生物信息學(xué)ppt課件

1、揭開生命奧妙的新興交叉學(xué)科揭開生命奧妙的新興交叉學(xué)科第七章第七章 生物信息學(xué)生物信息學(xué)內(nèi)內(nèi) 容容n生物信息學(xué)概念 n生物信息學(xué)的內(nèi)容n生物信息學(xué)的研討方法和技術(shù)n生物信息學(xué)軟件和數(shù)據(jù)庫一、生物信息學(xué)的概念p199生物信息學(xué)是用數(shù)理生物信息學(xué)是用數(shù)理和信息科學(xué)的觀念、實(shí)和信息科學(xué)的觀念、實(shí)際和方法，以計(jì)算機(jī)為際和方法，以計(jì)算機(jī)為工具對(duì)生物信息進(jìn)展搜工具對(duì)生物信息進(jìn)展搜集、加工、儲(chǔ)存、傳播、集、加工、儲(chǔ)存、傳播、檢索和分析的科學(xué)。檢索和分析的科學(xué)。研討資料和結(jié)果是各研討資料和結(jié)果是各種各樣的生物學(xué)數(shù)據(jù)種各樣的生物學(xué)數(shù)據(jù)n人基因組海量信息n23對(duì)=46條染色體n30億堿基對(duì)(base pairs)n

2、35萬個(gè)基因基因組學(xué)n3萬種以上蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)組學(xué)n基因表達(dá)、作用、調(diào)控網(wǎng)絡(luò)曾經(jīng)或即將完成的生物全基因組n幾百種原核生物n酵母菌n擬南芥 (1-2億bpn水稻n人類 (32億bp)n小鼠n大鼠n豬n雞.等生物信息學(xué)的概念生物信息學(xué)的概念n后基因組時(shí)代的到來后基因組時(shí)代的到來n人類初次了解了本身的基因序列，人類初次了解了本身的基因序列，了解了很多遠(yuǎn)親生物的基因序列了解了很多遠(yuǎn)親生物的基因序列n正在面對(duì)指數(shù)擴(kuò)增的基因序列和各正在面對(duì)指數(shù)擴(kuò)增的基因序列和各種數(shù)據(jù)庫種數(shù)據(jù)庫n面臨如何將基因序列資料轉(zhuǎn)變?yōu)橛忻媾R如何將基因序列資料轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫闹R(shí)，進(jìn)而效力于人類，造福用的知識(shí)，進(jìn)而效力于人類，造福人類安康

3、的挑戰(zhàn)人類安康的挑戰(zhàn)n人類功能基因組學(xué)必需多學(xué)科協(xié)作人類功能基因組學(xué)必需多學(xué)科協(xié)作n生物信息學(xué)技術(shù)生物信息學(xué)技術(shù)n生物芯片技術(shù)生物芯片技術(shù)n蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)n高通量細(xì)胞挑選技術(shù)等高通量細(xì)胞挑選技術(shù)等n生物信息學(xué)是人類功能基因組學(xué)研生物信息學(xué)是人類功能基因組學(xué)研討的必要工具討的必要工具NoImage實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)生物學(xué)生物學(xué)計(jì)算計(jì)算生物學(xué)生物學(xué)實(shí)際實(shí)際生物學(xué)生物學(xué)生物信息的開發(fā)和運(yùn)用生物信息的開發(fā)和運(yùn)用n以核酸蛋白質(zhì)等生物大分子為主要研討對(duì)象n以信息、數(shù)理、計(jì)算機(jī)科學(xué)為主要研討手段n以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為主要研討環(huán)境n以計(jì)算機(jī)軟件為主要研討工具n對(duì)序列數(shù)據(jù)進(jìn)展存儲(chǔ)、管理、注釋、加工n對(duì)各種數(shù)據(jù)庫進(jìn)

4、展查詢、搜索、比較、分析n構(gòu)建各種類型的公用數(shù)據(jù)庫信息系統(tǒng)n研討開發(fā)面向生物學(xué)家的新一代計(jì)算機(jī)軟件生物信息學(xué)的概念生物信息學(xué)的概念 計(jì)算機(jī)學(xué)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)醫(yī)學(xué)生物學(xué)、分子生物學(xué)生物信息學(xué)數(shù)學(xué)、 統(tǒng)計(jì)學(xué)生物信息學(xué)和其它學(xué)科的關(guān)系生物信息學(xué)和其它學(xué)科的關(guān)系生物信息學(xué)是一門生物信息學(xué)是一門邊緣學(xué)科，它位于邊緣學(xué)科，它位于生物、醫(yī)學(xué)、計(jì)算生物、醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)機(jī)、數(shù)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的交叉點(diǎn)上域的交叉點(diǎn)上生物信息學(xué)的概念生物信息學(xué)的概念計(jì)算機(jī)輔助藥物挑選高通量虛擬挑選方法分子數(shù)據(jù)庫，組合化學(xué)化合物庫,靶標(biāo)生物大分子的功能分析.蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互作用識(shí)別，信號(hào)傳導(dǎo)系統(tǒng)、代謝途徑的分子模擬.圖像處置、聚類

5、分析、表達(dá)譜和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析.計(jì)算機(jī)輔助先導(dǎo)化合物設(shè)計(jì)、藥物設(shè)計(jì)二、生物信息學(xué)的內(nèi)容二、生物信息學(xué)的內(nèi)容p2001.1.基因與基因組分析基因與基因組分析 可讀框預(yù)測(cè)和可讀框預(yù)測(cè)和基因標(biāo)注基因標(biāo)注序列拼接序列拼接與組裝與組裝結(jié)果上傳到數(shù)結(jié)果上傳到數(shù)據(jù)庫據(jù)庫堿基讀取載體標(biāo)識(shí)與去除載體標(biāo)識(shí)與去除測(cè)序儀中原始數(shù)測(cè)序儀中原始數(shù)據(jù)的采樣與分析據(jù)的采樣與分析大規(guī)模基因序列測(cè)定大規(guī)?；蛐蛄袦y(cè)定生物信息學(xué)的內(nèi)容生物信息學(xué)的內(nèi)容基因預(yù)測(cè)基因預(yù)測(cè)DNADNA序列中編碼區(qū)的鑒定序列中編碼區(qū)的鑒定 預(yù)測(cè)方法的根據(jù)預(yù)測(cè)方法的根據(jù): : 編碼統(tǒng)計(jì)學(xué)：編碼區(qū)序列同非編碼區(qū)序列相比，編碼統(tǒng)計(jì)學(xué)：編碼區(qū)序列同非編碼區(qū)序列相比，有

6、不同的特點(diǎn)，存在一些非隨機(jī)的特點(diǎn)有不同的特點(diǎn)，存在一些非隨機(jī)的特點(diǎn) GC GC 含量含量 密碼子偏倚性密碼子偏倚性 (CODON FREQUENCY) (CODON FREQUENCY) 第三個(gè)堿基組成第三個(gè)堿基組成 基因構(gòu)造基因構(gòu)造/ /統(tǒng)計(jì)學(xué)方法統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 比較比較/ /同源性同源性生物信息學(xué)的內(nèi)容生物信息學(xué)的內(nèi)容原核生物基因構(gòu)造原核生物基因構(gòu)造編碼區(qū)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)非翻譯區(qū)轉(zhuǎn)錄區(qū)起始密碼子終止密碼子53轉(zhuǎn)錄終止位點(diǎn)RBS生物信息學(xué)的內(nèi)容生物信息學(xué)的內(nèi)容5啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)非翻譯區(qū)轉(zhuǎn)錄區(qū)起始密碼子 終止密碼子3轉(zhuǎn)錄終止位點(diǎn)外顯子 切除和拼接位點(diǎn)GTAG內(nèi)含子生物信息學(xué)的內(nèi)容生物信息學(xué)的內(nèi)

7、容lHMM?lHMM 描畫了模型中各隱含形狀的轉(zhuǎn)換概率基因組序列基因組序列ATGCGTGCAGTCACCAGCAGTCAGTCGIntronsExon隱含形狀隱含形狀用于基因預(yù)測(cè)的隱馬爾可夫模型Hidden Markov Models ，HMMATGCGTGCAGTCACCAGCAGTCAGTCG基因組序列基因組序列生物信息學(xué)的內(nèi)容生物信息學(xué)的內(nèi)容特定形狀堿基對(duì)的概率取決于它前面堿基對(duì)的形狀 向另一種形狀的轉(zhuǎn)換概率取決于轉(zhuǎn)換信號(hào)的出現(xiàn)(剪切位點(diǎn)) 和/或 在特定隱藏形狀的堿基對(duì)平均數(shù)量 (即內(nèi)含子或外顯子大小).IntronsExonP= 0.5P= 0.8基因組序列基因組序列ATGCGTGC

8、AGTCACCAGCAGTCAGTCG用于基因預(yù)測(cè)的隱馬爾可夫模型用于基因預(yù)測(cè)的隱馬爾可夫模型生物信息學(xué)的內(nèi)容生物信息學(xué)的內(nèi)容n研討主要集中在核苷酸序列的存儲(chǔ)、分類、檢索和分析等方面n新基因的發(fā)現(xiàn)n非蛋白編碼區(qū)生物學(xué)意義的分析n基因組整體功能及其調(diào)理網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)把握n基因組演化與物種演化基因組分析基因組分析生物信息學(xué)的內(nèi)容生物信息學(xué)的內(nèi)容n蛋白質(zhì)構(gòu)造蛋白質(zhì)構(gòu)造n新蛋白的完好、準(zhǔn)確和動(dòng)新蛋白的完好、準(zhǔn)確和動(dòng)態(tài)的三維構(gòu)造態(tài)的三維構(gòu)造n計(jì)算機(jī)輔助構(gòu)造模擬計(jì)算機(jī)輔助構(gòu)造模擬n了解蛋白質(zhì)的氨基酸序列了解蛋白質(zhì)的氨基酸序列和三維構(gòu)造之間的關(guān)系和三維構(gòu)造之間的關(guān)系n蛋白質(zhì)序列及特性分析蛋白質(zhì)序列及特性分析n蛋

9、白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)2.2.蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)組分析蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)組分析生物信息學(xué)的內(nèi)容生物信息學(xué)的內(nèi)容相當(dāng)數(shù)量的蛋白質(zhì)、核酸、多糖的三維構(gòu)造獲得準(zhǔn)確測(cè)定，基于生物大分子構(gòu)造知識(shí)的藥物設(shè)計(jì)成為熱點(diǎn)；根據(jù)靶標(biāo)分子與藥物分子相結(jié)合的活性部位的幾何外形和化學(xué)特征，設(shè)計(jì)出與其相匹配的具有新穎構(gòu)造的藥物分子。3 3 新藥設(shè)計(jì)新藥設(shè)計(jì)三、生物信息學(xué)的研討方法和技術(shù) n數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法n在分析DNA言語中的語義、分析密碼子運(yùn)用頻率、利用馬爾可夫模型進(jìn)展基因識(shí)別n動(dòng)態(tài)規(guī)劃Dynamic Programming方法n一種通用的優(yōu)化方法：在形狀空間中，根據(jù)目的函數(shù)，經(jīng)過遞推，求出一條從形狀起點(diǎn)到形狀終點(diǎn)的最優(yōu)途徑代價(jià)最小的

10、途徑。nDNA序列或者蛋白質(zhì)序列的兩兩對(duì)比陳列n方式識(shí)別技術(shù)n兩種方法n根據(jù)統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)展識(shí)別n根據(jù)對(duì)象的構(gòu)造特征進(jìn)展識(shí)別，常用句法識(shí)別。nDNA序列上功能位點(diǎn)和特征信號(hào)的識(shí)別n數(shù)據(jù)庫技術(shù)n生物分子信息的存儲(chǔ)、管理、查詢等功能建立在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之上n人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)n在功能上、構(gòu)造上模擬大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)n神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算速度快，更具有分析智能n運(yùn)用：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算在優(yōu)化和方式識(shí)別方面具有非常強(qiáng)的才干n基因識(shí)別、蛋白質(zhì)構(gòu)造預(yù)測(cè)上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都獲得了比其它方法更為準(zhǔn)確的結(jié)果n分子模型化技術(shù)n利用計(jì)算機(jī)分析分子構(gòu)造。經(jīng)過交互操作平移、旋轉(zhuǎn)和縮放分子的三維構(gòu)造，從不同的角度察看分子構(gòu)象和外形n分子力學(xué)和量子力學(xué)計(jì)算

11、n主要基于半閱歷勢(shì)函數(shù)的分子力學(xué)方法研討生物大分子的構(gòu)象n量子力學(xué)在確定勢(shì)函數(shù)的參數(shù)和研討部分性質(zhì)n分子動(dòng)力學(xué)模擬n研討蛋白質(zhì)的構(gòu)象及動(dòng)力學(xué)，是計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的根底n遺傳學(xué)運(yùn)算規(guī)那么nOptimisers / EvolversnDNA computingEvolutionary Computation (Metaphors from DNA to Selection)生物信息學(xué)的研討方法和技術(shù)生物信息學(xué)的研討方法和技術(shù) “HalfdayontheWeb，savesyouhalfmonthinthelabn專家系統(tǒng)n將有關(guān)專家的知識(shí)和閱歷以一定的知識(shí)表示方式如產(chǎn)生式規(guī)那么、語義網(wǎng)絡(luò)等存放在計(jì)算中

12、以智能的方式協(xié)助提供參考性決策。如用于基因識(shí)別nInternet技術(shù)n交流：經(jīng)過Internet網(wǎng)交流生物分子數(shù)據(jù)n查閱：從Internet網(wǎng)上查生物分子數(shù)據(jù)，如原始的序列、構(gòu)造數(shù)據(jù)，加工處置的數(shù)據(jù)n效力：將所要處置的數(shù)據(jù)直接送到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)效力器上，效力器接受他的處置懇求，并將處置結(jié)果前往給他生物信息學(xué)的研討方法和技術(shù)生物信息學(xué)的研討方法和技術(shù) 國外不斷非常注重生物信息學(xué)的開展，各種專業(yè)研討機(jī)構(gòu)和公司如雨后春筍般涌現(xiàn)出來，生物科技公司和制藥工業(yè)內(nèi)部的生物信息學(xué)部門的數(shù)量也與日俱增1979年，美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室建立起GenBank數(shù)據(jù)庫；1982年，歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供核酸序列數(shù)據(jù)庫

13、EMBL的效力；1984年，日本著手建立國家級(jí)的核酸序列數(shù)據(jù)庫DDBJ并于1987年開場(chǎng)提供效力四、常用的分子生物學(xué)軟件和數(shù)據(jù)庫p210國內(nèi)對(duì)生物信息學(xué)領(lǐng)域也越來越注重2019年3月，北京大學(xué)于成立了生物信息學(xué)中心；2000年3月，中科院上海生命科學(xué)研討院成立其他，北京大學(xué)的羅靜初和顧孝誠教授在生物信息學(xué)網(wǎng)站建立方面、中科院生物物理所的陳潤(rùn)生研討員在EST序列拼接方面以及在基因組演化方面、天津大學(xué)的張春霆院士在DNA序列的幾何學(xué)分析方面等等軟件和數(shù)據(jù)庫軟件和數(shù)據(jù)庫n基因圖譜數(shù)據(jù)庫n核酸序列數(shù)據(jù)庫n蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫n大分子構(gòu)造數(shù)據(jù)庫等n國際著名的生物信息中心nNCBINationalCenter

14、forBiotechnologyInformation(US)nEBIEuropeanBioinformaticsInstitute(EU)nHGMPHumanGenomeMappingProjectResourceCentre(UK)nExPASyExpertofProteinAnalysisSystem(Switzerland)nCMBICentreofMolecularandBiomolecule(TheNetherlands)nANGISNationalGenomeInformationService(Australia)nNIGNationalInstituteofGenetics(

15、Japan)nBICNationalBioinformaticsCentre(Singapore)1. 數(shù)據(jù)庫n國內(nèi)部分生物信息學(xué)和生物醫(yī)學(xué)信息效力器n北京大學(xué)生物信息中心 n中國生物信息/n北京大學(xué)物理化學(xué)研討所n北京醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)信息n中國科學(xué)院微生物研討所im.acn天津大學(xué)生物信息中心 n中科院計(jì)算所智能信息處置重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室生物信息學(xué)研討組 /n中國科學(xué)院基因組信息學(xué)中心 / DNA數(shù)據(jù)庫nGenbankn包含一切知的核酸序

16、列和蛋白質(zhì)序列，以包含一切知的核酸序列和蛋白質(zhì)序列，以及相關(guān)的文獻(xiàn)著作和生物學(xué)注釋。及相關(guān)的文獻(xiàn)著作和生物學(xué)注釋。n美國國立生物技術(shù)信息中心美國國立生物技術(shù)信息中心(NCBI)建立和建立和維護(hù)維護(hù)nEMBL核酸序列數(shù)據(jù)庫核酸序列數(shù)據(jù)庫n由歐洲生物信息學(xué)研討所由歐洲生物信息學(xué)研討所(EBI)維護(hù)維護(hù)n經(jīng)過因特網(wǎng)上的序列提取系統(tǒng)經(jīng)過因特網(wǎng)上的序列提取系統(tǒng)(SRS)效力效力完成查詢檢索。完成查詢檢索。nDDBJ數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫n日本國立遺傳學(xué)研討所維護(hù)日本國立遺傳學(xué)研討所維護(hù)n與與Genbank和和EMBL核酸庫協(xié)作交換數(shù)據(jù)。核酸庫協(xié)作交換數(shù)據(jù)。運(yùn)用主頁上運(yùn)用主頁上SRS工具進(jìn)展數(shù)據(jù)檢索和序列工具進(jìn)展數(shù)

17、據(jù)檢索和序列分析分析全球數(shù)據(jù)已實(shí)現(xiàn)同步化Global data synchronization軟件和數(shù)據(jù)庫軟件和數(shù)據(jù)庫GenBank的增長(zhǎng)圖片來自/Genbank/genbankstats.html軟件和數(shù)據(jù)庫軟件和數(shù)據(jù)庫資料來自：ddbj.nig.ac.jp/images/ddbjnew/DBGrowth-e.gif2019年6月發(fā)行的第84版EMBL數(shù)據(jù)庫中，總計(jì)超越4525萬條、491億堿基數(shù)量的數(shù)據(jù)庫軟件和數(shù)據(jù)庫軟件和數(shù)據(jù)庫PublicfreeAvailableviaInternet三大基因數(shù)據(jù)庫之間的關(guān)系NucleotideSequenceDataba

18、se(entry)2019.6.15完好序列軟件和數(shù)據(jù)庫軟件和數(shù)據(jù)庫蛋白質(zhì)信息資源數(shù)據(jù)庫PIRn主要提供按同源性和分類學(xué)組織的綜合性、非冗余數(shù)主要提供按同源性和分類學(xué)組織的綜合性、非冗余數(shù)據(jù)庫據(jù)庫nPIRPIR由美國華盛頓的國家醫(yī)學(xué)研討基金會(huì)支持，德國由美國華盛頓的國家醫(yī)學(xué)研討基金會(huì)支持，德國馬普學(xué)會(huì)的慕尼黑蛋白質(zhì)序列信息中心馬普學(xué)會(huì)的慕尼黑蛋白質(zhì)序列信息中心(MIPS)(MIPS)和日本和日本國際蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫國際蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫(JIPID)(JIPID)共同維護(hù)。共同維護(hù)。nPIRPIR經(jīng)過提供蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫、衍生的相關(guān)數(shù)據(jù)庫經(jīng)過提供蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫、衍生的相關(guān)數(shù)據(jù)庫及相應(yīng)的軟件而支

19、持有關(guān)分子進(jìn)化、功能基因組學(xué)和及相應(yīng)的軟件而支持有關(guān)分子進(jìn)化、功能基因組學(xué)和計(jì)算生物學(xué)方面的研討，計(jì)算生物學(xué)方面的研討，軟件和數(shù)據(jù)庫軟件和數(shù)據(jù)庫蛋白質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)庫( PDB)n由美國自然科學(xué)基金會(huì)、能源部和國立衛(wèi)生研討院共同投資建立n主要由X-射線晶體衍射和核磁共振(NMR)測(cè)得的生物大分子三維構(gòu)造組成n用戶可直接查詢、調(diào)用和察看庫中所收錄的任何大分子三維構(gòu)造軟件和數(shù)據(jù)庫軟件和數(shù)據(jù)庫PBD數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)軟件和數(shù)據(jù)庫軟件和數(shù)據(jù)庫2.軟件n序列對(duì)比和數(shù)據(jù)庫搜索軟件BLAST, FASTA, BLITZ等n生物大分子可視化軟件有Rasmol, Mage, Raster3d, Grasp等n與蛋白質(zhì)構(gòu)造有關(guān)

20、的程序有Procheck, WHATIF, DSSP等n大型分子生物學(xué)軟件包如GCG. n在基因識(shí)別著名軟件GRAIL、GeneID、GeneMark等n蛋白質(zhì)二級(jí)構(gòu)造預(yù)測(cè)程序PHD 軟件和數(shù)據(jù)庫軟件和數(shù)據(jù)庫序列分析軟件DNAMANlynnon/ nDNAMAN是美國Lynnon BioSoft公司開發(fā)的高度集成化的分子生物學(xué)運(yùn)用軟件，幾乎可完成一切日常核酸和蛋白質(zhì)序列分析任務(wù)，包括多重序列對(duì)齊、PCR引物設(shè)計(jì)、限制性酶切分析、蛋白質(zhì)序列分析、質(zhì)粒繪圖等。具有面向Windows和Macintosh兩個(gè)版本。 軟件和數(shù)據(jù)庫軟件和數(shù)據(jù)庫綜合序列分析軟件BioE/BioEdit/bioedit.html軟件和數(shù)據(jù)庫軟件和數(shù)據(jù)庫序列分析與管理軟件Omigaaccelrys/produc