生物信息學(xué)教學(xué)課件-2

1、生物信息學(xué)第一章 緒論毛理凱初步計(jì)劃講授內(nèi)容緒論生物信息學(xué)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)生物信息學(xué)資源與數(shù)據(jù)挖掘工具DNA序列分析分子系統(tǒng)發(fā)育分析基因組分析蛋白質(zhì)組分析數(shù)學(xué)模型2本課目錄當(dāng)今生命科學(xué)展望生物信息學(xué)簡介發(fā)展現(xiàn)狀3一、當(dāng)今生命科學(xué)展望4基因數(shù)據(jù)的快速增長5為什么這么快Sanger, UK6已完成測序的基因組(EBI)病毒(virus)1639包括多種流感病毒, HIV, SARS冠狀病毒等類病毒(viroid)46主要是植物病毒質(zhì)粒(plasmid)627主要提自細(xì)菌中噬菌體(phage)469細(xì)胞器(organelle)1510如線粒體、葉綠體古細(xì)菌(archaea)54細(xì)菌(bacteria)6

2、94真核生物(eukaryota)78包括草履蟲、瘧原蟲、弓形蟲、酵母、線蟲、果蠅、海藻、水稻、雞、鼠、狗、人、黑猩猩等2008.97測序進(jìn)展GenBank中已超過2000億堿基對(duì)速度目前速度: 10天一個(gè)基因組(細(xì)菌)目標(biāo): 1天一個(gè)基因組價(jià)格目前價(jià)格: 10000美元(細(xì)菌)目標(biāo): 1000美元趨勢: 過去十幾年,每2年半價(jià)微小化、并列化: 數(shù)千到數(shù)十萬well多目標(biāo)化: 腸內(nèi)幾十上百種微生物、土壤中全部微生物同時(shí)測序最小基因組研究、基因組人工合成8蛋白數(shù)據(jù)增長(PDB)9反應(yīng)通路(KEGG)glycolysis pathway(糖酵解)京都基因與基因組百科全書(Kyoto Encyclo

3、pedia of Genes and Genomes)10全細(xì)胞通路11人類基因組計(jì)劃(1) 人類三大計(jì)劃曼哈頓原子彈計(jì)劃(1942-46)阿波羅登月計(jì)劃(1961-69)人類基因組計(jì)劃(1990-2003)12人類基因組計(jì)劃(2)http:/sci/techresources/Human_Genome/home.shtml人類基因組計(jì)劃(Human Genome Project, HGP)由美國能源部(Department of Energy, DOE)和美國國立衛(wèi)生研究院(National Institutes of Health, NIH)組織完成1990年10月開始,2003年4月完成

4、(1953雙螺旋)參與國:美、英、日、法、德、中并沒有完成測序(2006.5完成)13人類基因組計(jì)劃(3) 超額完成目標(biāo)領(lǐng)域目標(biāo)實(shí)際達(dá)到完成時(shí)間完成時(shí)間15年13年2003.4遺傳圖2-5厘摩,600-1500個(gè)標(biāo)記1厘摩,3000標(biāo)記1994.9物理圖30000 STS52000 STS1998.10DNA序列95%含基因序列,99.99%99%,99.99%精確2003.4測序速度和費(fèi)用500 Mb/年, 1400 Mb/年, 0.09 美元/bp2002.11序列變異10萬SNP3.7百萬SNP2003.2基因識(shí)別全長cDNA15000全長cDNA2003.3模式生物大腸桿菌、酵母菌、線

5、蟲(C)、果蠅(D)基因組序列除完成上述,C. briggsae, D. pseudoobscura,大小鼠草圖2003.4功能分析發(fā)展基因組水平的技術(shù)高通量寡核苷酸合成、DNA微陣列、酵母全基因組水平敲除、蛋白雙雜交1994, 1996, 1999,200214生命科學(xué)的發(fā)展趨勢和熱點(diǎn)發(fā)展趨勢系統(tǒng)生物學(xué): 微觀還原,系統(tǒng)統(tǒng)一生物學(xué)(General Biology)生物技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化熱點(diǎn)生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能研究基因組與細(xì)胞的研究腦科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)研究行為科學(xué)研究關(guān)于遺傳、發(fā)育、分化、進(jìn)化的綜合理論研究生態(tài)環(huán)保研究15物理學(xué)的發(fā)展對(duì)生命科學(xué)的啟示17世紀(jì)18世紀(jì)19世紀(jì)20世紀(jì)21世紀(jì)經(jīng)典物理學(xué)應(yīng)

6、用物理現(xiàn)代物理物理學(xué)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累公式化機(jī)械論完善相對(duì)論、量子力學(xué)非線性物理、復(fù)雜系統(tǒng)生命科學(xué)農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥實(shí)踐分類、解剖研究進(jìn)化理論遺傳學(xué)、分子生物學(xué)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累公式化？博物學(xué)近代生物學(xué)現(xiàn)代生物學(xué)21世紀(jì)的生物學(xué)16二、生物信息學(xué)簡介17什么是生物信息學(xué)(1)bioinformatics= bio + informatics 生物 信息學(xué)相關(guān)學(xué)科計(jì)算生物學(xué)(computational biology)系統(tǒng)生物學(xué)(systems biology)18什么是生物信息學(xué)(2)http:/faq/#definitions(大致地)計(jì)算機(jī)對(duì)生物信息的處理(多數(shù)人認(rèn)為,面窄)計(jì)算分子生物學(xué)(compu

7、tational molecular biology)(寬松地)甚至包括醫(yī)療成像、圖像分析、遺傳算法、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(經(jīng)典)用計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存、比較、提取、分析、預(yù)言、模擬生物分子的組成與結(jié)構(gòu)。主要應(yīng)用(core)是序列分析(新)比較基因組學(xué)、功能基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、結(jié)構(gòu)基因組學(xué)19多老了？1960s已有建立數(shù)據(jù)庫、序列分析、開發(fā)算法,當(dāng)時(shí)叫分子進(jìn)化如果考慮生物數(shù)學(xué),19世紀(jì)已經(jīng)流行首次提出Bioinformatics的說法荷蘭理論生物學(xué)家1980年代初Ben Hesper和Paulien Hogeweg馬來西亞生化物理學(xué)家林華安(Hwa A. Lim)于1987年最早提到該詞的文獻(xiàn)(PubM

8、ed)(1990)Genomics,6(2):38920生物信息學(xué)發(fā)展階段(1)前基因組時(shí)代(pre-genomics era)建立生物數(shù)據(jù)庫(1965, Margaret Dayhoff的Atlas of Protein Sequences; 1982,GenBank Release 3)對(duì)位算法(1970,Needleman-Wunsch; 1981,Smith-Waterman)1977,DNA測序和相應(yīng)的軟件分析(RA Staden)21發(fā)展階段(2)基因組時(shí)代(genomics era)一批基因組被測序 1982 噬菌體1995 細(xì)菌1996 酵母1998 線蟲1999 果蠅22發(fā)展

9、階段(3)基因組時(shí)代(genomics era)數(shù)據(jù)庫搜索算法(1983, Wilbur-Lipman)快速序列相似性查找(1985, FASTN; 1990, BLAST)機(jī)構(gòu)建立1988, NCBI1988, EMBnet1993, Sanger1991,EST技術(shù)23發(fā)展階段(4)后基因組時(shí)代(post-genomics era)HGP (1990-2003)1995,蛋白質(zhì)組學(xué)(Proteomics)高通量(high-throughput)實(shí)驗(yàn)手段24發(fā)展階段(5)后基因組時(shí)代(post-genomics era)比較基因組學(xué)(comparative genomics)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(S

10、trutural genomics, 2001)功能基因組學(xué)(Functional genomics)系統(tǒng)生物學(xué)系統(tǒng)樹重建(phylogenic reconstruction)25生物信息學(xué)基本方法(1)建立生物數(shù)據(jù)庫如GenBank, EMBL, DDBJ搜索數(shù)據(jù)庫如BLAST序列分析如比對(duì)(alignment)、注釋(annotation)、尋找外顯子統(tǒng)計(jì)分析如隱馬爾科夫模型(HMM)、貝葉斯分析(Bayesian analysis)26生物計(jì)算機(jī)工程學(xué)數(shù)學(xué)物理基本方法(2)算法如遺傳算法(genetic algorithm, GA)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural ne

11、twork, ANN)數(shù)學(xué)模型如確定性模型(deterministic model)、隨機(jī)性模型(stochastic model)多學(xué)科方法27應(yīng)用基因組層次分析如序列功能、蛋白質(zhì)、進(jìn)化研究基因芯片如DNA芯片(DNA chip),蛋白質(zhì)芯片的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析藥物開發(fā)如尋找藥靶、藥物分子結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)藥物開發(fā)經(jīng)濟(jì)價(jià)值“bioventure” 生物風(fēng)險(xiǎn)公司藥物、生物制品、相關(guān)試劑、器材28三、發(fā)展現(xiàn)狀29學(xué)術(shù)1/51/2030我國的發(fā)展現(xiàn)狀(1) 總括國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)生物信息的獲取、加工和利用,建立數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)基因組和蛋白質(zhì)組學(xué)研究高通量藥物篩選、藥物設(shè)計(jì)生物芯片曙光系列生物信息學(xué)服務(wù)器

12、基因組完成1人類基因組計(jì)劃(中國卷;3號(hào)染色體短臂“端粒至D3S3610”)(1994-2001.8)2001.10獨(dú)立完成水稻基因組“工作框架圖”繪制和數(shù)據(jù)庫建設(shè)；完成國際水稻基因組計(jì)劃的20%其他: 家豬、血吸蟲、家雞、家蠶、大豆31我國的發(fā)展現(xiàn)狀(2)生物信息學(xué)企業(yè)如華大、中科院等建立了一些中國生物信息學(xué)大會(huì)首屆,2001.4.11-13,北京,軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院第二屆, 2002.6.28,北京大學(xué)第三屆, 2008.10.6-9,武漢華中科技大學(xué)國際生物信息學(xué)大會(huì)首屆,2003第四屆,2006.6.10,中南大學(xué)32我國的發(fā)展現(xiàn)狀(3) 主要研究中心北京華大基因研究中心(中科院基因組研究

13、所) 楊煥明 http:/國家人類基因組南方研究中心(上海) 陳竺、趙國屏 http:/國家人類基因組北方研究中心(北京) 強(qiáng)伯勤 http:/清華大學(xué)生物系生物信息研究室 孫之榮 http:/北京大學(xué)生物信息學(xué)中心 羅靜初 http:/chinese/復(fù)旦大學(xué)理論生物中心 鐘揚(yáng) http:/33我國的發(fā)展現(xiàn)狀(4) 研究中心中科院國家基因研究中心 / 中科院理論物理所統(tǒng)計(jì)物理和理論生命科學(xué) 陳曉松、郝柏林 /JiGouSheZhi/YJTD-6.php中科院生物物理所系統(tǒng)生物學(xué)研究中心 陳潤生、蔣太交 /c/02/01/05/index.html中科院上海生命科學(xué)研究院生物信息中心 李亦學(xué) http:/中科院上海生化所 /bio 中科院計(jì)算所生物信息實(shí)驗(yàn)室 http:/ 中科院遺傳所分子系統(tǒng)生物學(xué)中心 韓敬東 http:/IGDB/Research/shengwuxin