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1、 本科课程设计论文本科课程设计论文 1 本科课程设计论文本科课程设计论文 基于基于 3D 引擎的生物基因的三维重构技术引擎的生物基因的三维重构技术 专业名称：自动化 学生姓名：许庆丰 指导教师：杨宁 本科课程设计论文本科课程设计论文 2 课程 任务书 1、题目 基于 3D 引擎的生物基因的三维重构技术 2、指导思想和目的要求 熟悉 3D 引擎、生物基因的基本原理；对基于 3D 引擎的 3D 重构方法 进行综述；阅读最新国内外参考文献 8 篇以上。 两周完成设计任务，提交 5000 字以上的小论文。附参考文献并在论文 上相应位置进行标注 3、主要技术指标 1.3D 引擎技术 2.ChIA-PET
2、 技术 3.遗传算法原理 学生 _ 指导教师 _ 系主任 _ 设计 论文 本科课程设计论文本科课程设计论文 3 摘要 通过查找资料文献，了解 3D 引擎技术的基本含义及内容，了解生物基因 的结构及原理。了解了通过 ChIA-PET 技术可以探知基因的相互作用及结构。 了解了遗传算法的原理及基本应用 配对末端标签测序分析染色质相互作用(ChIA-PET)技术是一项在全基因组 范围内分析远程染色质相互作用的新技术。它把染色质免疫沉淀(ChIP)技术、 染色质邻近式连接技术、配对末端标签( PET)技术和新一代测序技术融为一体， 在基因组三维折叠和套环状态下分析基因表达和调控。ChIA-PET 技术
3、已用于确 定人乳腺腺癌细胞内雌激素受体 a 的结合位点之间的相互作用。随着更多蛋白 质因子的发现及其抗体的应用，该技术可实时捕获全基因组范围内参与复制、 转录过程的蛋白质因子结合位点以及结合位点间的相互作用，这对于阐明基因 调控和疾病发生机制具有重大意义。 关键词关键词：染色体，基因，三维结构，ChIA-PET 技术 本科课程设计论文本科课程设计论文 4 Abstract By looking up information literature, understand the basic meaning and content of 3 d engine technology, underst
4、and the structure and principle of the biological gene. Learned by ChIA PET technology can detect gene interactions and structure.Understanding the principle of genetic algorithm and the basic application Chromatin interaction analysis by paired-end tag sequencing (ChIA-PET) is a whole-genome approa
5、ch for long-distance chromatin interaction analysis. It is a technique that incorporates chromatin immunoprecipitation, chromatin prox-imity ligation, paired-end tag, and next-generation sequencing to study gene expression and regulation in the genomes three-dimensional folding and looping state. Ch
6、IA-PET has been applied to the identification of the estrogen-receptor-a-binding sitesand the interactions among the binding sites in human breast adenocarcinoma cells. With more protein factors being found andtheir antibodies being used, it will allow real- time and whole-genome identification of t
7、he DNA replication and transcription- involved protein factor-binding sites and the interactions among the binding sites, which has a great significance to reveal themechanisms of gene regulation and the pathogenesis of diseases. Key words：hromosomes；genes；three-dimensional structure；ChIA-PET 本科课程设计
8、论文本科课程设计论文 5 目 录 第一章 基本概念介绍.6 1.1 3D 引擎简介6 1.2 生物基因简介7 第 2 章 相关技术算法介绍10 2.1 前言.10 2.2 ChIA-PET 技术.11 2.2.1 ChIA-PET 技术的原理与方法12 2.2.2 ChIA-PET 技术的优、缺点15 2.2.3 总结16 2.3 遗传算法.16 2.3.1 引言16 2.3.2 遗传算法的原理及特点17 2.3.3 结束语21 参考文献22 课程设计小结及致谢23 本科课程设计论文本科课程设计论文 6 第第 1 章章 基本概念介绍基本概念介绍 1.11.1 3d3d 引擎简介引擎简介 1.1
9、.1 定义定义 3D 引擎是将现实中的物质抽象为多边形或者各种曲线等表现形式，在计算 机中进行相关计算并输出最终图像的算法实现的集合。 3D 引擎就像是在计算 机内建立一个“真实的世界” 3D 引擎作为一个名词已经存在了很多年，但即使是一些专业的引擎设计师， 也很难就它的定义达成一个共识。通常来说，3D 引擎作为一种底层工具支持着 高层的图形软件开发。你可以把它看成是对 3D API 的封装，对一些图形通用 算法的封装，对一些底层工具的封装。我无法准确的定义 3D 引擎的含义和作 用，因为针对不同的用户和开发项目，3D 引擎完成的功能可能都有不同。因此， 我将从功能的角度来定义 3D 引擎，这
10、种定义法也许能更确切的表达出一个 3D 引擎的真实含义。 1.1.2 功能功能 3D 引擎最基本的功能应该包括： 数据管理：包括场景管理，对象系统，序列化，数据与外部工具的交互，底 层3维数据的组织和表示。 渲染器是：3D 引擎的核心部分，它完成将3D 物体绘制到屏幕上的任务。渲 染器分为硬件渲染器和软件渲染器。之所以要说是合理的渲染器，是因为一个 引擎的渲染能力是由多方面决定的。比如一款以实时游戏作为目标的游戏，会 选择基于光栅化的渲染算法。在这种设计前提下，几何体一级的数据不会过于 详细，例如物体表面的 BRDF，折射率，纹理坐标空间的变化率，切线空间的 变化率（当然随着硬件能力的提升和
11、Shader 能力的发展，这些数据也会出现 在一些比较高级的游戏引擎中） ，这时候即使你在设计初期就考虑到这些数据需 求，并将它们表现在了 Render 中，最后也不会有任何意义。 本科课程设计论文本科课程设计论文 7 交互能力：简单的说，就是开发工具。任何一款 3D 引擎如果没有开发工具 都不能称为是完整的。这些开发工具可能是一些文件转换器，场景编辑器，脚 本编辑器，粒子编辑器 有了上面 3 种功能，就可以称为 3D 引擎了。 3d 引擎引擎 1.21.2 生物基因简介生物基因简介 DNADNA 的三级结构与功能的三级结构与功能 （一）（一）DNADNA 超螺旋超螺旋 双螺旋 DNA 进一步
12、扭曲盘绕则形成其三级结构，超螺旋是 DNA 三级结构的 主要形式。自从 1965 年 Vinograd 等人发现多瘤病毒的环形 DNA 的超螺旋以来， 现已知道绝大多数原核生物都是共价封闭环分子，这种双螺旋环状分子再度螺 旋化成为超螺旋结构。有些单链环形染色体（如 174）或双链线形染色体 （如噬菌体入），在其生活周期的某一阶段，也必将其染色体变为超螺旋形式。 对于真核生物来说，虽然其染色体多为线形分子但其 DNA 均与蛋白质相结合， 两个结合点之间的 DNA 形成一个突环结构，类似于 CCC 分子，同样具有超螺旋 形式。超螺旋按其方向分为正超螺旋和负超螺旋两种。真核生物中，DNA 与组 本科
13、课程设计论文本科课程设计论文 8 蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺旋。研究发现，所有的 DNA 超螺 旋都是由 DNA 拓扑异构酶产生的。 （二）染色质和核小体（二）染色质和核小体 1.1.染色质染色质 真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都是以染色质的形式存 在的。染色质是一种纤维状结构，叫做染色质丝，它是由最基本的单位棗核小 体成串排列而成的。DNA 是染色体的主要化学成分，也是遗传信息的载体，约 占染色体全部成分的 27%，另外组蛋白和非组蛋白占 66%，RNA 占 6%. 组蛋白是一种碱性蛋白质，等电点一般在 PH10.0 以上，其特点是富含二种 碱性氨基酸（赖氨酸和精
14、氨酸），根据这两种氨基酸在蛋白质分子中的相对比 例，将组蛋白分为五种类型（表 1）。 表表 1 1 五种组蛋白分子的基本参数五种组蛋白分子的基本参数 碱性氨基酸 种 类 类型 Lys Arg Lys/Arg 酸性 氨基酸 碱性氨基酸/ 酸性氨基酸 氨基酸 残基数 分子 量 核小体 上位置 H1 极度富含 Lys 29% 1% 29 5% 5.4 215 23 000 连接 H2A 11% 9% 1.2 15% 1.4 129 14 500 核心 H2B 16% 6% 2.7 13% 1.7 125 13 774 H3 极度富含 Lys+富含 Arg 10% 13% 0.78 13% 1.8 1
15、35 15 324 H4 11% 14% 0.79 10% 2.5 102 11 282 *现已证明：H1 是与核小体的核心颗粒相当靠近的，认为它位于连接 DNA 上，只是一种习惯说法。 五种组蛋白在同一生物的不同组织中完全一样，在不同的真核生物中也很 相似。组蛋白对染色体中 DNA 的包装有十分重要的作用。 本科课程设计论文本科课程设计论文 99 2.2.核小体核小体 核小体是构成染色质的基本结构单位，使得染色质中 DNA、RNA 和蛋白质组 织成为一种致密的结构形式。核小体由核心颗粒和连接区 DNA 二部分组成，在 电镜下可见其成捻珠状，前者包括组蛋白 H2A，H2B，H3 和 H4 各两
16、分子构成的 致密八聚体（又称核心组蛋白），以及缠绕其上一又四分之三圈长度为 146bp 的 DNA 链；后者包括两相邻核心颗粒间约 60bp 的连接 DNA 和位于连接区 DNA 上 的组蛋白 H1，连接区使染色质纤维获得弹性。核小体是 DNA 紧缩的第一阶段， 在此基础上，DNA 链进一步折叠成每圈六个核小体，直径 30nm 的纤维状结构， 这种 30nm 纤维再扭曲成襻，许多襻环绕染色体骨架形成棒状的染色体，最终压 缩将近一万倍。这样，才使每个染色体中几厘米长（如人染色体的 DNA 分子平 均长度为 4cm）的 DNA 分子容纳在直径数微米（如人细胞核的直径为 67m） 的细胞核中。 核小体的形成以及 DNA 超螺旋结构与功能的关系还不十分清楚，可能与基 因的转录调节控制有关。 本科课程设计论文本科课程设计论文 10 第第 2 2 章章 相关技术算法介绍相关技术算法介绍 2.12.1 前言前言 如果将人的所有染色体相连并充分伸展的话，其长度可达 2 米左右，如此 庞大的
