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1、生物信息学第一章 绪论,毛理凯,2,初步计划讲授内容,绪论 生物信息学的计算机基础 生物信息学资源与数据挖掘工具 DNA序列分析 分子系统发育分析 基因组分析 蛋白质组分析 数学模型,3,本课目录,当今生命科学展望 生物信息学简介 发展现状,4,一、当今生命科学展望,5,基因数据的快速增长,6,为什么这么快,Sanger, UK,7,已完成测序的基因组(EBI),2008.9,8,测序进展,GenBank中已超过2000亿碱基对 速度 目前速度: 10天一个基因组(细菌) 目标: 1天一个基因组 价格 目前价格: 10000美元(细菌) 目标: 1000美元 趋势: 过去十几年,每2年半价 微
2、小化、并列化: 数千到数十万well 多目标化: 肠内几十上百种微生物、土壤中全部微生物同时测序 最小基因组研究、基因组人工合成,9,蛋白数据增长(PDB),10,反应通路(KEGG),glycolysis pathway(糖酵解) 京都基因与基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes),11,全细胞通路,12,人类基因组计划(1) 人类三大计划,曼哈顿原子弹计划 (1942-46),阿波罗登月计划 (1961-69),人类基因组计划 (1990-2003),13,人类基因组计划(2),http:/www.ornl.gov/sci/techr
3、esources/Human_Genome/home.shtml 人类基因组计划(Human Genome Project, HGP) 由美国能源部(Department of Energy, DOE)和美国国立卫生研究院(National Institutes of Health, NIH)组织完成 1990年10月开始,2003年4月完成(1953双螺旋) 参与国:美、英、日、法、德、中 并没有完成测序(2006.5完成),14,人类基因组计划(3) 超额完成目标,15,生命科学的发展趋势和热点,发展趋势 系统生物学: 微观还原,系统 统一生物学(General Biology) 生物技术
4、的产业化 热点 生物大分子的结构与功能研究 基因组与细胞的研究 脑科学和神经科学研究 行为科学研究 关于遗传、发育、分化、进化的综合理论研究 生态环保研究,16,物理学的发展对生命科学的启示,17世纪,18世纪,19世纪,20世纪,21世纪,经典物理学,应用物理,现代物理,物理学,大量实验数据积累,公式化,机械论完善,相对论、量子力学,非线性物理、复杂系统,生命科学,农业、医药实践,分类、解剖研究,进化理论,遗传学、分子生物学,大量实验数据积累,公式化？,博物学,近代生物学,现代生物学,21世纪的生物学,17,二、生物信息学简介,18,什么是生物信息学(1),bioinformatics =
5、bio + informatics 生物 信息学 相关学科 计算生物学(computational biology) 系统生物学(systems biology),19,什么是生物信息学(2),http:/bioinformatics.org/faq/#definitions (大致地)计算机对生物信息的处理 (多数人认为,面窄)计算分子生物学(computational molecular biology) (宽松地)甚至包括医疗成像、图像分析、遗传算法、人工智能、神经网络 (经典)用计算机储存、比较、提取、分析、预言、模拟生物分子的组成与结构。主要应用(core)是序列分析 (新)比较基因
6、组学、功能基因组学、蛋白质组学、结构基因组学,20,多老了？,1960s已有建立数据库、序列分析、开发算法,当时叫分子进化 如果考虑生物数学,19世纪已经流行 首次提出Bioinformatics的说法 荷兰理论生物学家1980年代初Ben Hesper和Paulien Hogeweg 马来西亚生化物理学家林华安(Hwa A. Lim)于1987年 最早提到该词的文献(PubMed) (1990)Genomics,6(2):389,21,生物信息学发展阶段(1),前基因组时代(pre-genomics era) 建立生物数据库(1965, Margaret Dayhoff的Atlas of P
7、rotein Sequences; 1982,GenBank Release 3) 对位算法(1970,Needleman-Wunsch; 1981,Smith-Waterman) 1977,DNA测序和相应的软件分析(RA Staden),22,发展阶段(2),基因组时代(genomics era) 一批基因组被测序,1982 噬菌体,1995 细菌,1996 酵母,1998 线虫,1999 果蝇,23,发展阶段(3),基因组时代(genomics era) 数据库搜索算法(1983, Wilbur-Lipman) 快速序列相似性查找(1985, FASTN; 1990, BLAST) 机构
8、建立 1988, NCBI 1988, EMBnet 1993, Sanger 1991,EST技术,24,发展阶段(4),后基因组时代(post-genomics era) HGP (1990-2003) 1995,蛋白质组学(Proteomics) 高通量(high-throughput)实验手段,25,发展阶段(5),后基因组时代(post-genomics era) 比较基因组学(comparative genomics) 结构基因组学(Strutural genomics, 2001) 功能基因组学(Functional genomics) 系统生物学 系统树重建(phylogeni
9、c reconstruction),26,生物信息学基本方法(1),建立生物数据库 如GenBank, EMBL, DDBJ 搜索数据库 如BLAST 序列分析 如比对(alignment)、注释(annotation)、寻找外显子 统计分析 如隐马尔科夫模型(HMM)、贝叶斯分析(Bayesian analysis),27,基本方法(2),算法 如遗传算法(genetic algorithm, GA)、人工神经网络(artificial neural network, ANN) 数学模型 如确定性模型(deterministic model)、随机性模型(stochastic model)
10、多学科方法,28,应用,基因组层次分析 如序列功能、蛋白质、进化研究 基因芯片 如DNA芯片(DNA chip),蛋白质芯片的动态数据分析 药物开发 如寻找药靶、药物分子结构、系统药物开发 经济价值 “bioventure” 生物风险公司 药物、生物制品、相关试剂、器材,29,三、发展现状,30,学术,1/5,1/20,31,我国的发展现状(1) 总括,国家高技术研究发展计划(863) 生物信息的获取、加工和利用,建立数据库 结构基因组和蛋白质组学研究 高通量药物筛选、药物设计 生物芯片 曙光系列生物信息学服务器 基因组 完成1人类基因组计划(中国卷;3号染色体短臂“端粒至D3S3610”)(
11、1994-2001.8) 2001.10独立完成水稻基因组“工作框架图”绘制和数据库建设；完成国际水稻基因组计划的20% 其他: 家猪、血吸虫、家鸡、家蚕、大豆,32,我国的发展现状(2),生物信息学企业 如华大、中科院等建立了一些 中国生物信息学大会 首届,2001.4.11-13,北京,军事医学科学院 第二届, 2002.6.28,北京大学 第三届, 2008.10.6-9,武汉华中科技大学 国际生物信息学大会 首届,2003 第四届,2006.6.10,中南大学,33,我国的发展现状(3) 主要研究中心,北京华大基因研究中心(中科院基因组研究所) 杨焕明 国家人类基因组南方研究中心(上海
12、) 陈竺、赵国屏 国家人类基因组北方研究中心(北京) 强伯勤 清华大学生物系生物信息研究室 孙之荣 北京大学生物信息学中心 罗静初 复旦大学理论生物中心 钟扬 ,34,我国的发展现状(4) 研究中心,中科院国家基因研究中心 中科院理论物理所统计物理和理论生命科学 陈晓松、郝柏林 中科院生物物理所系统生物学研究中心 陈润生、蒋太交 中科院上海生命科学研究院生物信息中心 李亦学 中科院上海生化所 中科院计算所生物信息实验室 中科院遗传所分子系统生物学中心 韩敬东 军事医学科学院生物工程所生物信息学中心 中科院微生物所 ,35,我国的发展现状(5) 研究中心,天津大学生物信息中心 张春霆 中山大学生物信息中心 徐安龙 中山医科大学 东南大学(江苏省生物信息学专业委员会) 孙啸 西北大学 西安交通大学 上海交通大学上海系统生物医学研究中心 陈竺 哈尔滨医科大学生物信息学系 李霞,36,完,
