生物信息学-第一章(英文)课件

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1、2019/4/20,1,生物信息学,主讲人: 孙 啸 制作人：刘志华,东南大学 吴健雄实验室,2019/4/20,2,参考文献,1、生物信息学 孙啸 东南大学（课程讲义） 2、生物信息学概论 罗静初 北京大学 北京大学出版社 3、生物信息学（863高科技丛书） 赵国平 中科院上海生命科学院 科学出版社 4、生物信息学基因和蛋白质分析的使用指南 李衍达 清华大学 清华大学出版社 5、生物信息学手册 郝柏林 中科院物理所 上海科学技术出版社 6、简明生物信息学 钟扬 复旦大学 高等教育出版社,2019/4/20,3,网上资源,http:/ 生物信息学引论,2019/4/20,5,简介,第一节 引言

2、 第二节 生物信息学的发展历史 第三节 人类基因组计划和基因组信息学 第四节 蛋白质结构与功能关系的研究 第五节 目前生物信息学主要研究内容 第六节 生物信息学所用的方法和技术,2019/4/20,6,第一节 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,2019/4/20,7,1、 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,2019/4/20,8,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

3、信息,信息科学,生 命 科 学 中 的 信 息 科 学,2019/4/20,9,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 Molecular Bioinformatics,挖掘,获取,生物分子信息的获取、存贮、分析和利用,2019/4/20,10,Bioinformatics,2019/4/20,11,2、生物分子信息,细胞,分子,存贮、复制、传递和表达 遗传信息的系统,生物信息的载体,2019/4/20,12,生物信息学主要研究两种信息载体 DNA分子 蛋白质分子,2019/4/20,13,2019/4/20,14,Protein Machines,2019/4/20

4、,15,From the Cell to Protein Machines,2019/4/20,16,生物分子至少携带着三种信息 遗传信息 与功能相关的结构信息 进化信息,2019/4/20,17,(1)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,2019/4/20,18,DNA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,DNA,RNA,蛋白 质,转录,翻译,2019/4/20

5、,19,基因的DNA序列,DNA,前体RNA,mRNA,多肽链,蛋白质序列,对 应 关 系,遗 传 密 码,2019/4/20,20,(2)蛋白质的结构决定其功能,蛋白质功能取决于蛋白质的空间结构 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。,2019/4/20,21,(3) DNA分子和蛋白质分子 都含有进化信息,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。 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。,2019/4/2

6、0,22,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,2019/4/20,23,生物分子数据及其关系,2019/4/20,24,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DNA非编码区域的功能还知之甚少 对于第二部密码，目前则只能用统计学的方法进行分析 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。,2019/4/20,25,生物分子信息的特征,生物分子信息数据量大 生物分子信息复杂 生物分子信息之

7、间存在着密切的联系,2019/4/20,26,3、生物信息学的目标和任务,收集和管理生物分子数据 数据分析和挖掘 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,2019/4/20,27,生物分子信息处理流程,2019/4/20,28,分子生物学的三大核心数据库,GenBank核酸序列数据库 SWISS-PROT蛋白质序列数据库 PDB生物大分子结构数据库,2019/4/20,29,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,2019/4/20,30,生物信息学研究意义,认识生物本质 了解生物分子信息的组织和结构，破译基

8、因组信息，阐明生物信息之间的关系。 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 在医学上的重要意义 为疾病的诊断和治疗提供依据 为设计新药提供依据,生物信息学将是21世纪生物学的核心,2019/4/20,31,主要研究内容,破译遗传语言、识别基因 预测蛋白质结构和功能 认识生物界信息存贮和传递的本质 研究药物作用机制和开发新药,2019/4/20,32,第二节 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,2019/4/20,33,20世纪50年代，生物

9、信息学开始孕育 20世纪60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 20世纪70年代，生物信息学的真正开端 20世纪70年代到80年代初期 ，出现了一系列著 名的序列比较方法和生物信息分析方法 20世纪80年代以后，出现一批生物信息服务机 构和生物信息数据库 20世纪90年代后 ，HGP促进生物信息学的迅速 发展,2019/4/20,34,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： http:/www.ncbi.nlm.nih.gov/Education /BLASTinfo/milestones.html、 http:/www.biosino.or

10、g/bioinformatics/。,2019/4/20,35,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,9000,2%,2019/4/20,36,第三节 人类基因组计划和基因组信息学,1、人类基因组计划简介 人类基因组计划准备用15年时间，投入30亿美元，完成人类全部24条染色体的3109脱氧核苷酸对(bp)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录图谱的绘制)、测序和基因识别。其中还包括模式生物(如大肠杆菌、酵母、线虫、小鼠等)基因组的作图和测序，以及信息系统的建立。作图和测序是基本的任务，在此基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

11、,2019/4/20,37,基因组 一个物种中所有基因的整体组成,2019/4/20,38,人类基因组构成24条染色体和线粒体,2019/4/20,39,人类基因组计划的具体任务可以概括为建立四张图谱,遗传图谱 物理图谱 序列图谱 转录图谱,2019/4/20,40,2019/4/20,41,遗传图谱（genetic map）又称连锁图谱(linkage map)，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，在群体中的出现频率皆高于1%）的遗传标记为“路标”，以遗传学距离（在减数分裂事件中两个位点之间进行交换、重组的百分率，1%的重组率称为1cM）为图距的基因组图。遗传图谱的

12、建立为基因识别和完成基因定位创造了条件。,遗传图谱,2019/4/20,42,遗传连锁图：通过计算连锁的遗传标志之间的重组频率，确定它们的相对距离，一般用厘摩（cM，即每次减数分裂的重组 频率为1%） 表示。,2019/4/20,43,物理图谱,物理图谱（physical map）是指有关构成基因组的全部基因的排列和间距的信息，它是通过对构成基因组的DNA分子进行测定而绘制的。绘制物理图谱的目的是把有关基因的遗传信息及其在每条染色体上的相对位置线性而系统地排列出来。,2019/4/20,44,1998 年完成了具有52,000个序列标签位点(STS)，并覆盖人类基因组大部分区域的连续克隆系的物

13、理图谱。,敲碎基因组，分析研究内容所处的染色体位置,细菌人工染色体,（,80,300,kb,）,酵母人工染色体,（数百,2000,kb,）,中心粒,一对紧密,相邻的标志,一对相邻,较远的标志,染色体图,2019/4/20,45,序列图谱,随着遗传图谱和物理图谱的完成，测序就成为重中之重的工作。DNA序列分析技术是一个包括制备DNA片段化及碱基分析、DNA信息翻译的多阶段的过程。通过测序得到基因组的序列图谱,2019/4/20,46,大规模基因组测序,Megabace 测序仪,3700 测序仪,2019/4/20,47,大规模测序基本策略,逐个克隆法：对连续克隆系中排定的BAC克隆逐个进行亚克隆

14、测序并进行组装（公共领域测序计划） 全基因组鸟枪法：在一定作图信息基础上，绕过大片段连续克隆系的构建而直接将基因组分解成小片段随机测序，利用超级计算机进行组装（美国Celera公司）,2019/4/20,48,运用计算机软件进行序列拼接,2019/4/20,49,Francis Collins VS. J.Craig Venter,2019/4/20,50,转录图谱,转录图谱是在识别基因组所包含的蛋白质编码序列的基础上绘制的结合有关基因序列、位置及表达模式等信息的图谱。,2019/4/20,51,通过定位克隆技术寻找疾病基因的过程,2019/4/20,52,基因识别,基因识别（gene ide

15、ntification）是HGP的重要内容之一，其目的是识别全部人类的基因。 基因识别包括： 识别基因组编码区 识别基因结构 基因识别目前常采用的有二种方法： 从基因组序列中识别那些转录表达的DNA片段 从cDNA文库中挑取并克隆。,2019/4/20,53,模式生物,酵母,大肠杆菌,果蝇,线虫,老鼠,2019/4/20,54,人类基因组计划的实现对医学事 业的影响,对致病基因的克隆也是人类基因组计划的内容。 疾病与基因直接或间接相关，通过生物学、医学等技术对相关基因进行抑制或调控，即可达到治疗某一疾病的效果。 如果掌握了与某种疾病相关的基因及突变，则可以对该疾病进行预测、诊断，甚至治疗。,2

16、019/4/20,55,基因变异与疾病,2019/4/20,56,基因组多态性,2019/4/20,57,2019/4/20,58,人类基因组计划的实施意义,人类基因组计划为我们研究生物信息的组织、结构、遗传、表达带来了极大的方便，使人类对自身有一个根本的了解。 人类是最高级、最复杂、最重要的生物，如果搞清楚人类基因组，那么再研究其它的生物就容易得多。 研究多种模式生物基因组将有助于研究地球生物的进化史。,2019/4/20,59,5、我国对人类基因组计划的贡献,2019/4/20,60,又一次成功！ 水稻基因研究,袁隆平 杨焕明 江泽民 ,2019/4/20,61,2、人类基因组计划给生物信息