生物信息學(xué)技術(shù)

1、1生物信息學(xué)技術(shù)尹鐵球2 生物信息學(xué)概論生物信息學(xué)概論 生物信息學(xué)的定義生物信息學(xué)的定義 生物信息學(xué)研究的范疇生物信息學(xué)研究的范疇3一、生物信息學(xué)的定義一、生物信息學(xué)的定義生物信息學(xué)是結(jié)合了生物學(xué)和信息技術(shù)，利用生物信息學(xué)是結(jié)合了生物學(xué)和信息技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，分析海量的并且還在快計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，分析海量的并且還在快速積累的生物數(shù)據(jù)，從中獲取生物科學(xué)新知識(shí)速積累的生物數(shù)據(jù)，從中獲取生物科學(xué)新知識(shí)的一門(mén)新的交叉科學(xué)。的一門(mén)新的交叉科學(xué)。Half day on the web,half month in the lab.saves you- Alan BleasbyBioinform

2、atics56人類基因組計(jì)劃的意義人類基因組計(jì)劃的意義人類基因研究的意義在于它可以人類基因研究的意義在于它可以支持和推動(dòng)生命科學(xué)中支持和推動(dòng)生命科學(xué)中一系列重要的基礎(chǔ)性研究一系列重要的基礎(chǔ)性研究。如基因組遺傳語(yǔ)言的破譯，。如基因組遺傳語(yǔ)言的破譯，基因的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系，生命的起源和進(jìn)化，細(xì)胞發(fā)育、基因的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系，生命的起源和進(jìn)化，細(xì)胞發(fā)育、生 產(chǎn) 、 分 化 的 分 子 機(jī) 理 ， 疾 病 發(fā) 生 的 機(jī) 理 等 。生 產(chǎn) 、 分 化 的 分 子 機(jī) 理 ， 疾 病 發(fā) 生 的 機(jī) 理 等 。為推動(dòng)醫(yī)學(xué)長(zhǎng)足進(jìn)步帶來(lái)前所未有的機(jī)遇為推動(dòng)醫(yī)學(xué)長(zhǎng)足進(jìn)步帶來(lái)前所未有的機(jī)遇，基因診斷、，基因診斷、基

3、因療法和基因藥物的開(kāi)發(fā)，有可能成為未來(lái)醫(yī)學(xué)發(fā)展基因療法和基因藥物的開(kāi)發(fā)，有可能成為未來(lái)醫(yī)學(xué)發(fā)展的重要分支。的重要分支。人類基因組計(jì)劃的進(jìn)一步成功將人類基因組計(jì)劃的進(jìn)一步成功將促進(jìn)生命科學(xué)與信息科學(xué)促進(jìn)生命科學(xué)與信息科學(xué)、材料科學(xué)的融合、材料科學(xué)的融合，從而帶動(dòng)一批高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從而帶動(dòng)一批高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展7二、生物信息學(xué)研究的范疇二、生物信息學(xué)研究的范疇第一、各種生物數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和管理； 第二、研究高效率的統(tǒng)計(jì)工具，分析算法， 發(fā)展方便、快捷的分析程序； 第三、從海量的原始生物數(shù)據(jù)中發(fā)掘新知識(shí)。8 重要生物信息中心重要生物信息中心 重要生物信息數(shù)據(jù)庫(kù)重要生物信息數(shù)據(jù)庫(kù)第一節(jié)第一節(jié) 生物信息

4、數(shù)據(jù)庫(kù)生物信息數(shù)據(jù)庫(kù)2009-4-28數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)和發(fā)展數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)和發(fā)展GenomicGenomicExperimentalData WarehousePrepareddataPatternsKnowledgeExpert KnowledgeOften not explicitly implemented10 NCBI GenBankEBI EMBLNIG DDBJ核酸生物信息中心核酸生物信息中心&數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)11重要生物信息中心重要生物信息中心&數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù) 美國(guó)國(guó)家信息中心美國(guó)國(guó)家信息中心 (National Center of Biotechnology Information, NC

5、BI)的的GenBank (http:/ / /web/GenBank/index.html); 歐洲分子生物學(xué)室驗(yàn)室歐洲分子生物學(xué)室驗(yàn)室(European Molecular Biology Laboratory-European Bioinformatics Institute, EMBL-EBI) 的的EMBL (http:/ www.ebi.ac.uk/databases/index.html); 日本日本 DNA數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù) (DNA Data Bank of Japan, DDBJ) (http:/ / www.ddbj.nig.ac.jp/

6、 ) 12 最重要的蛋白質(zhì)氨基酸序列數(shù)據(jù)庫(kù)是瑞士的最重要的蛋白質(zhì)氨基酸序列數(shù)據(jù)庫(kù)是瑞士的SWISS- PROT (/sprot/); 蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)PIR(Protein Information Resource),包含包含 所有序列已知的自然界中野生型蛋所有序列已知的自然界中野生型蛋 白質(zhì)的信息白質(zhì)的信息 (); PDB蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)：收集由蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)：收集由X射線衍射和核磁共振射線衍射和核磁共振 技術(shù)測(cè)定的蛋白質(zhì)大分子三維結(jié)構(gòu)技術(shù)測(cè)定的蛋白質(zhì)大分子三維結(jié)構(gòu)(http:/www.rcsb.

7、org/pdb)。蛋白生物信息中心蛋白生物信息中心&數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)http:/http:/14數(shù)據(jù)庫(kù)查詢與檢索15第二節(jié)第二節(jié)16數(shù)據(jù)庫(kù)檢索工具數(shù)據(jù)庫(kù)檢索工具 Entrez檢索工具：檢索工具：Entrez是美國(guó)國(guó)家生物技術(shù)信息中心是美國(guó)國(guó)家生物技術(shù)信息中心（NCBI）提供的集成檢索工具）提供的集成檢索工具 /Entrez/ SRS（Sequence Retrieval System）檢索工具：是歐洲）檢索工具：是歐洲 分子生物學(xué)網(wǎng)分子生物學(xué)網(wǎng)EMBnet的主要數(shù)據(jù)庫(kù)檢索工具，可以從的主要數(shù)據(jù)庫(kù)檢索工具，可以從 EMBnet的主頁(yè)進(jìn)入。的主頁(yè)進(jìn)入

8、。 DBGET/LinkDB檢索工具：是日本京都工具大學(xué)建立的檢索工具：是日本京都工具大學(xué)建立的 GenomeNet數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)主要針對(duì)代謝途徑。數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)主要針對(duì)代謝途徑。 http:/www.genome.ad.jp/dbget/dbget_manual.html。17數(shù)據(jù)庫(kù)檢索工具數(shù)據(jù)庫(kù)檢索工具NCBI網(wǎng)頁(yè)的網(wǎng)頁(yè)的Entrez界面界面文獻(xiàn)檢索文獻(xiàn)檢索文獻(xiàn)檢索文獻(xiàn)檢索 PubMed是美國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)圖書(shū)館是美國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)圖書(shū)館(NLM)下下屬的國(guó)家生物技術(shù)信息中心屬的國(guó)家生物技術(shù)信息中心(NCBI)開(kāi)發(fā)的、開(kāi)發(fā)的、基于基于WWW的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢系統(tǒng)。的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢系統(tǒng)。PubMed的

9、網(wǎng)址：的網(wǎng)址：/pubmed特點(diǎn)：收錄范圍廣、內(nèi)容全、檢索途徑多、檢特點(diǎn)：收錄范圍廣、內(nèi)容全、檢索途徑多、檢索體系完備，可少部分獲取原文。索體系完備，可少部分獲取原文。文獻(xiàn)檢索文獻(xiàn)檢索核酸數(shù)據(jù)分析核酸數(shù)據(jù)分析21第三節(jié)第三節(jié)22OUTLINE 核酸序列的基本分析核酸序列的基本分析 核酸序列的比對(duì)分析和功能預(yù)測(cè)核酸序列的比對(duì)分析和功能預(yù)測(cè) 開(kāi)放閱讀框的分析開(kāi)放閱讀框的分析 引物設(shè)計(jì)引物設(shè)計(jì) 向數(shù)據(jù)庫(kù)提交序列向數(shù)據(jù)庫(kù)提交序列23一、核酸序列的基本分析一、核酸序列的基本分析 核酸序列的分子量、堿基組成、堿基分布等基本分析：核酸序列的分子量、堿基組成

10、、堿基分布等基本分析： BioEdit (/BioEdit/bioedit.html) DNAMAN (http:/ 限制性酶切分析限制性酶切分析 ：限制性酶數(shù)據(jù)庫(kù)：限制性酶數(shù)據(jù)庫(kù)(Restriction Enzyme DataBase,REBASE) (http:/ ; http:/ 測(cè)序峰圖的查看、核實(shí)與修改測(cè)序峰圖的查看、核實(shí)與修改 :Chromas,BioEdit,DNAMAN 測(cè)序結(jié)果需要識(shí)別與去除測(cè)序時(shí)使用的載體序列測(cè)序結(jié)果需要識(shí)別與去除測(cè)序時(shí)使用的載體序列 ： VecScreen ( http:/www.ncbi.nlm.nih.go

11、v/VecScreen.html) 24一、核酸序列的基本分析一、核酸序列的基本分析對(duì)核酸序列進(jìn)行電子基因定位對(duì)核酸序列進(jìn)行電子基因定位 ：利用序列標(biāo)簽位點(diǎn)利用序列標(biāo)簽位點(diǎn)(Sequence Tagged Site, STS); 利用利用UniGene數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行基因電子定位數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行基因電子定位; 直接利用基因組序列進(jìn)行基因電子定位。直接利用基因組序列進(jìn)行基因電子定位。 25 NCBI網(wǎng)頁(yè)的網(wǎng)頁(yè)的Map Viewer界面界面程序名稱查詢序列搜索的數(shù)據(jù)庫(kù)BLASTN核酸核酸BLASTP蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)BLASTX核酸的六讀框蛋白質(zhì)TBLASTN蛋白質(zhì)核酸的6個(gè)讀框TBLASTX核酸的6個(gè)讀框核酸的6

12、個(gè)讀框26二、核酸序列的比對(duì)分析和功能預(yù)測(cè)二、核酸序列的比對(duì)分析和功能預(yù)測(cè)BLAST （Basic Local Alignment Search Tool）是）是基本局域聯(lián)配搜索工具；基本局域聯(lián)配搜索工具；Blast 功能有：功能有：2728NCBI網(wǎng)頁(yè)的網(wǎng)頁(yè)的BLAST界面界面29303132NCBI網(wǎng)頁(yè)的網(wǎng)頁(yè)的BLAST2 SEQUENCES界面界面333435二、核酸序列的比對(duì)分析和功能預(yù)測(cè)二、核酸序列的比對(duì)分析和功能預(yù)測(cè) FASTA：根據(jù)用戶提交的單個(gè)序列進(jìn)行：根據(jù)用戶提交的單個(gè)序列進(jìn)行 數(shù)據(jù)庫(kù)搜索比對(duì)的程序。數(shù)據(jù)庫(kù)搜索比對(duì)的程序。 網(wǎng)上服務(wù)器和電子郵件服務(wù)：網(wǎng)上服務(wù)器和電子郵件服務(wù)：

13、 http:/www.ebi.ac.uk/ mailto: fastaebi.ac.uk http:/www.fasta.genome.ad.jp mailto: fastanig.ac.jp36二、核酸序列的比對(duì)分析和功能預(yù)測(cè)二、核酸序列的比對(duì)分析和功能預(yù)測(cè)進(jìn)行多序列聯(lián)配進(jìn)行多序列聯(lián)配 ：ClustalW: http:/www.ebi.ac.uk/clustalw/index.html， /soft/molbio/align/clustal/， ftp:/ftp.ebi.ac.uk/pub/software/dos/clustalw。Cl

14、ustalX: CluastalW程序的程序的UNIX版本，它使用版本，它使用X窗口圖形界面，窗口圖形界面， ftp:/ftp.ebi.ac.uk/pub/software ftp:/ftp-igbmc.u-strassbg.fr/pub/clustalX。對(duì)聯(lián)配結(jié)果進(jìn)一步編輯，形成適于發(fā)表的形式，可用的軟件有：對(duì)聯(lián)配結(jié)果進(jìn)一步編輯，形成適于發(fā)表的形式，可用的軟件有：SeaView: ftp:/biom3.univ-lyon1.frBOXSHADE: /software/box_form.html)CINEMA: http:/www.bioinf.

15、man.ac.uk/dbbrowser/cinema2.1/cinema2hdr.html37第五節(jié)第五節(jié) 核酸序列分析核酸序列分析三、開(kāi)讀框的分析三、開(kāi)讀框的分析GT-AG法則法則：外顯子與內(nèi)含子之間的連接區(qū)序列高度保守，如大部分內(nèi)含子5端起始的兩個(gè)堿基是GT，3端最后兩個(gè)堿基是AG。 基因識(shí)別軟件，常用的有：ORF Finder (/gorf/gorf.html )GRAIL (/grainbin/ )GeneFinder (http:/genomic.sanger.ac.uk )Glimmer

16、(/labs/compbio/glimmer.html/ )GenScan (/genscan.html )GeneLang (/genlang/)38用用GeneFinde進(jìn)行開(kāi)放閱讀框分析進(jìn)行開(kāi)放閱讀框分析39用用GeneFinde進(jìn)行開(kāi)放閱讀框分析進(jìn)行開(kāi)放閱讀框分析40四、引物設(shè)計(jì)四、引物設(shè)計(jì)Primer Premier軟件軟件:http:/ Primer5軟件軟件:/cgi-bin/primer/primer

17、5Oligo、Vector NT、Omiga等等41五、向數(shù)據(jù)庫(kù)提交核酸序列五、向數(shù)據(jù)庫(kù)提交核酸序列 向向EMBL提交數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)表格可參見(jiàn)：提交數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)表格可參見(jiàn)： http:/www.ebi.ac.uk/subs/emblsubs.tml 向向GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)提交核酸序列可聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)提交核酸序列可聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行 /GenBank/index.html 也可用也可用Sequin軟件制作好序列提交文件，向軟件制作好序列提交文件，向NCBI 發(fā)送發(fā)送E-mail()提交提交 4243第六節(jié)第六節(jié) 蛋

18、白質(zhì)序列分析蛋白質(zhì)序列分析 蛋白質(zhì)基本性質(zhì)分析蛋白質(zhì)基本性質(zhì)分析 蛋白質(zhì)功能預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)功能預(yù)測(cè) 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè) 蛋白質(zhì)分子進(jìn)化分析蛋白質(zhì)分子進(jìn)化分析44一、蛋白質(zhì)基本性質(zhì)分析一、蛋白質(zhì)基本性質(zhì)分析 蛋白質(zhì)的氨基酸組成、分子量、等電點(diǎn)等方面的分析蛋白質(zhì)的氨基酸組成、分子量、等電點(diǎn)等方面的分析 : OMIGA、DNAMAN、BioEdit、MacVector等等 蛋白質(zhì)疏水性分析蛋白質(zhì)疏水性分析 ：ProtScale， /cgi-bin/protscale.pl 預(yù)測(cè)跨膜區(qū)預(yù)測(cè)跨膜區(qū) ： http:/genome.cbs.dtu.dk/serv

19、ices/TMHMM-2.0/ /software/TMPRED_form.html http:/www.emblheidelberg.de/services/sander/predictprotein ftp:/ftp.biochem.ucl.ac.uk。4546474849用用TMHMM 軟件預(yù)測(cè)的軟件預(yù)測(cè)的SARS-CoV 的的E蛋白的跨膜區(qū)蛋白的跨膜區(qū)50第六節(jié)第六節(jié) 蛋白質(zhì)序列分析蛋白質(zhì)序列分析一、蛋白質(zhì)基本性質(zhì)分析一、蛋白質(zhì)基本性質(zhì)分析預(yù)測(cè)信號(hào)肽：預(yù)測(cè)信號(hào)肽：http:/genome.cbs.dtu.dk/services/Signal

20、P/ 蛋白質(zhì)亞細(xì)胞定位蛋白質(zhì)亞細(xì)胞定位 ：http:/predict.sanger.ac.uk/nnpsl/51預(yù)測(cè)信號(hào)肽預(yù)測(cè)信號(hào)肽52預(yù)測(cè)信號(hào)肽預(yù)測(cè)信號(hào)肽53蛋白質(zhì)亞細(xì)胞定位蛋白質(zhì)亞細(xì)胞定位54蛋白質(zhì)亞細(xì)胞定位蛋白質(zhì)亞細(xì)胞定位55二、蛋白質(zhì)功能預(yù)測(cè)二、蛋白質(zhì)功能預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)序列分析和功能預(yù)測(cè)的一般流程蛋白質(zhì)序列分析和功能預(yù)測(cè)的一般流程 56二、蛋白質(zhì)功能預(yù)測(cè)二、蛋白質(zhì)功能預(yù)測(cè)磷酸化位點(diǎn)、糖基化位點(diǎn)，特殊的結(jié)構(gòu)區(qū)（磷酸化位點(diǎn)、糖基化位點(diǎn)，特殊的結(jié)構(gòu)區(qū)（motif）的分析：）的分析：PROSITE: /prosite/BLOCKS: http:/www.bl

21、/blocks/PFAM: http:/www.sanger.ac.uk/software/pfam/PESCAN: http:/www.isrec.isb-sib.ch/software/pfscanInterProScan: http:/www.ebi.ac.uk/interpro/scan.htmlSMART: http:/smart.embl-heidberg.de/ 57三、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)三、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè) 蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)PDB(Protein Data Bank): (/microbio/rasmol) PDBFinder (http:/www.sander.embl-heideberg.de/pdbfinder) 蛋白質(zhì)分子模型數(shù)據(jù)庫(kù)蛋白質(zhì)分子模型數(shù)據(jù)庫(kù)(Molecular Modeling Database); 三維結(jié)構(gòu)顯示程序三維結(jié)構(gòu)顯示程序Cn3D (http:/www.ncbi