材料工程基础绪论

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1、,刘夫锋 2010-9-15,生物信息学基础,1.时间:周三早晨12节（8：009：30）周五下午56节 （14：0015：30） 2.地点：19教215教室 3.学时：每周4学时（总计84=32学时）4.学分：2学分,课程安排,5. 成绩考核方式（无笔试）：2次调研报告， 401次学习研究论文（期末完成）， 40平时成绩 20 6. E-mail: Tel: 2740 6590 (office)办公室地址：北洋科学楼404室 7. 公用邮箱：密码：123456,课程安排,第一章 绪论 1生物信息学的基本概念 2生物信息学分类 生物信息学的发展历程 面临的问题和挑战 研究生物信息学的一般方法

2、 第二章生物信息相关的数据库 1分子生物学数据库 2基因组信息资源 3蛋白质信息资源 4其他数据库 5. 主要的序列数据格式 （格式转换，数据下载等）,课程提纲,第三章生物信息学数据挖掘 1分子生物学数据库查询 2BLAST 3. 实例简介第四章 生物信息学中的编程语言 1. 常用编程语言 2. Perl/BioPerl 简介 3. 如何学习perl,课程提纲,第五章序列的采集、存储和查询 1分子生物学基础简介 2DNA测序 3序列数据的存储 4序列数据的文件格式 5实例解析第六章 双序列比对 1序列比对的数学基础 2动态规划算法的介绍 3打分矩阵及其含义 4序列比对的显著性检验 5. 同源物

3、搜索,课程提纲,第七章 基因组进化及分子进化研究简介 1基因组的结构与内容 2基因组注释比较基因组学基因/蛋白质的功能预测 第八章 结构生物信息学与计算机辅助药物分子设计 1. 结构生物信息学 2. 药物发现的历史和发展 3. 分子对接 4. 药物设计中小分子-蛋白质对接 5. 药物设计中蛋白质-蛋白质或DNA对接,课程提纲,第九章 同源建模 1. 同源建模的概念 2. 同源建模的目的 3. 同源建模的基本步骤优势和局限性第十章 计算机辅助药物分子设计 1. 分子对接的概念和用途 2. 分子对接的基本方法 3. 分子对接软件简介 4. 分子对接实例演示,课程提纲,第一章 绪 论,Tianjin

4、 University,10,结构生物学,计算机 科学,分子 生物学,生物信息学,1. 生物信息学的基本概念,Tianjin University,11,1.生物信息学的基本概念-分子生物学,从分子水平上研究生命现象物质基础的学科。研究细胞成分的物理、化学的性质和变化以及这些性质和变化与生命现象的关系，如遗传信息的传递，基因的结构、复制、转录、翻译、表达调控和表达产物的生理功能，以及细胞信号的转导等,Tianjin University,12,Bruker 600型核磁共振波谱仪,X光生物大分子单晶衍射仪,1.生物信息学的基本概念-结构生物学,Tianjin University,13,1.生

5、物信息学的基本概念-计算机科学,编程语言,计算机硬件,Tianjin University,14,中心法则,DNA,RNA,蛋白质,细胞表型,基因组,转录组,蛋白质组,细胞表型,分子生物学中心法则,基因组中心法则,1. 生物信息学的基本概念-细胞,2001. Methods of Information in Medicine 40: 346-358.,1. 生物信息学的基本概念,80年代末随着人类基因组计划 启动而兴 起的一门新兴交叉学科 生命科学中的信息科学 基因组相关信息的快速增长 (方法与技术需求) 新药开发等 (企业需求) 生物信息学 (Bioinformatics) 与计算生物学

6、(Computational Biology),1. 生物信息学的基本概念,Tianjin University,17,1. 生物信息学(Bioinformatics)是研究生物信息的采集，处理，存储，传播，分析和解释等各方面的一门学科，它通过综合利用生物学，计算机科学和信息技术来揭示大量而复杂的生物数据所赋有的生物学奥秘。,1. 生物信息学的基本概念,Tianjin University,18,2. 生物信息学(Bioinformatics)是运用计算机技术和信息技术开发新的算法和统计方法，对生物实验数据进行分析，确定数据所含的生物学意义，并开发新的数据分析工具以实现对各种信息的获取和管理的

7、学科。,1. 生物信息学的基本概念,Tianjin University,19,3. 生物信息学是在大分子方面的概念型的生物学，并且使用了信息学的技术，这包括了从应用数学、计算机科学以及统计学等学科衍生而来各种方法，并以此在大尺度上来理解和组织与生物大分子相关的信息,1. 生物信息学的基本概念,2. 生物信息学分类,细胞,Tianjin University,21,2. 生物信息学分类,生物体,Tianjin University,22,2. 生物信息学分类,2. 生物信息学分类,生物分子携带的信息,遗传信息,功能相关的结构信息,进化信息,2. 生物信息学分类,1. 遗传信息的载体主要是DNA

8、 2. 控制生物体性状的基因是一系列DNA片段 3. 生物体生长发育的本质就是遗传信息的传递和表达,2. 生物信息学分类,1. 蛋白质功能取决于蛋白质的空间结构 2. 蛋白质结构决定于蛋白质的序列（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序列之中。,2. 生物信息学分类,1. 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。 2. 通过比较来自于不同种属的同源蛋白质，即直系同源蛋白质，可以分析蛋白质甚至种属之间的系统发生关系，推测它们共同的祖先蛋白质。,2. 生物信息学分类,生 物 分 子 信 息,DNA序列数据,蛋白质序列数据,生物分子

9、结构数据,生物分子功能数据,最基本,直观,复杂,2. 生物信息学分类,DNA 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,2. 生物信息学分类,基因的DNA序列,蛋白质序列,对 应 关 系,遗 传 密 码,2. 生物信息学分类,Tianjin University,31,序列分析,概念：比较两个或两个以上序列的相似性或不相似性,Tianjin University,32,蛋白质结构预测,蛋白质的生物功能由蛋白质的结构所决定 ，蛋白质结构预测成为了解蛋白质功能的重要途径。 蛋白质结

10、构预测分为:二级结构预测空间结构预测,二级结构预测,在二级结构预测方面主要方法有： 立体化学方法 图论方法 统计方法 最邻近决策方法 基于规则的专家系统方法 分子动力学方法 人工神经网络方法,三维结构预测,在空间结构预测方面，比较成功的理论方法是同源模型法 该方法的依据是：相似序列的蛋白质倾向于折叠成相似的三维空间结构 运用同源模型方法可以完成所有蛋白质10-30%的空间结构预测工作,Tianjin University,35,未来的药物研究过程将是基于生物信息知识挖掘的过程,数据处理和 关联分析,发现药物 作用对象,确定靶 目标分子,新药研制,针对靶目标 进行合理的 药物设计,生物信息学与新

11、药研制,生物信息学与疾病检测,基因组计划产生的基因及基因多态性数据与临床医学检验结果之间的关系需要利用生物信息学的方法去分析、去揭示根据这样的分析结果，科学家能够更准确地了解疾病产生的根本原因，更精确地预测某个人患癌症、糖尿病或者心脏病的可能性，从而彻底改变我们诊断、治疗和预防疾病的方式,蛋白质结构与功能关系的研究,蛋白质结构,蛋白质序列,蛋白质功能关系,基因组计划的不断推进，其结果导致蛋白质序列数据的迅速增长。 蛋白质空间结构预测。 同时将结构知识应用于生物学、医学、药学等生命科学领域。 蛋白质结构是合理药物分子设计的基础。 蛋白质结构是蛋白质工程的基础。,蛋白质结构与功能关系的研究,Tia

12、njin University,40,基因组注释,基因组注释(Genome annotation) 是利用生物信息学方法和工具,对基因组所有基因的生物学功能进行高通量注释,是当前功能基因组学研究的一个热点。 基因组注释的研究内容包括基因识别和基因功能注释两个方面。,生物信息学的特征,生物信息数据量大 生物信息复杂 生物信息之间存在着密切的联系,41,生物信息学的目标和任务,1. 收集和管理生物分子数据2. 数据分析和挖掘3. 开发分析工具和实用软件 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,42,生物信息处理流程,Tianjin University,44

13、,3. 生物信息学的发展历程,1952年，Sanger根据胰岛素蛋白质的测序结果，推断蛋白质是排列完美的分子。-最早的信息论观点。 1955年，Sanger与合作者分别对牛、猪和羊的胰岛素蛋白质进行了测序并做了序列上的比较。-最早的序列比对。 1962年，鲍林提出分子进化的理论，推测在人中可能存在50,000100,000个不同的基因/蛋白质。-分子进化理论的奠定。,Tianjin University,45,3. 生物信息学的发展历程,1965年，Margaret Dayhoff构建蛋白质序列图谱 1981年，Smith-Waterman算法开发：局部优化比对 1990年，快速序列相似性搜索

14、工具BLAST的开发 1990年，美国启动人类基因组计划 2000年，人类基因组计划完成了草图,Tianjin University,46,生物信息学的研究内容,1. 开发新的算法及统计学的方法来揭示大规模数据之间的联系。 2. 分析和解释各种类型的生物学数据，包括核酸、氨基酸序列、蛋白质功能结构域以及蛋白质三级结构等。 3. 开发、设计一系列相关的工具，能够方便有效的获取、管理以及使用各种类型的数据和信息。,生物信息学各类数据及其处理任务,Tianjin University,48,生物信息学的相关知识储备,1. 生物学背景：细胞生物学、分子生物学、发育生物学、分子神经生物学、生物化学， 2

15、. 计算能力/编程能力：Perl/Python，PHP+MySQL, JAVA 3. 分子进化理论：MP, NJ, ML 4. 统计学知识：至少单变量统计知识,Tianjin University,49,4. 面临的问题和挑战 (1),1.基因组序列及其表达情况(1)在基因组中，究竟有多少具有功能性的和结构性的RNA?(2) 剪切的分子机器通过识别何种机制来调控基因的可变剪切？（3）在细胞层面上，不同剪切异构体的表达有着什么样的影响？,Tianjin University,50,2.人类基因组研究 (1) 与其他物种相比，哪些基因是人类所特有的？ (2) 能否系统的计算出这些基因？以及推测其功

16、能，为进一步的实验作指导？ (3) 人的进化过程是怎样的？决定人类物种形成的基因在什么时候，是如何产生的？,4. 面临的问题和挑战 (2),Tianjin University,51,4. 面临的问题和挑战 (3),3. 遗传密码的延伸和拓展：共价修饰、环境因素及表观遗传学 (1)在何等程度上遗传因素决定了生物体的表型？在何等程度上环境因素起着另一层的作用？ (2)我们能否推测究竟哪个激酶磷酸化哪个底物？哪个泛素连接酶负责哪个底物的降解？这些底物都具有什么样的功能？,Tianjin University,52,4. 一维的遗传编码，如何实现三维的世界？能否通过序列来预测蛋白质的结构？ (1)非共价的作用在计算最低自由能种有着何等意义？如何进行描述？给定一个结构设计序列为何比给定一个序列来预测结构更为容易？ (2) 基因组的信息如何与能量的因素结合起来，进行蛋白质三级结构的预测？,