現(xiàn)代生物技術(shù)第十章-生物信息學(xué)

生物技術(shù)Biotechnology食品與營養(yǎng)工程學(xué)院李西騰第十章生物信息學(xué)生物技術(shù)創(chuàng)造的保護(hù)生物信息學(xué)的主要應(yīng)用分子信息學(xué)數(shù)據(jù)庫生物信息學(xué)的概念第一節(jié)生物信息學(xué)的概念生物信息學(xué)廣義：生物信息學(xué)是從事對(duì)生物信息的獲取、處理、存儲(chǔ)、分配、分析和釋讀，并綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和生物學(xué)的各種工具，來說明和理解大量數(shù)據(jù)所包含的生物學(xué)意義的交叉科學(xué)。狹義：將計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)應(yīng)用于生物大分子信息的獲取、加工、存儲(chǔ)、分類、檢索與分析，以到達(dá)理解這些生物大分子信息的生物學(xué)意義的交叉學(xué)科。第二節(jié)分子生物信息數(shù)據(jù)庫及其分祈一、分子生物信息數(shù)據(jù)庫大量生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)積累，形成了當(dāng)前數(shù)以百計(jì)的生物信息數(shù)據(jù)庫。它們各自按一定的目標(biāo)收集和整理生物學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并提供相關(guān)的數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)處理的效勞。隨著因特網(wǎng)的普及，這些數(shù)據(jù)庫大多可以通過網(wǎng)絡(luò)來訪問，或者通過網(wǎng)絡(luò)下載。一、分子生物信息數(shù)據(jù)庫分子生物信息數(shù)據(jù)庫歸納起來，大體可以分為四大類：即基因組數(shù)據(jù)庫、核酸和蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)序列數(shù)據(jù)庫、生物大分子(主要是蛋白質(zhì))三維空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫以及以上述三類數(shù)據(jù)庫和文獻(xiàn)資料為根底構(gòu)建的二次數(shù)據(jù)庫。基因組數(shù)據(jù)庫來自基因組作圖，序列數(shù)據(jù)庫來自序列測(cè)定，結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫來自x衍射和核磁共振結(jié)構(gòu)測(cè)定。這些數(shù)據(jù)庫是分子生物信息學(xué)的根本數(shù)據(jù)資源，通常稱為一次數(shù)據(jù)庫，它的數(shù)據(jù)庫量大，更新速度快，用戶面廣，需要高性能的計(jì)算機(jī)硬件、大容量的磁盤空間和專門的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)支撐。一、分子生物信息數(shù)據(jù)庫二次數(shù)據(jù)庫是在核酸序列數(shù)據(jù)庫、蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫以及大分子空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫等根底之上構(gòu)建的，是不同研究領(lǐng)域的研究人員，對(duì)基因組圖譜、核酸和蛋白質(zhì)序列、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)以及文獻(xiàn)等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理、歸納、注釋，構(gòu)建出的具有特殊生物學(xué)意義和專門用途的二次數(shù)據(jù)庫。一、分子生物信息數(shù)據(jù)庫〔一〕基因組數(shù)據(jù)庫基因組數(shù)據(jù)庫的主體是模式生物基因組數(shù)據(jù)庫，其中最主要的是由世界各國聯(lián)合研究的人類基因組研究中心、測(cè)序中心構(gòu)建的各種人類基因組數(shù)據(jù)庫。

一、分子生物信息數(shù)據(jù)庫〔一〕基因組數(shù)據(jù)庫目前已建成幾十種微生物、動(dòng)物、植物基因組網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫，小鼠、河豚魚、擬南芥、水稻、線蟲、果蠅、酵母、大腸桿菌等各種模式生物基因組數(shù)據(jù)庫或基因組信息資源都可以在網(wǎng)上找到。除了模式生物基因組數(shù)據(jù)庫外，基因組信息資源還包括染色體、基因突變、遺傳疾病、分類學(xué)、比較基因組、基因調(diào)控和表達(dá)、放射雜交、基因圖譜等各種數(shù)據(jù)庫。一、分子生物信息數(shù)據(jù)庫〔二〕核酸及蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫序列數(shù)據(jù)庫是分子生物信息數(shù)據(jù)庫中最根本的數(shù)據(jù)庫，包括核酸和蛋白質(zhì)．以核苷酸堿基順序或氨基酸殘基順序?yàn)楦緝?nèi)容，并附有注釋信息。序列數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的序列數(shù)據(jù)來自核酸和蛋白質(zhì)序列測(cè)定，由數(shù)據(jù)錄入人員通過查閱文獻(xiàn)、雜志按集，或者由科研人員用磁盤、電子郵件、網(wǎng)上提交等方式向國際生物信息數(shù)據(jù)庫中心遞交。數(shù)據(jù)中心對(duì)搜集到的序列數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、維護(hù)，并定期通過互聯(lián)網(wǎng)、磁盤、磁帶和光盤等方式向全世界發(fā)布。一、分子生物信息數(shù)據(jù)庫〔三〕生物大分子三維空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫蛋白質(zhì)分子的各種功能，是通過不同的三維空間結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。因此，蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫是生物大分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫的主要組成局部。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫是隨x射線晶體衍射分子結(jié)構(gòu)測(cè)定技術(shù)使用而出現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫，其根本內(nèi)容為實(shí)驗(yàn)測(cè)定的蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)原子坐標(biāo)。20世紀(jì)90年代以來，越來越多的蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)被測(cè)定，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類的研究不斷深入，出現(xiàn)了蛋白質(zhì)家族、折疊模式、結(jié)構(gòu)域、回環(huán)等數(shù)據(jù)庫。一、分子生物信息數(shù)據(jù)庫〔三〕生物大分子三維空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的一個(gè)重要方向。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)是三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫的重要組成局部。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類可以包括不同層次，如折疊類型、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、家族、超家族、結(jié)構(gòu)域、二級(jí)結(jié)構(gòu)、超二級(jí)結(jié)構(gòu)等。一、分子生物信息數(shù)據(jù)庫〔四〕二次數(shù)據(jù)庫以基因組、序列和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫為根底，結(jié)合文獻(xiàn)資料，研究開發(fā)的專用數(shù)據(jù)庫信息系統(tǒng)即二次數(shù)據(jù)庫，是生物信息學(xué)研究的一個(gè)重要方面。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的開展和普及，這些數(shù)據(jù)庫多以web界面為根底，不僅具有文字信息，而且以表格、圖形、圖表等方式顯示數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，并帶有超文本鏈接。從用戶角度看，許多二次數(shù)據(jù)庫實(shí)際上就是一個(gè)專門的數(shù)據(jù)庫信息系統(tǒng)。二、數(shù)據(jù)庫的查詢與搜索(一)數(shù)據(jù)庫的查詢數(shù)據(jù)庫查詢也稱數(shù)據(jù)庫檢索，是指對(duì)序列、結(jié)構(gòu)以及各種二次數(shù)據(jù)庫中的注釋信息進(jìn)行關(guān)鍵詞匹配查找。通過對(duì)輸入的關(guān)鍵詞在相關(guān)數(shù)據(jù)庫在進(jìn)行查詢，結(jié)果顯示出與輸入的關(guān)鍵詞相關(guān)的條目，然后可以根據(jù)它們的鏈接進(jìn)行分析。SRS和Entrez是兩個(gè)著名的數(shù)據(jù)庫查詢系統(tǒng)，分別是由歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室和NCBI開發(fā)。第三節(jié)生物信息學(xué)的主要應(yīng)用大規(guī)?；蚪M測(cè)序中的信息分析新基因和單核苷酸多態(tài)性的發(fā)現(xiàn)與鑒定非編碼區(qū)信息結(jié)構(gòu)分析遺傳密碼的起源和生物進(jìn)化研究完整基因組的比較研究大規(guī)?；蚬δ鼙磉_(dá)譜的分析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)與藥物設(shè)計(jì)生物信息學(xué)在基因芯片上的應(yīng)用生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)育種上的應(yīng)用第四