生物信息學(xué)基因組分析

人類基因組計劃目前一頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組基因組轉(zhuǎn)錄組蛋白質(zhì)組化學(xué)生物學(xué)目前二頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點本章內(nèi)容提要1.基因組的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容2.基因組注釋3.比較基因組學(xué)4.基因/蛋白質(zhì)的功能預(yù)測目前三頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點1.基因組的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容(1)基因的結(jié)構(gòu)(2)mRNA：可變剪切(3)蛋白質(zhì)：翻譯后修飾(4)相互作用網(wǎng)絡(luò)：基因、蛋白質(zhì)、小分子之間的相互作用(5)非編碼區(qū)a.功能元件:轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點；啟動子…b.Non-codingRNA:MicroRNAc.轉(zhuǎn)座子d.重復(fù)片段e.偽基因(Pseudogene)目前四頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點(1)基因的結(jié)構(gòu)目前五頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點基因組大小&基因數(shù)目前六頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點基因數(shù)量->生物復(fù)雜性？1.基因數(shù)量的變化，無法解釋生物學(xué)功能、調(diào)控機理以及物種多樣性和復(fù)雜性的巨大變化2.當(dāng)前解釋：蛋白質(zhì)組的多樣性和復(fù)雜性->物種的多樣性和復(fù)雜性；~10,000,000種蛋白質(zhì)分子3.兩種觀點：a.

轉(zhuǎn)錄后層面，mRNA剪切，產(chǎn)生拼接異構(gòu)體b.

蛋白質(zhì)層面，蛋白質(zhì)序列上一個或多個位點上發(fā)生的翻譯后修飾目前七頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點GenotypetoPhenotype目前八頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點isoform1isoform2isoform3mRNASplicing轉(zhuǎn)錄后層面：mRNASplicing目前九頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點PhosphorylationSumoylationPalmitoylationAcetylationUbiquitination蛋白質(zhì)層面：翻譯后修飾目前十頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點(4)相互作用網(wǎng)絡(luò)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)目前十一頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點細胞信號通路G1/S檢驗點：有調(diào)控方向目前十二頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點(5)非編碼區(qū)a.功能元件:轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點；啟動子…b.Non-codingRNA:MicroRNAc.轉(zhuǎn)座子d.重復(fù)片段e.偽基因(Pseudogene)目前十三頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點Functionalelements:Promotor目前十四頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點TranscriptionFactorBindingSiteCRM:cis-regulatorymodules目前十五頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點Gal4pandKruppelGal4pKruppel目前十六頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點其他功能元件Exonsplicingenhancer(ESE)andsilencer(ESS)Intronsplicingenhancer(ISE)andsilencer(ISS)目前十七頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點Non-codingRNA1.不翻譯成蛋白質(zhì)，具有重要的調(diào)控功能2.分類：a.transferRNA(tRNA)b.ribosomalRNA(rRNA)c.snoRNAs,d.microRNAs,e.siRNAsf.piRNAs:與piwi相互作用的RNAg.longncRNAs:Xist…目前十八頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點tRNA&rRNA目前十九頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點snoRNAssnoRNAs:SmallnucleolarRNAs;介導(dǎo)其他RNA分子的化學(xué)修飾，例如甲基化目前二十頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點microRNA/miRNA1.長度21-23bp2.調(diào)控基因的表達3.pre-miRNA:~70bp目前二十一頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點Transposon轉(zhuǎn)座子：在基因組中能夠移動位置的DNA序列目前二十二頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點2.基因組注釋(1)基因組序列的拼裝(2)基因預(yù)測(3)可變剪切的預(yù)測(4)非編碼的功能元件的預(yù)測目前二十三頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點(1)基因組測序：鳥槍法目前二十四頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點基因組的拼裝目前二十五頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點重復(fù)序列帶來干擾目前二十六頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點(2)基因預(yù)測直接的，序列高度匹配同一或近緣物種中，與EST，cDNA,蛋白質(zhì)等序列完美或近似完美的匹配間接的，基于統(tǒng)計學(xué)的序列比對(Homology)從頭預(yù)測(abinitio)以上兩種方法的結(jié)合目前二十七頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點真核生物的基因結(jié)構(gòu)5’3’3’5’

~1-100Mbp5’3’3’5’…………

~1-1000kbpexons(cds

&

utr)/introns(~102-103bp)(~102-105bp)Polyadenylationsitepromoter(~103bp)enhancers(~101-102bp)otherregulatorysequences(~101-102bp)目前二十八頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點基因的其他特征1.ORF(OpenReadingFrame):從AUG開始，至stopcodon終止2.CodonUsage:CAI…目前二十九頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點HMMmodelforGenePrediction(Genie)Kulp,D.,PhDThesis,UCSC2003目前三十頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點(3)可變剪切的預(yù)測將EST,cDNA序列比對到基因組上目前三十一頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點部分有向圖算法目前三十二頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點3.比較基因組學(xué)(1)有功能的通常保守(2)例：SUMO底物的預(yù)測：a.SUMO化位點存在ψ-K-X-E模體b.核定位信號(NLS)c.人和小鼠中，SUMO化位點應(yīng)當(dāng)保守d.功能分析：GeneOntology(3)分析結(jié)果：a.2,683個人-小鼠保守的SUMO化底物b.SUMO化的功能：參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等目前三十三頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點GeneOntology：基因本體論1.描述基因/蛋白質(zhì)的功能2.三類術(shù)語(Term):a.Cellularcomponent:在哪里？b.Biologicalprocess:干什么？c.Molecularfunction：我是誰？目前三十四頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點GeneOntology：基因本體論目前三十五頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點目前三十六頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點功能顯著性分析：超幾何分布目前三十七頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點目前三十八頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點轉(zhuǎn)錄因子Inhumanproteome:

DNAbinding(GO:0003677):2,255Transcriptionfactoractivity(GO:0003700):1,102regulationoftranscription,DNA-dependent(GO:0006355):2,174InSUMOSubstrates:DNAbinding(GO:0003677):530Transcriptionfactoractivity(GO:0003700):304regulationoftranscription,DNA-dependent(GO:0006355):510因此，可以估計1/4~1/3的轉(zhuǎn)錄因子受到SUMO化的調(diào)控目前三十九頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點4.基因/蛋白質(zhì)的功能預(yù)測(1)一級序列的比較：相似的序列具有相似的功能(2)保守的功能結(jié)構(gòu)域：保守的功能(3)三級結(jié)構(gòu)的比較：相似的結(jié)構(gòu)具有相似的功能(4)蛋白質(zhì)相互作用的預(yù)測目前四十頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點(1)一級序列的比較1.同源物的鑒定：不同物種中的直系、旁系同源物的預(yù)測2.主要工具：BLAST目前四十一頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點(2)保守的功能結(jié)構(gòu)域1.保守的功能結(jié)構(gòu)域：保守的功能2.常用工具：工具網(wǎng)址Interprohttp://www.ebi.ac.uk/interpro/Pfamhttp://pfam.sanger.ac.uk/SMARThttp://smart.embl.de/PROSITE/prosite/ProDomhttp://prodom.prabi.fr/prodom/current/html/home.phpCDD/Structure/cdd/wrpsb.cgi目前四十二頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點例：Nek2目前四十三頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點(3)三級結(jié)構(gòu)的比較1.Ubiquitin:泛素，主要負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)的降解2.SUMO：小的類泛素蛋白質(zhì)，基因轉(zhuǎn)錄&信號通路3.催化反應(yīng)通路的分子機制相似4.序列相似性：不顯著！目前四十四頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點Ubiquitinvs.SUMO目前四十五頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點序列相似性：~20%目前四十六頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點結(jié)構(gòu)相似性SUMOUbiquitin目前四十七頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點(4)蛋白質(zhì)相互作用的預(yù)測1.基因組信息(Genomicinformation)A.GenefusionandfissionB.Conservationofgeneorder/bidirectionalpairsC.Phylogeneticprofile2.關(guān)聯(lián)的序列特征(Correlatedsequencesignatures)3.mRNAco-expression4.Literaturemining目前四十八頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點Genefusion/fission:RosettaStoneABABQueryproteinLinkedproteinRosettaproteinMarcotteEMetal.,Science1999,285:751-753;EnrightAJetal.,Nature,1999,402:86-90GenomeAGenomeB目前四十九頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點Conservationofgeneorder/bidirectionalpairsGeneorderpairsBidirectionaltranscribedgenepairsDandekarTetal.,TIBS,1998,23:324-328;OverbeekRetal.,PNAS,1999,96:2896-2901;KorbelJOetal.,NBT,2004,22:911-917目前五十頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點PhylogeneticprofilesPellegriniMetal.,PNAS,1999,96:4285-4288;HuynenMAetal.,PNAS,1998,95:5849-5856目前五十一頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點CorrelatedsequencesignaturesA.B.ThismodeliscomputationallyfasterandmoreconvenientPIDmodelPIDCmodel目前五十二頁\總數(shù)五十六頁\編于十九點P