生物信息學(xué)實驗指導(dǎo)書

1、生物信息學(xué)實驗指導(dǎo)書生物技術(shù)教學(xué)部 譚軍 編重慶郵電學(xué)院生物信息學(xué)院2005年08月20日前 言生物信息學(xué)是上世紀(jì)90年代初人類基因組計劃（HGP）以來，隨著基因組學(xué)、蛋白組學(xué)等新興學(xué)科的建立，逐漸發(fā)展起來的生物學(xué)、數(shù)學(xué)和計算機(jī)信息科學(xué)的一門交叉應(yīng)用學(xué)科。目前生物信息學(xué)的研究領(lǐng)域主要包括基于生物序列數(shù)據(jù)的整理和注釋、生物信息挖掘工具開發(fā)及利用這些工具揭示生物學(xué)基礎(chǔ)理論知識等領(lǐng)域。生物信息學(xué)作為新型交叉應(yīng)用學(xué)科，可以依托本校已有的計算機(jī)科學(xué)、信息學(xué)、生物學(xué)和數(shù)學(xué)等學(xué)科優(yōu)勢，充分展現(xiàn)投入少、見效快、起點高的特色，推動學(xué)校學(xué)科建設(shè)和本科教學(xué)水平。本實驗指導(dǎo)書中的8個實驗均設(shè)計為綜合性開放實驗，面向生

2、物信息學(xué)院全體本科學(xué)生和研究生，以及全校對生物信息學(xué)感興趣的其他專業(yè)學(xué)生開放。生物信息學(xué)實驗室將提供系統(tǒng)的保障，包括采用mail服務(wù)器和Linux帳號管理等進(jìn)行實驗過程管理和支持。限選生物信息學(xué)及試驗的生物技術(shù)專業(yè)本科生至少選擇其中5個實驗，并不少于8個學(xué)時，即為課程要求的0.5個學(xué)分。其他選修者按照課時和學(xué)校相關(guān)規(guī)定計算創(chuàng)新學(xué)分。目 錄前言 1目錄 2實驗一 熟悉生物信息學(xué)網(wǎng)站及其數(shù)據(jù)的生物學(xué)意義 3實驗二 應(yīng)用BLAST進(jìn)行序列比對 4實驗三 應(yīng)用ClustalX（W)進(jìn)行多序列聯(lián)配 5實驗四 ESTs分析 6實驗五 應(yīng)用Primer3設(shè)計RACE引物 7實驗六 ORF預(yù)測 8實驗七 蛋白

3、質(zhì)結(jié)構(gòu)功能分析 9實驗八Emboss工具包的熟悉和使用 10實驗一 熟悉生物信息學(xué)網(wǎng)站及其數(shù)據(jù)的生物學(xué)意義實驗?zāi)康模号囵B(yǎng)學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)資源獲取生物信息學(xué)研究狀況和相關(guān)數(shù)據(jù)的能力，熟悉生物信息學(xué)相關(guān)的一些重要國內(nèi)外網(wǎng)站，及其核酸序列、蛋白質(zhì)序列及代謝途徑等功能相關(guān)數(shù)據(jù)庫，學(xué)會下載生物相關(guān)的信息數(shù)據(jù)，了解不同的數(shù)據(jù)文件格式和其中重要的生物學(xué)意義。實驗原理：利用互連網(wǎng)資源檢索相關(guān)的國內(nèi)外生物信息學(xué)相關(guān)網(wǎng)站：如NCBI、SANGER、TIGR、KEGG、SWISSPROT、Ensemble、中科院北京基因組研究所、北大生物信息學(xué)中心等，下載其中的相關(guān)數(shù)據(jù)，如fasta、genbank格式的核酸和蛋白質(zhì)

4、序列、pathway等數(shù)據(jù)，理解其重要的生物學(xué)意義。實驗內(nèi)容：1瀏覽和搜索至少10個國外和至少5個國內(nèi)生物信息學(xué)相關(guān)網(wǎng)站，并描述網(wǎng)站特征；2下載各網(wǎng)站的代表性數(shù)據(jù)各10條（組）以上，并說明其生物學(xué)意義；3討論各網(wǎng)站適合做何種生物信息學(xué)研究的平臺，并設(shè)計一個研究設(shè)想。實驗報告：1各網(wǎng)站網(wǎng)址及特征描述；2代表性數(shù)據(jù)的下載和生物學(xué)意義的描述；3討論：這些生物信息學(xué)相關(guān)網(wǎng)站的信息資源，可以被哪些生物信息學(xué)研究所利用。參考書目：生物信息學(xué)概論羅靜初 等譯，北京大學(xué)出版社，2002；生物信息學(xué)手冊郝柏林 等著，上?？萍汲霭嫔?，2004；生物信息學(xué)實驗指導(dǎo)胡松年 等著，浙江大學(xué)出版社，2003。實驗二 利用

5、BLAST進(jìn)行序列比對實驗?zāi)康模毫私釨LAST及其子程序的原理和基本參數(shù)，熟練地應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)平臺和Linux計算平臺進(jìn)行本地BLAST序列比對，熟悉BLAST結(jié)果的格式和內(nèi)容并能描述其主要意義，同時比較網(wǎng)上平臺和本地平臺的優(yōu)缺點。實驗原理：利用試驗一下載的核酸和蛋白質(zhì)序列，提交到NCBI或者其他擁有BLAST運算平臺的網(wǎng)頁上，觀察其基本參數(shù)設(shè)定庫文件類型，并得到計算結(jié)果；同時在本地服務(wù)器上學(xué)會用formatdb格式化庫文件，并輸入BLAST命令進(jìn)行計算，獲得結(jié)果文件。實驗內(nèi)容：1向網(wǎng)上BLAST服務(wù)器提交序列，得到匹配結(jié)果；2本地使用BLAST，格式化庫文件，輸入命令行得到匹配結(jié)果；3對結(jié)果文件進(jìn)

6、行簡要描述，闡述生物學(xué)意義。實驗報告：1闡述BLAST原理和比對步驟；2不同類型BLAST的結(jié)果及其說明；3討論：不同平臺運行BLAST的需求比較。參考書目和網(wǎng)頁：生物信息學(xué)概論羅靜初 等譯，北京大學(xué)出版社，2002；生物信息學(xué)實驗指導(dǎo)胡松年 等著，浙江大學(xué)出版社，2003； /Education/BLASTinfo/information3.html。實驗三 利用ClustalX（W)進(jìn)行多序列聯(lián)配實驗?zāi)康模赫莆沼肅lustal X(W)工具及其基本參數(shù)，對具有一定同源性和相似性的核酸與蛋白質(zhì)序列進(jìn)行聯(lián)配和聚類分析，由此對這些物種的親緣關(guān)系

7、進(jìn)行判斷，并且對這些序列在分子進(jìn)化過程中的保守性作出估計。實驗原理：首先對于輸入的每一條序列，兩兩之間進(jìn)行聯(lián)配，總共進(jìn)行n*（n-1）/2次聯(lián)配，這一步是通過一種快速的近似算法實現(xiàn)的，其得分用來計算指導(dǎo)樹，系統(tǒng)樹圖能用于指導(dǎo)后面進(jìn)行的多序列聯(lián)配的過程。系統(tǒng)樹圖是通過UPGMA方法計算的。在系統(tǒng)樹圖繪制完以后，輸入的所有序列按照得分高低被分成n-1個組，然后再對組與組之間進(jìn)行聯(lián)配，這一步用的是Myers和Miller算法。實驗內(nèi)容：1明確軟件所支持的輸入文件格式，搜集整理出合適的數(shù)據(jù)；2在windows環(huán)境運行Clustal X，在Linux環(huán)境運行Clustal W；3實驗結(jié)果及分析，用TRE

8、EV32或NjplotWIN95生成NJ聚類圖。 實驗報告：1整理好的符合Clustal的序列數(shù)據(jù)；2提交數(shù)據(jù)網(wǎng)頁記錄和各步驟記錄；3提供聚類圖和多序列聯(lián)配圖，并說明意義。參考書目：生物信息學(xué)概論羅靜初 等譯，北京大學(xué)出版社，2002；生物信息學(xué)實驗指導(dǎo)胡松年 等著，浙江大學(xué)出版社，2003。實驗四 ESTs分析實驗?zāi)康模菏煜な褂靡幌盗猩镄畔W(xué)分析工具對測序得到的ESTs序列數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類處理，由此對獲得表達(dá)基因的豐度等相關(guān)信息，并且對這些表達(dá)基因進(jìn)行功能的初步詮釋，為后續(xù)實驗通過設(shè)計RACE引物獲得全長基因，以及進(jìn)一步的功能注釋和代謝途徑分析做好準(zhǔn)備。實驗原理：首先用crossmatch程序

9、去除ESTs原始序列中的載體成分和引物成分，然后用phrap生成congtig和singlet，用blast程序進(jìn)一步將有同源性的contig和singlet進(jìn)行功能聚類，最后通過blast對聚類獲得的cluster進(jìn)行功能注釋。在實驗過程中將用到一些本實驗室寫好的perl程序用于連接各數(shù)據(jù)庫和工具軟件。實驗內(nèi)容：1運行crossmatch程序，并用perl程序處理結(jié)果獲得ESTs序列；2運行phrap程序，并用perl程序提取congtig和singlet；3運行blastn和blastx程序，用perl程序分別獲得cluster和初步功能注釋結(jié)果。實驗報告：1實驗各步驟記錄和中間結(jié)果文件；

10、2說明各perl程序在ESTs處理過程中的作用；3舉例簡要說明結(jié)果文件中數(shù)據(jù)的生物學(xué)意義。參考書目：生物信息學(xué)概論羅靜初 等譯，北京大學(xué)出版社，2002；基因表達(dá)序列標(biāo)簽（EST）數(shù)據(jù)分析手冊胡松年 等著，浙江大學(xué)出版社，2005。實驗五 利用Primer3設(shè)計RACE引物實驗?zāi)康模菏煜CR引物設(shè)計工具Primer3的網(wǎng)絡(luò)計算平臺和Linux運算平臺，了解Primer3的一些基本參數(shù)，能夠根據(jù)實驗需要選擇相應(yīng)的引物設(shè)計平臺設(shè)計PCR引物。實驗原理：PCR實驗是當(dāng)代分子生物學(xué)的基本實驗之一，由于目標(biāo)序列和實驗?zāi)康牡牟煌?，相?yīng)設(shè)計引物的要求也不一樣。本實驗延續(xù)ESTs分析結(jié)果，對于其中需要獲得全

11、長的基因進(jìn)行RACE引物的設(shè)計，即5和3RACE引物，配合接頭序列設(shè)計單向引物，并模擬練習(xí)通過連接獲得全長的基因CDS序列。最后設(shè)計已知全長基因序列的PCR擴(kuò)增引物。實驗內(nèi)容：1從網(wǎng)站下載并安裝Primer3；2分別在網(wǎng)上和Linux運算平臺設(shè)計 5和3RACE引物；3拼接全長CDS序列，并設(shè)計擴(kuò)增引物。實驗報告：1實驗各步驟使用的數(shù)據(jù)、運算平臺、結(jié)果文件記錄；2比較不同引物設(shè)計平臺和不同PCR實驗的差別；3討論：如何應(yīng)用Primer3為基因芯片實驗設(shè)計克隆大規(guī)模序列。參考書目和網(wǎng)頁：生物信息學(xué)概論羅靜初 等譯，北京大學(xué)出版社，2002；生物信息學(xué)實驗指導(dǎo)胡松年 等著，浙江大學(xué)出版社，2003

12、； /cgi-bin/primer3/primer3_www.cgi。實驗六 ORF預(yù)測實驗?zāi)康模毫私釵RF預(yù)測的作用，能夠運用ORF分析軟件Getorf，并能用這些程式進(jìn)行簡單的分析。實驗原理：通過序列的ORF預(yù)測，為建立cDNA文庫，差減雜交得到均質(zhì)化文庫，cDNA序列測定，生物信息學(xué)分析，同源性比較，功能預(yù)測做必要的準(zhǔn)備。實驗內(nèi)容：1、從上述網(wǎng)站下載最新版Getorf，并參考以下網(wǎng)站所介紹的方法安裝：http:/bioweb.pasteur.fr/seqanal/interfaces/getorf.html.2、熟悉Getorf軟件的主要的功能

13、、輸入文件的格式、以及相關(guān)參數(shù)的作用等。3、利用Getorf進(jìn)行簡單的分析，記錄分析步驟和結(jié)果。實驗報告：要求實驗報告闡述實驗步驟，簡介Getorf的功能，記錄實例分析結(jié)果，記錄實驗中出現(xiàn)的問題和解決方案，以及實驗的總結(jié)。參考書目和網(wǎng)頁：生物信息學(xué)概論羅靜初 等譯，北京大學(xué)出版社，2002；生物信息學(xué)實驗指導(dǎo)胡松年 等著，浙江大學(xué)出版社，2003； http:/bioweb.pasteur.fr/seqanal/interfaces/getorf.html。實驗七 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能分析實驗?zāi)康模赫莆盏鞍踪|(zhì)一級、二級和三級結(jié)構(gòu)分析的一些工具，了解與蛋白質(zhì)功能分析相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，如：SwissProt

14、蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫、PDB結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫等。實驗原理：現(xiàn)有的蛋白質(zhì)功能分析工具和平臺都是根據(jù)已知的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行注釋分類、總結(jié)結(jié)構(gòu)規(guī)律建立參考數(shù)據(jù)庫，并以此作為預(yù)測未知蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的依據(jù)。實驗內(nèi)容：1、熟悉與蛋白質(zhì)分析相關(guān)的數(shù)據(jù)庫資源，如SwissProt蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫、PDB結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫、PROSITE。2、利用PredictProtein對蛋白質(zhì)序列進(jìn)行分析。3、利用SSPRED對蛋白質(zhì)序列進(jìn)行分析。4、比較兩種方法得到的結(jié)果。5、利用swiss-model對蛋白質(zhì)序列進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)預(yù)測。實驗報告：要求實驗報告詳細(xì)闡述實驗步驟，結(jié)果，及其對實驗的總結(jié)。參考書目和網(wǎng)頁：生物信息學(xué)概論羅靜初 等譯

15、，北京大學(xué)出版社，2002；生物信息學(xué)實驗指導(dǎo)胡松年 等著，浙江大學(xué)出版社，2003； http:/www.embl-heidelberg.de/predictprotein/predictprotein.html；http:/www.dl.ac.uk/CCP/CCP11/DISguISE/structure_prediction/sspredmsu.html；/swissmod/SWISS-MODEL.html。實驗八 Emboss工具包的熟悉和使用實驗?zāi)康模毫私釫mboss工具包中的各軟件功能，會用Emboss中的分析工具分析序列的相關(guān)特征，熟悉Emboss工具包中常用應(yīng)用軟件的使用，并能用這些軟件進(jìn)行簡單的序列分析。實驗原理：歐洲分子生物學(xué)開放軟件系統(tǒng)(Emboss)最初是為英國測序中心用戶開發(fā)的一個序列分析綜合軟件包，包括一系列應(yīng)用程序，例如EST聚類分析、序列模體快速搜索、核算序列模式分析、密碼子使用分析、基因識別工具、蛋白質(zhì)序列模體識別等。Emboss系統(tǒng)可從網(wǎng)址ftp:/ /pub/EMBOSS/獲取。 實驗內(nèi)容：1、從上述網(wǎng)站下載最新版Emboss，并參考以下網(wǎng)站所介紹的方法安裝：2、熟悉Emboss系統(tǒng)，了