華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生物信息學(xué)課件Bioinf01

1、第一章第一章生物信息學(xué)的發(fā)展和研究?jī)?nèi)容生物信息學(xué)的發(fā)展和研究?jī)?nèi)容生物信息學(xué)1、什么是生物信息學(xué)？、什么是生物信息學(xué)？u 生物信息學(xué)是信息科學(xué)領(lǐng)域和生命科學(xué)領(lǐng)域生物信息學(xué)是信息科學(xué)領(lǐng)域和生命科學(xué)領(lǐng)域的一門新興的的一門新興的交叉學(xué)科交叉學(xué)科。u 以計(jì)算機(jī)為主要工具，以以計(jì)算機(jī)為主要工具，以大量大量生物數(shù)據(jù)庫和生物數(shù)據(jù)庫和分析軟件為基礎(chǔ)分析軟件為基礎(chǔ)u 采用數(shù)理和信息科學(xué)的理論、技術(shù)和方法，采用數(shù)理和信息科學(xué)的理論、技術(shù)和方法，分析生物學(xué)數(shù)據(jù)，研究生命現(xiàn)象的一門科學(xué)分析生物學(xué)數(shù)據(jù)，研究生命現(xiàn)象的一門科學(xué)u 為人類揭示生命的奧秘提供了一條新的途徑為人類揭示生命的奧秘提供了一條新的途徑u 解決生物學(xué)問題

2、為目標(biāo)解決生物學(xué)問題為目標(biāo)生物信息學(xué)是聯(lián)系各個(gè)生物學(xué)科的橋梁生物信息學(xué)是聯(lián)系各個(gè)生物學(xué)科的橋梁 1500 databases/nar/database/c/c/Watson and Crick DNA modelSanger sequences insulin proteinSanger dideoxy DNA sequencingPCR (Polymerase Chain Reaction)1955196019651970197519801985ARPANET (early Internet)PDB (Protein Data Bank

3、)Sequence alignmentGenBank databaseDayhoffs Atlas2、生物信息學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史、生物信息學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史199519902000SWISS-PROT databaseNCBIWorld Wide WebBLASTFASTAEBIHuman Genome InitiativeFirst human genome draftFirst bacterial genomeYeast genome2、生物信息學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史、生物信息學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史Human genome project (HGP)u生物信息學(xué)學(xué)科的迅速發(fā)展在生物信息學(xué)學(xué)科的迅速發(fā)展在1990年代年代ident

4、ify all the approximately 20,000-25,000 genes in human DNA,determine the sequences of the 3 billion chemical base pairs that make up human DNA, store this information in databases, improve tools for data analysis, transfer related technologies to the private sector,address the ethical, legal, and so

5、cial issues (ELSI) that may arise from the project. Goals主要高通量技術(shù)的發(fā)展歷程主要高通量技術(shù)的發(fā)展歷程生物信息技術(shù)的熱門研究領(lǐng)域生物信息技術(shù)的熱門研究領(lǐng)域人基因組測(cè)序費(fèi)用Towards a Paradigm Shift in BiologyWalter Gilbert, Nature 349:99 (1991) The new paradigm, now emerging, is that all “genes” will be known (in the sense of being resident in databases av

6、ailable electronically), and that the starting point of a biological investigation will be theoretical. An individual scientist will begin with a theoretical conjecture, only then turning to experiments to follow or to test that hypothesis.In vivoIn vitroIn silico 生物信息學(xué)是伴隨著生物信息學(xué)是伴隨著生命科學(xué)生命科學(xué)的發(fā)展而出的發(fā)展而

7、出現(xiàn)的，并且隨著現(xiàn)的，并且隨著生命科學(xué)與技術(shù)生命科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展而的發(fā)展而不斷發(fā)展不斷發(fā)展 生命科學(xué)的現(xiàn)狀：生命科學(xué)的現(xiàn)狀：Observing & Recording 生命科學(xué)的未來：生命科學(xué)的未來：Designing & Creating，離不開生物信息學(xué)離不開生物信息學(xué)啟示3、生物信息學(xué)的基本方法和技術(shù)、生物信息學(xué)的基本方法和技術(shù)u 建立生物數(shù)據(jù)庫建立生物數(shù)據(jù)庫v 各種公共數(shù)據(jù)庫各種公共數(shù)據(jù)庫v 本地化數(shù)據(jù)庫本地化數(shù)據(jù)庫u 數(shù)據(jù)庫檢索數(shù)據(jù)庫檢索v 各種數(shù)據(jù)檢索工具的開發(fā)和使用各種數(shù)據(jù)檢索工具的開發(fā)和使用 Entrez檢索體系檢索體系 BLAST檢索體系檢索體系3、生物信息學(xué)

8、的基本方法和技術(shù)、生物信息學(xué)的基本方法和技術(shù)u 生物大分子序列分析生物大分子序列分析v Homologous sequence analysis（同源序列分析）（同源序列分析）v Multiple sequence alignment （多序列對(duì)位排列）（多序列對(duì)位排列） Phylogenetic analysis（進(jìn)化分析）v 基因結(jié)構(gòu)、功能分析基因結(jié)構(gòu)、功能分析Mapping (ePCR)、Exon/Intron、Promoter、Regulatory regionsv 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、功能分析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、功能分析Motif、3-D structure、post-translational m

9、odification、interactions3、生物信息學(xué)的基本方法和技術(shù)、生物信息學(xué)的基本方法和技術(shù)u統(tǒng)計(jì)概率模型統(tǒng)計(jì)概率模型vHidden Markov model（HMM，隱馬爾可夫模型），隱馬爾可夫模型） 基因識(shí)別和藥物設(shè)計(jì)基因識(shí)別和藥物設(shè)計(jì)vMaximum likelihood model（最大似然模型）（最大似然模型） 序列進(jìn)化分析序列進(jìn)化分析vBayesian network（貝葉斯網(wǎng)絡(luò)）（貝葉斯網(wǎng)絡(luò)） 調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建u程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)vC/C+, Python, Perl, Rhttp:/ 收集、整理、儲(chǔ)存、加工、發(fā)布和收集、整理、儲(chǔ)存、加工、發(fā)布和分析生物學(xué)數(shù)據(jù)

10、分析生物學(xué)數(shù)據(jù)u 發(fā)展新的數(shù)理和信息科學(xué)的技術(shù)發(fā)展新的數(shù)理和信息科學(xué)的技術(shù)和方法用于管理和分析生物數(shù)據(jù)和方法用于管理和分析生物數(shù)據(jù)（數(shù)理和信息科學(xué)工作者，（數(shù)理和信息科學(xué)工作者，IT人士）人士）（生物工作者，（生物工作者，BT人士）人士）5、生物信息學(xué)的應(yīng)用、生物信息學(xué)的應(yīng)用u 基礎(chǔ)研究基礎(chǔ)研究v 分子生物學(xué)研究的重要手段之一分子生物學(xué)研究的重要手段之一v 信息的查找、分析、解釋及獲得結(jié)論信息的查找、分析、解釋及獲得結(jié)論u 藥物開發(fā)（藥物開發(fā)（Pharmaceutical Bioinformatics） v 新藥篩選新藥篩選v 藥靶設(shè)計(jì)藥靶設(shè)計(jì)v 分子藥理學(xué)研究分子藥理學(xué)研究5、生物信息學(xué)的應(yīng)

11、用、生物信息學(xué)的應(yīng)用u疾病診斷疾病診斷v利用疑難病癥的病原利用疑難病癥的病原DNA序列診斷疾病序列診斷疾病v遺傳病遺傳病u其他其他v環(huán)境監(jiān)測(cè)環(huán)境監(jiān)測(cè) (Metagenomics)v進(jìn)化分析進(jìn)化分析5、生物信息學(xué)的應(yīng)用、生物信息學(xué)的應(yīng)用序列拼接序列拼接 Sequence assemblyBioinformatics: computational analysis of genomics data Human Chromosome 6基因組注釋基因組注釋 Genome annotation5、生物信息學(xué)的應(yīng)用、生物信息學(xué)的應(yīng)用CCTGACAAATTCGACGTGCGGCATTGCATGCAGACG

12、TGCATGCGTGCAAATAATCAATGTGGACTTTTCTGCGATTATGGAAGAACTTTGTTACGCGTTTTTGTCATGGCTTTGGTCCCGCTTTGTTCAGAATGCTTTTAATAAGCGGGGTTACCGGTTTGGTTAGCGAGAAGAGCCAGTAAAAGACGCAGTGACGGAGATGTCTGATG CAATAT GGA CAA TTG GTT TCT TCT CTG AAT . TGAAAAACGTA TF binding sitepromoterRibosome binding SiteORF = Open Reading FrameCDS =

13、 Coding SequenceTranscription Start SiteFunctionalgenomicsGenome-wide profiling of: mRNA levels Protein levelsCo-expression of genesand/or proteinsIdentifying protein-protein interactionsNetworks of interactions5、生物信息學(xué)的應(yīng)用、生物信息學(xué)的應(yīng)用5、生物信息學(xué)的應(yīng)用、生物信息學(xué)的應(yīng)用功能基因組功能基因組Functional genomicsAmin AR (2003) Arthrit

14、is Res. Ther. 5:76-79Synteny between Human chromosome 6 and MouseGene locationGene structure Exon number Exon lengths Intron lengths Sequence similarityGene characteristics Splice sites Codon usage Conserved synteny5、生物信息學(xué)的應(yīng)用、生物信息學(xué)的應(yīng)用比較基因組比較基因組ComparativegenomicsGenomics, Transcriptomics, Proteomics

15、, Metabolomics5、生物信息學(xué)的應(yīng)用、生物信息學(xué)的應(yīng)用OmicsXenopus MALWMQCLP-LVLVLLFSTPNTEALANQHLBos MALWTRLRPLLALLALWPPPPARAFVNQHL * : * *.*: *:.* :. *:*Xenopus CGSHLVEALYLVCGDRGFFYYPKIKRDIEQBos CGSHLVEALYLVCGERGFFYTPKARREVEG *:* * :*:*Xenopus AQVNGPQDNELDG-MQFQPQEYQKMKRGIVBos PQVG-ALELAGGPGAGGLEGPPQKRGIV .*. * * * *Xe

16、nopus EQCCHSTCSLFQLENYCNBos EQCCASVCSLYQLENYCN * *.*:*5、生物信息學(xué)的應(yīng)用、生物信息學(xué)的應(yīng)用Molecular evolutionSmith et al. (2009) Nature 459, 1122-25 Origins and evolutionary genomics of the 2009 swine-origin H1N1 influenza A epidemicAnalysis of gene expression5、生物信息學(xué)的應(yīng)用、生物信息學(xué)的應(yīng)用FilteringBackground correctionNormaliz

17、ationSummarizationImputationHeat mapAnalysis of regulationToledo and Bardot (2009) Nature 460, 466-4675、生物信息學(xué)的應(yīng)用、生物信息學(xué)的應(yīng)用Molecular docking5、生物信息學(xué)的應(yīng)用、生物信息學(xué)的應(yīng)用Protein structure prediction新藥研制的兩大瓶頸新藥研制的兩大瓶頸1. 靶標(biāo)生物大分子的確定及驗(yàn)證靶標(biāo)生物大分子的確定及驗(yàn)證2. 具有生物活性的小分子藥物的設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)具有生物活性的小分子藥物的設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)Phmaceutical5、生物信息學(xué)的應(yīng)用、生物信息學(xué)的

18、應(yīng)用COMPUTER-AIDED DRUG DISCOVERY 傳統(tǒng)流程傳統(tǒng)流程改進(jìn)流程改進(jìn)流程時(shí)間、金錢時(shí)間、金錢5、生物信息學(xué)的應(yīng)用、生物信息學(xué)的應(yīng)用Pharmaceutical Bioinformatics5、生物信息學(xué)的應(yīng)用、生物信息學(xué)的應(yīng)用分子育種分子育種6、本課程主要內(nèi)容、本課程主要內(nèi)容u 檢索數(shù)據(jù)庫檢索數(shù)據(jù)庫v 序列數(shù)據(jù)的檢索和分析序列數(shù)據(jù)的檢索和分析v 比較基因組學(xué)比較基因組學(xué)（comparative genomics）v 進(jìn)化分析進(jìn)化分析v 文字?jǐn)?shù)據(jù)（文獻(xiàn)）的檢索文字?jǐn)?shù)據(jù)（文獻(xiàn)）的檢索v 序列（序列（DNA、蛋白質(zhì)）數(shù)據(jù)的檢索、蛋白質(zhì)）數(shù)據(jù)的檢索v 其他（表達(dá)譜、三維結(jié)構(gòu)、網(wǎng)

19、絡(luò)圖等）數(shù)據(jù)的檢索其他（表達(dá)譜、三維結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)圖等）數(shù)據(jù)的檢索u 分析和解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（核苷酸和蛋白質(zhì)序列）分析和解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（核苷酸和蛋白質(zhì)序列）利用國(guó)際上共享的數(shù)據(jù)庫和分析軟件利用國(guó)際上共享的數(shù)據(jù)庫和分析軟件7、上機(jī)操作、上機(jī)操作初步了解初步了解Internet上的數(shù)據(jù)庫和分析工具上的數(shù)據(jù)庫和分析工具/nar/database/c/ Sequences (DNA, protein) Genomics Mutation/polymorphism Protein domain/family Proteomics (2D gel, Mass

20、Spectrometry) 3D structure Metabolic networks Regulatory networks Bibliography Expression (Microarrays,) Specialized7、上機(jī)操作、上機(jī)操作自自學(xué)學(xué)課程課程 /Education http:/www.ebi.ac.uk/training/online/8、作業(yè)（占課程總成績(jī)、作業(yè)（占課程總成績(jī)12分）分）請(qǐng)介紹本年度請(qǐng)介紹本年度NAR數(shù)據(jù)庫?？臄?shù)據(jù)庫專刊的1個(gè)數(shù)據(jù)庫個(gè)數(shù)據(jù)庫 本課件所在目錄下本課件所在目錄下NARDatabase2016.htm已列出該刊的所有文已列出該刊的所有文章鏈接，并已編號(hào)章鏈接，并已編號(hào) 作業(yè)一：要求作業(yè)一