生物信息學-第一章-生物信息學概述-課件

生物信息學1PPT課件初步計劃講授內容第一章概論（2）第二章生物學基礎（略）第三章生物信息數據庫及其信息檢索（4-6）第四章序列比對與算法（6）第五章核酸序列分析（6）第六章蛋白質結構預測和分子設計（4-6）第七章基因組信息學（4）第八章蛋白質組信息學（4）第九章生物信息學前沿（自學）2PPT課件參考書籍1、《生物信息學教程》蔡祿.化學工業(yè)出版社,20072、《生物信息學》(第二版)張陽德主編.科學出版社,20093、《生物信息學》陶士珩主編.科學出版社,20074、《生物信息學應用技術》王祿山,高培基.化學工業(yè)出版社,20075、《生物信息學與功能基因組學》(美)喬納森?佩夫斯納著;孫之榮譯.化學工業(yè)出版社,20063PPT課件網上資源1、華中農業(yè)大學國家精品課程生物信息學網站(/kech/swxxx/index.htm)2、西南交通大學生物信息學精品課程網站(/C54/Course/Index.htm）3、東南大學生物信息學網絡學習平臺(/chenyuan/xsun/courses_on_net.htm)4、美國國立生物技術信息中心()期刊《生物信息學》、《Bioinformatics》、《BMCBioinformatics》4PPT課件生物信息學概述

5PPT課件什么是生物信息學：生物信息學(Bioinformatics)：是研究生物信息的采集，處理，存儲，傳播，分析和解釋等各方面的學科。是隨著生命科學和計算機科學的迅猛發(fā)展而快速突起的一門學科。是生命科學、生物統(tǒng)計學、現代數學、信息科學和計算機科學的結合學科，可揭示大量而復雜的生物數據所蘊藏的生物學奧秘。6PPT課件生物信息學？－－新興的交叉學科MathematicalsciencesComputersciencesLifesciences生物學背景？★★★

分子生物學／基因工程數學？★

統(tǒng)計學，模型，算法計算機科學背景？

★

Linux/Perl/PHP/JAVA/C++/VisualBasic7PPT課件生物信息學的學習人員：1）學習生物信息學是為了發(fā)展生物信息學

——計算機科學家2）學習生物信息學是為了應用生物信息學

——生物學家我們屬于……8PPT課件BioinformaticsintheUniverseUniverse(宇宙=空間+時間)HumancivilizationsciencesartsreligionsNaturalsciencesSocialsciencesbiologymathematicsphysicsbiostatisticsbioinformaticsComputationalbiologyNon-humanworld9PPT課件生物信息學主要研究兩種信息載體一級結構二級結構三級結構1、DNA分子2、蛋白質分子生物分子一級結構二級結構三級結構四級結構10PPT課件11PPT課件DNA前體RNAmRNA多肽鏈基因的DNA序列蛋白質序列對應關系遺傳密碼12PPT課件(1)遺傳信息的載體——DNADNA通過自我復制，在生物體的繁衍過程中傳遞遺傳信息；DNARNA轉錄翻譯蛋白質基因通過轉錄和翻譯，使遺傳信息在生物個體中得以表達，并使后代表現出與親代相似的生物性狀。復制(2)蛋白質的結構決定其功能蛋白質功能取決于蛋白質的空間結構蛋白質結構決定于蛋白質的序列（這是目前基本公認的假設），蛋白質結構的信息隱含在蛋白質序列之中。三個重要的信息13PPT課件(3)DNA分子和蛋白質分子都含有進化信息通過比較相似的蛋白質的核苷酸序列，如肌紅蛋白和血紅蛋白，可以發(fā)現由于基因復制而產生的分子進化證據。通過比較來自于不同種屬的同源蛋白質，即直系同源蛋白質，可以分析蛋白質甚至種屬之間的系統(tǒng)發(fā)生關系，推測它們共同的祖先蛋白質?？偨Y：生物分子至少攜帶著三種信息遺傳信息與功能相關的結構信息進化信息14PPT課件

DNA核酸序列蛋白質氨基酸序列蛋白質結構蛋白質功能最基本的生物信息維持生命活動的機器第一部遺傳密碼第二部遺傳密碼生命體系千姿百態(tài)的變化生物分子數據及其關系蛋白質結構決定功能15PPT課件第一部遺傳密碼已被破譯，但對密碼的轉錄過程還不清楚，對大多數DNA非編碼區(qū)域的功能還知之甚少對于第二部密碼，目前則只能用統(tǒng)計學的方法進行分析無論是第一部遺傳密碼，還是第二部遺傳密碼，都隱藏在大量的生物分子數據之中。生物分子數據是寶藏，生物信息數據庫是金礦，等待我們去挖掘和利用。16PPT課件生物分子信息DNA序列數據蛋白質序列數據生物分子結構數據生物分子功能數據最基本直觀展示生命體系千姿百態(tài)的變化復雜剖析生物信息學涉及的生物分子數據庫17PPT課件生物分子數據計算機計算+特征：生物分子信息數據量大生物分子信息復雜生物分子信息之間存在著密切的聯系特征：信息存儲量大計算性能高速、有效信息交流方便生物分子數據與計算機計算18PPT課件生物信息學的發(fā)展歷史生物信息學基本思想的產生生物信息學的迅速發(fā)展二十世紀50年代二十世紀80-90年代生物科學和技術的發(fā)展人類基因組計劃的推動19PPT課件20世紀50年代，生物信息學開始孕育20世紀60年代，生物分子信息在概念上將計算生物學和計算機科學聯系起來，是生物信息學形成雛形的階段

1962Zucherkandl和Pauling提出分子進化理論

1967Dayhoff研制出蛋白質序列圖集，后演變?yōu)橹牡鞍踪|信息源PIR20世紀70年代，核酸測序技術成熟，開始了少量的基因組測序工作，標志著生物信息學的真正開端（1）前基因組時代（20世紀90年代前）20PPT課件20世紀70年代到80年代初期，出現了一系列著名的序列比較方法和生物信息分析方法1970Needleman-Wunsch提出序列比對算法1970Gibbs和McIntyre發(fā)表矩陣打點作圖法1972Gatlin將信息論引入序列分析，證實自然的生物分子序列是高度非隨機的1977出現將DNA序列翻譯成蛋白質序列的算法。1975Pipas和McMahon首先提出運用計算機技術預測RNA二級結構1978Gingeras等研制出核酸序列中限制性酶切位點的識別軟件1981Smith-Waterman算法出現1981Doolittle提出序列模式的概念 1983Wilbur和Lipman提出序列數據庫的搜索算法1985快速的蛋白質序列相似性搜索程序FASTP/FASTN發(fā)布1988Pearson和Lipman發(fā)表著名的序列比較算法FASTA

21PPT課件20世紀80年代以后，出現一批生物信息服務機構和生物信息數據庫1982GenBank數據庫(Release3)公開1986日本核酸序列數據庫DDBJ誕生1986出現蛋白質數據庫SWISS-PROT1988美國國家生物技術信息中心NCBI創(chuàng)立1988成立歐洲分子生物學網絡（EMBnet），專門發(fā)布各種生物數據庫22PPT課件20世紀90年代后，HGP促進生物信息學的迅速發(fā)展，標志工作是人類基因組測序，基因尋找和識別等。1986“基因組學”概念產生，研究基因組的作圖、測序和分析1990國際人類基因組計劃啟動1993成立Sanger中心，專門從事基因組研究1995第一個細菌基因組測序完成1996酶母基因組測序完成1998第一個多細胞生物——線蟲基因組測序1999果蠅基因組測序完成2000人類基因組測序基本完成2001人類基因組初步分析結果公布（2）基因組時代（20世紀90年代后至21世紀初）Saccharomycescerevisiae釀酒酵母(1996-1997)Caenorhabditiselegans秀麗線蟲(1998)23PPT課件沖擊24PPT課件我國對人類基因組計劃的貢獻NoCenterRegionSize(Mb)6/1-8/31/99ProjectedKr4/1-11/30/99ProjAccum.Mr.4/99-3/00ActualKGenbankKr1SangerCentre1,6,9,10,13,20,22,X85013009414200>122WIBR(ClonesfromWashU)837296290083WashU2,3,4,7,11,15,18,Y90086555923007.94JGI5,16,1925068746121006.45Baylor1,2,3,X2304622616603.16Riken21,18,11q1601361955202.17IMB8,21,X50180321801.58GenoscopeMostof14851001183001.49U.Wash(Olson)10Beijing3p3012.512.5>1000.511GTC(Smith)105051500.4512MPIMG17,21,X6.94012400.313GBF21,regof96500.314Stanford(Davis)8231370.2915Keio2,6,8,22,213011751100.2316U.Wash(HoodLAB)1417Total2671Mb4663Kr2950Kr13687Kr32.64Mr25PPT課件人類基因組計劃給生物信息學提出挑戰(zhàn)隨著實驗數據和可利用信息急劇增加，信息的管理和分析成為HGP的一項重要的工作發(fā)現生物學規(guī)律，解讀生物遺傳密碼認識生命的本質研究基因組數據之間的關系分析現有的基因組數據利用數學模型和人工智能技術26PPT課件27PPT課件（3）后基因組時代（21世紀后至今）21世紀后，發(fā)展重點逐漸轉移到功能基因組學研究領域，主要標志技術是進行高通量基因組分析（megabace、3700、454測序技術）、蛋白質組分析和各種數據的比較整合等，出現了轉錄組、蛋白質組和代謝組等各種組學概念。megabace370028PPT課件Sanger,UK29PPT課件大規(guī)模測序基本策略逐個克隆法：小片段針對圖譜的?。∪蚪M鳥槍法：大片段-測序-組裝（美國Celera公司）Contig：重疊群，基因組測序中將許多序列片段經過比對找到重疊區(qū),從而連接成的長片段。30PPT課件ABCDEFGHIJKLCONTIGGAP31PPT課件基因組比較32PPT課件蛋白質結構

蛋白質序列蛋白質功能關系

核苷酸序列高通量測序技術注釋、解析預測驗證33PPT課件基于生物信息學的新藥設計34PPT課件基因組數據庫蛋白質序列數據庫蛋白質結構數據庫DDBJEMBLGenBankSWISS-PROTPDBPIR（1）生物分子數據的收集與管理生物信息學的主要研究內容EMBL歐洲分子生物學實驗室，于1974年由歐洲14個國家加上亞洲的以色列共同發(fā)起建立，包括一個位于德國Heidelberg的核心實驗室，三個位于德國Hamburg，法國Grenoble及英國Hinxton的研究分部。GenBank是美國國家生物技術信息中心建立的DNA序列數據庫，從公共資源中獲取序列數據，主要是科研人員直接提供或來源于大規(guī)模基因組測序計劃。DDBJ日本DNA數據庫，于1984年建立，是世界三大DNA數據庫之一，與NCBI的GenBank，EBI的EMBL數據庫共同組成國際DNA數據庫。SWISS-PROT是經過注釋的蛋白質序列數據庫，由歐洲生物信息學研究所(EBI)維護。PIR全稱TheProteinInformationResource，是一個集成了關于蛋白質功能預測數據的公共資源的數據庫，其目的是支持基因組/蛋白質組研究。PIR與MIPS(theMunichInformationCenterforProteinSequences)、JIPID（theJapanInternationalProteinInformationDatabase）合作，共同構成了PIR-國際蛋白質序列數據庫（PSD）：一個主要的已預測的蛋白質數據庫，包括250000個蛋白。蛋白質數據庫PDB是由美國國家科學基金會、能源部的生物和環(huán)境研究所、國家健康組織中的兩個單位：藥品科學研究所和醫(yī)藥圖書館共同資助的。它們設立這個機構的共同目標是通過PDB盡量廣泛地傳播其收集的信息。35PPT課件36PPT課件37PPT課件38PPT課件39PPT課件40PPT課件41PPT課件通過數據庫搜索可以找到目的基因的相關信息通過序列比較尋找同源基因（2）數據庫搜索及序列比較AAGCTTAACGTAATCTTA-CGT42PPT課件（3）基因組序列分析基因組結構分析、基因識別、基因功能注釋基因調控信息分析、基因組比較UTR內含子啟動子基因之間的序列……43PPT課件基因的相關信息44PPT課件基因組結構分析45PPT課件基因表達數據分析是目前生物信息學研究的熱點和重點。對基因表達數據的處理主要是進行聚類分析，將表達模式相似的基因聚為一類，在此基礎上尋找相關基因，分析基因的功能。（4）基因表達數據的分析與處理46PPT課件蛋白質的生物功能由蛋白質的結構所決定，蛋白質結構預測成為了解蛋白質功能的重要途徑。（5）蛋白質結構預測各種基序(motif)的識別酸/堿性氨基酸的位置和統(tǒng)計富含某種氨基酸的特性亞細胞定位的預測分子進化蛋白質互作等等…47PPT課件生物結構的組成蛋白質與蛋白質之間的相互關系48PPT課件（6）生物信息分析的技術與方法研究改進和創(chuàng)造一些理論分析方法統(tǒng)計方法、模式識別方法、多序列比較方法等多種算法開發(fā)分析工具和實用軟件序列比較工具基因識別工具生物分子結構預測工具基因表達數據分析工具等49PPT課件生物信息學的基本方法和前沿技術建立生物數據庫數據庫檢索如BLAST序列分析技術建立統(tǒng)計模型算法開發(fā)數據庫管理技術數據庫分析技術圖像處理和可視化技術50PPT課件認識生物本質了解生物分子信息的組織和結構，破譯基因組信息，闡明生物信息之間