱序列图谱n转录图谱转录图谱11/7/20223911/7/202240l遗传图谱(遗传图谱(geneticmap)又称连锁图谱又称连锁图谱(linkagemap),它是以具有遗传多态性(在它是以具有遗传多态性(在一个遗传位点上具有一个以上的等位基因,在一个遗传位点上具有一个以上的等位基因,在群体中的出现频率皆高于群体中的出现频率皆高于1%)的遗传标记为)的遗传标记为“路标路标”,
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