《生物信息学引论PPT课件.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物信息学引论PPT课件.（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、生物信息基础,Basics in Bioinformatics,主讲: 模式识别与智能系统实验室 网络搜索教研中心信息与通信工程学院北京邮电大学,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,2,生物信息学 引论,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,3,内容提要,什么是生物信息学 生物信息学的研究内容 生物信息学的研究意义 生物信息学所涉及到的方法与技术,引言,物理和化学的发展 认识物质的组成，从分子、原子、电子等各层次上深 入地了解微观世界, 物质的合成和分解,天文技术/空间技术的发展
2、了解地球以外的客观世界,电子、信息科学与技术的发展 提供能力强大的计算软硬件,生命科学的发展 认识生命过程的物质基础，认识生命信息的组织、传 递和表达,Q1: 生物体与其它物体有何差别?,生物体的生长发育是生命信息控 制之下的复杂而有序的过程,Q2: 生物体与其它物质有何差别?,生物具有某种程度的智能,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,4,生命科学,生命过程的物质 基础，生命信息 的组织、传递与 表达,物理,生命科学是一个交叉学科 研究生命过程的物质基础，生命信息的组织、 传递和表达 化学,分子 生物学,遗传学,信息技术,生物信息基础
3、 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,5,生物信息学,分子生物学数据,深层次 生物学知识,分子生物信息学 研究在分子生物学水平上的生物信息数据的获 取、存储、分析和利用 分子生物信息学 Molecular Bioinformatics,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,6,挖掘,分析,生物信息学, 与数据结构的区别与联系,分子生物学数据计算机计算(算法）,+,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,7,分子生物学的信息处理流程,实验,数据
4、,信息,收集,表示/ 刻画特征,分析/ 比较,建模/ 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,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,8,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,9,生物信息学,以计算机和信息技术为工具，采用数学和信息科 学的理论、方法和技术去分析分子生物学数据， 以揭示在生物体的信息组织、表达和传递 研究重点在核酸和蛋白质两个方面，包括它们 的序列、结构和功能以及应用 具体包括但不限于： 以基因组DNA序列信息分析作为出发点 认识遗传信息的组织
5、规律、破译遗传语言 辨别隐藏在DNA序列中的基因，掌握基因调控信息 对蛋白质空间结构进行模拟和预测，依据蛋白质结 构和功能的关系进行药物分子设计等,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,10,生物信息学的基本任务,收集和管理分子生物学数据 对数据进行分析和挖掘 在DNA分析方面，着重分析DNA序列中的基因信息及 基因表达调控信息，分析基因表达数据，分析基因之 间的相互作用关系，比较不同种属的基因组，研究基 因组中非编码区域的生物学功能 在蛋白质分析方面，着重分析蛋白质序列与蛋白质结 构及功能之间的关系，预测蛋白质的结构和功能，研 究蛋白质
6、的进化关系 开发分析工具 生物分子序列比较工具 / 基因识别工具 / 生物分子结构 预测工具 /基因表达数据分析工具,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,1,内容提要,什么是生物信息学 生物信息学的研究内容 生物信息学的研究意义 生物信息学所涉及到的方法与技术,12,生物体中的信息与系统,细胞,存储、复制、传递和表达 遗传信息的系统,分子,生物信息的载体,生物体的生长发育是生命信息控制之下的复 杂而有序过程, 本质是遗传信息的传递和表达,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics模,式识别与智能系统实验室,13,
7、生物分子中的信息载体,信息存储的两种载体 DNA序列 蛋白质的氨基酸序列, 如何借助计算机去处理和 分析呢？,记录观测数据，设计算法， 通过编程语言实现,生物信息学的研究任务,从分子生物学实验所获得的实验数据去研 究生命信息的组织、表达与传递,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,14,生物分子中的信息,生物分子至少携带3种信息 遗传信息 与功能相关的结构信息 进化信息,想象一下：从一个细胞开始，全自动地发育成一个 基本一样的个体.,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,15,生物分
8、子所携带的三种信息,遗传信息 控制生物体性状的基因: DNA片段 生物体生长发育的本质: 遗传信息的传递和表达 与功能相关的结构信息 蛋白质的氨基酸序列决定蛋白质的空间结构 蛋白质结构的信息隐含在氨基酸序列之中 蛋白质的空间结构决定其功能 基本假设 进化信息 DNA序列和蛋白质的氨基酸序列都含有进化信息 通过比较不同种属的同源蛋白质，可以分析蛋白质甚至种属之 间的进化关系，推测它们共同的祖先蛋白质 通过比较相似的蛋白质序列(如肌红蛋白和血红蛋白)，可以发 现由于基因复制而产生的分子进化证据,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,16,生物
9、信息学的典型研究问题,序列分析 序列对齐 序列结构和功能预测 基因定位与识别 结构分析 蛋白质结构比较 蛋白质结构预测 基因表达数据分析 将表达模式相似的基因聚为一类， 以寻找相关基因，分析基因的功能 蛋白质组学 蛋白质之间相互作用网络推断,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,17,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,18,序列分析,从DNA序列与氨基酸序列数据中进行信息 和模式发现 寻找进化联系 寻找基因组的编码区 寻找序列中的功能信号区 全基因组序列的拼接与组装 识别非编码区
10、，探索其功能 单核苷酸多态性 (Single Nucleotide Polymorphism: SNP),序列分析,序列比对（Sequences Alignment）,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,19,序列分析,分子进化和基因组比较,系统实验室2,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能,0,举例 : 序列标注与基因识别,序列标注/基因识别,5,ATGCCTACGATGCCTACCCTACGATGCCTAGGTTACCCCTACGATG,CCTAATCGTTACCATCTGCCTAGGT
11、TACCC 。把序列读一遍，指出 哪些部位记载了什么内 容。不得了、这里说 “眼睛长在耳朵后”,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,21,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,22,类比举例: 语法未知的字符串,青孤黄不海城沙破长遥百楼云望战兰暗玉 穿终雪门金不山关甲还, 青海长云暗雪山，孤城遥望玉门关。黄沙百战 穿金甲，不破楼兰终不还。, 如果不知道字符的组织规则语法，即使我 们能够读懂每个字符，我们仍不能理解整个内 容。,生物信息基础 - Basics in Bioinform
12、atics,模式识别与智能系统实验室,23,结构分析,蛋白质结构和功能的预测分析 蛋白质家族保守序列寻找 从氨基酸组成辨识蛋白质 蛋白质二级结构预测 蛋白质的三维结构 蛋白质的物理性质预测 其他特殊局部信息：其它特殊局部结构包括膜 蛋白的跨膜螺旋、信号肽、卷曲螺旋(Coiled Coils)等，具有明显的序列特征和结构特征， 也可以用计算方法加以预测,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,24,蛋白质的结构决定其功能,蛋白质的氨基酸序列决定蛋白质分子的结 构 这是目前基本共认的假设 蛋白质结构的信息隐含在蛋白质的氨基酸序列 之中 蛋白质的
13、空间结构决定蛋白质的功能,例: 蛋白质结构预测,若序列A对应的结构信息已知: .-Gly-Ala-Glu-Phe-Gly-Ala-Glu-Phe-Ala-Glu-Phe-Gly-Ala-Glu-Phe., 试推测未知序列B的可能结构 .-Gly-Ala-Glu-Phe-Glu-Ala-Gly-Phe-Ala-Glu-Phe-Gly-Ala-Gly-Phe.,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,25,基因表达数据分析,基因表达数据： 生物芯片技术的迅速发展，使我们可能得到同一时间 成千上万个基因的表达水平的数据 基因表达数据的意义： 提供
14、了深入研究基因功能、基因相互作用、基因网络 等复杂网络问题的有力工具,与智能系统实验室2,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别,6,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,27,基因调控网络与信号转导,基因的表达过程受到蛋白质的调控 一个基因的表达与否、表达量，均受到细胞中各种蛋白的调控； 基因的调控可以看作是细胞中各基因对应的 mRNA 与各种蛋白 的一个相互作用网络 信号转导是指，当细胞受到某种影响，其中某个蛋白质的含量发 生变化，从而引起一系列的蛋白质的表达变化的过程和路径 它对于研究药理、病理
15、、细胞的分化、发育、进化等重大问题都 十分重要 信号转导和基因调控网络，与基因表达数据分析是紧密相 关的,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,28,内容提要,什么是生物信息学 生物信息学的研究内容 生物信息学的研究意义 生物信息学所涉及到的方法与技术,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,29,生物信息学的研究意义,基于分子生物学的实验数据认识生物的本 质 引进现代信息学方法，研究生物分子中信息的 组织和结构，传递与调控，破译基因组信息， 阐明生物信息之间的关系 在医学上的重要意义
16、 探索疾病的发病机理 为疾病的诊断和治疗提供依据 为设计新药提供依据,曼哈顿原子弹研制计划,人类基因组计划,阿波罗登月计划,1941.12.6 - 1945.7.16 罗斯福批准 耗资20亿美元,原子半径 原子体积,10-10m 10-30m3,1990.10.1 - 2003.4.23 克林顿、布莱尔批准 耗资30亿美元,1961.5.25 - 1969.7.20 肯尼迪批准 耗资240亿美元,人类历史上的三大科技工程,人体半径 人体体积,100m 100m3,太阳系半径1012m 太阳系体积1034m3,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,30,生物信息基础 - Basics in Bioinformatics,模式识别与智能系统实验室,31,后基因组时代的呼唤,传统生物学是一门实验科学 现代生物学的发展 数据获取日益实现自动化、半工业化 需要从数据库中实现数据挖掘、知识发现 收集到海量数据 难以完全依赖实验手段对新数据进行分析，必须借助计算机实现分析 和筛选 解决更复杂层次的生物学问题 复杂的基因调控网络、代谢网络 细胞间
