生物信息学绪论 (2)课件

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1、1,2019/4/20,生物信息学,主讲教师: 万珊,2,2019/4/20,参考文献,1、生物信息学概论 罗静初 北京大学 北京大学出版社 2、生物信息学 D.R. Westhead 科学出版社 3、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 4、生物信息学中的计算机技术 孙超 中国电力出版社 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,3,2019/4/20,第一章 绪论,2019/4/20,4,简介,生物信息学的概念及研究对象 生物信息学的发展历史 人类基因组计划和基因组信息学 生物信息学主

2、要研究内容 生物信息学的应用,2019/4/20,5,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,2019/4/20,6,1、 生物信息学概念及研究对象,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,2019/4/20,7,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信息,信息科学,生 命 科 学 中 的 信 息 科 学,2019/4/20,8,概念（狭义）,深层次 生物学知识,分子生物信息学 Molecular B

3、ioinformatics,挖掘,获取,生物分子信息的获取、存贮、分析和利用,生物 分子数据,2019/4/20,9,Bioinformatics,2019/4/20,10,高性能计算服务器，图形工作站,2019/4/20,11,高端的计算集群,2019/4/20,12,高度灵活的可扩展的计算集群,2019/4/20,13,2019/4/20,14,生物信息学主要研究两种信息载体 DNA分子 蛋白质分子,2019/4/20,15,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,16,2019/4/20,(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

4、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,17,2019/4/20,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,2019/4/20,18,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,2019/4/20,19,(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

5、息隐含在蛋白质序列之中。,2019/4/20,20,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,2019/4/20,21,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 生物分子信息之间存在着密切的联系,2019/4/20,22,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,2

6、019/4/20,23,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,2019/4/20,24,20世纪50年代，生物信息学开始孕育 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/

7、4/20,25,生物信息学发展现状,PubMed中与生物信息学相关论文统计,9000,2%,2019/4/20,26,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。其中还包括模型生物(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,2019/4/20,27,模式生物,酵母,大肠杆菌,

8、果蝇,线虫,老鼠,2019/4/20,28,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),20世纪 三大科学计划,2019/4/20,29,1961年，美国总统Kennedy提出两个科学计划： 登月计划 攻克肿瘤计划 人类遗传信息的复杂性,人类基因组计划 (HGP，Human Genome Project) 目标：整体上破解人类遗传信息的奥秘,“我们选择登月” (1962年Kennedy在Rice大学演讲),为什么提出HGP？,2019/4/20,30,1984.12 犹他州阿尔塔组织会议，初步研讨测定人类整个基 因组DNA序

9、列的意义 1986.3 杜尔贝科(Dulbecco )在Science撰文 “肿瘤研 究的转折点:人类基因组的测序” 美国能源部(DOE)提出“人类基因组计划”草案 1987 美国能源部和国家卫生研究院（NIH）联合为“人类 基因组计划”下拨启动经费约550万美元 1989 美国成立“国家人类基因组研究中心”，Watson担任 第一任主任 1990.10 经美国国会批准，人类基因组计划正式启动,James Watson,Walter Gilbert,HGP 历史回顾,2019/4/20,31,HGP的最初目标通过国际合作，用15年时间(19902005)至少投入30亿美元，构建详细的人类基因组

10、遗传图和物理图，确定人类DNA的全部核苷酸序列，定位约10万基因，并对其它生物进行类似研究。 4张图：遗传图 物理图 序列图 基因图 HGP的终极目标 阐明人类基因组全部DNA序列； 识别基因； 建立储存这些信息的数据库； 开发数据分析工具； 研究HGP实施所带来的伦理、法律和社会问题。,2019/4/20,32,1995 第一个自由生物体流感嗜血菌(H. inf)的全基因组测序完成 1996 完成人类基因组计划的遗传作图 启动模型生物基因组计划,H.Inf 全基因组,Saccharomyces cerevisiae 酿酒酵母,Caenorhabditis elegans 秀丽线虫,2019/

11、4/20,33,1997 大肠杆菌(E. coli)全基因组测序完成 1998 完成人类基因组计划的物理作图 开始人类基因组的大规模测序 赛立拉（Celera）公司加入，与公共领域竞争 启动水稻基因组计划 1999.7 第5届国际公共领域人类基因组测序会议，加快测序速度,大肠杆菌及其全基因组,水稻基因组计划,2019/4/20,34,2000 Celera公司宣布完成果蝇基因组测序 国际公共领域宣布完成第一个植物基因组拟南芥全基 因组的测序工作 2000.6.26 公共领域和Celera公司同时宣布完成人类基因组工作草图 2001.2.15 Nature刊文发表国际公共领域结果 2001.2.

12、16 Science刊文发表Celera公司及其合作者结果,Drosophila melanogaster 果蝇,Arabidopsis thaliana 拟南芥,2019/4/20,35,2001年8月26日 人类基因组“中国卷”的绘制工作宣告完成。 2002年 水稻、小鼠、疟原虫等基因组测序完成 2003年4月14日 中、美、日、德、法、英等6国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现。 2004年10月人类基因组完成图公布。,2019/4/20,36,（http:/www.ebi.ac.uk/genomes/，2007年2月）,已完成测序的3,000多个基因组

13、,2019/4/20,37,1、大协作研究： 以学科为中心, 以问题为中心，多学科合作,2、研究的计划性和有序性： 各方共同参与，制定更科学、更全面的研究计划,4、政府与国家的作用： 美：领导与推动 英：始于1989年2月，贡献为1/3左右 法：始于1990年6月，贡献为3左右 日：始于1990年，贡献为7左右 德：始于1995年，贡献为7左右 中：始于1999年9月，贡献为1左右,3、商业竞争促进基础研究： 1998年Celera公司的加入,HGP的研究特色,2019/4/20,38,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

14、，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。,2019/4/20,39,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。,2019/4/20,40,又一次成功！ 水稻基因研究,2019/4/20,41,第四节 生物信息学主要研究内容,1、 序列比对 2、 基

15、因预测 3、 药物（配体）设计 4、蛋白质结构预测 5、基因调控网络的预测 6、蛋白质相互作用预测 7、分子进化分析,2019/4/20,42,1、 数据库搜索及序列比较,搜索同源序列在一定程度上就是通过序列比较寻找相似序列 序列比较的一个基本操作就是比对（Alignment），即将两个序列的各个字符（代表核苷酸或者氨基酸残基）按照对应等同或者置换关系进行对比排列，其结果是两个序列共有的排列顺序，这是序列相似程度的一种定性描述 多重序列比对研究的是多个序列的共性。序列的多重比对可用来搜索基因组序列的功能区域，也可用于研究一组蛋白质之间的进化关系。,2019/4/20,43,发现同源分子,201

16、9/4/20,44,2、 基因预测,遗传语言分析 基因组结构分析 基因识别 基因功能注释,2019/4/20,45,3、药物设计,46,2019/4/20,生物信息学与新药研制,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,针对靶目标 进行合理的 药物设计,2019/4/20,47,4、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。 蛋白质结构预测分为: 二级结构预测 空间结构预测,蛋白质折叠,2019/4/20,48,二级结构预测,在一定程度上二级结构的预测可以归结为模式识别问题 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