生物信息學(xué)現(xiàn)狀和重要研究方向.ppt

生物信息學(xué),主講教師：劉吉平E-MAIL：Liujiping藝術(shù)設(shè)計學(xué)院蠶桑分子生物學(xué)研究室亞太地區(qū)蠶桑培訓(xùn)中心2003年2月,一、概述,二十一世紀是生命科學(xué)的時代，也是信息時代近年來，隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)的發(fā)展，特別是人類基組計劃的實施，不斷產(chǎn)生出巨量的分子生物學(xué)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)有著數(shù)量巨大、關(guān)系復(fù)雜，以至于不利用計算機根本無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和分析。這樣，生物信息學(xué)最終形成一門獨立的學(xué)科并被推上了生物科學(xué)發(fā)展的最前沿。,Bioinformatics:科技界一顆耀眼的新星,在BIOINFORMATICS沒有誕生之前，一個新藥的問世需要十年時間，數(shù)億美元的RDNA序列數(shù)據(jù):14個月增長一倍;,近年來GenBank中的DNA堿基數(shù)目呈指數(shù)增加，大約每14個月增加一倍。到1999年12月其數(shù)目已達30億，它們來自47000種生物。2000年4月DNA堿基數(shù)目是60億?，F(xiàn)在，2001年初這一數(shù)目已達110億。各種生物的EST序列已達600多萬條，其中人類的EST序列已超過300萬條，估計覆蓋人類基因90以上；自全長1.8Mb的嗜血流感桿菌（HaemophilusinfluenzaeRd）基因組序列于1995年發(fā)表（Fleischmannetal.，1995）以來，已有54個模式生物的完整基因組被測序完成，它們中有9個古細菌、31個原核真細菌、14個真核生物的完整基因組或它們的完整染色體，其中包括釀酒酵母和線蟲。還有另外的70余個微生物基因組正在測試當中。,美國的核酸數(shù)據(jù)庫GenBank從1979年開始建設(shè)，1982年正式運行；歐洲分子生物學(xué)實驗室的EMBL數(shù)據(jù)庫也于1982年開始服務(wù)；日本于1984年開始建立國家級的核酸數(shù)據(jù)庫DDBJ，并于1987年正式服務(wù)。從那個時候以來，DNA序列的數(shù)據(jù)已經(jīng)從80年代初期的百把條序列，幾十萬堿基上升至現(xiàn)在的110億堿基！這就是說，在短短的約18年間，數(shù)據(jù)量增長了近十萬倍。,Dbcat統(tǒng)計的生物信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)目分類數(shù)據(jù)庫數(shù)目分類數(shù)據(jù)庫數(shù)目DNA87RNA30蛋白質(zhì)94基因組58基因圖譜30蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)18文獻43其他153,果蠅基因組包括1.2億堿基對的編碼區(qū)已于2000年2月測序并組裝完成；人類基因組研究的標志性工作，包含3300萬堿基對的人第22號染色體已于1999年11月完成測序，結(jié)果發(fā)表在1999年12月2日的Nature上。從第22號染色體已鑒定出679個基因，其中55的基因是未知的。有35種疾病與該染色體突變相關(guān)，像免疫系統(tǒng)疾病、先天性心臟病和精神分裂癥。作為人類基因組研究的里程碑性的工作，覆蓋率為90的人完整基因組的“工作草圖”已經(jīng)在2000年4月底完成，到2003年將獲得覆蓋率為99的人類基因組全部序列。對人的大約3萬個基因。到目前為止已定位在染色體上的基因數(shù)目有14015個(見）,Howmanycharactersareinthe“HeavenBook”?3*10910,000books1book100pages1page3,000charactersCCGGTCTCCCCGCCCGCGCGCGAAGTAAAGGCCCAGCGCAGCCCGCGCTCCTGCCCTGGGGCCTCGTCTTTCTCCAGGAAAACGTGGACCGCTCTCCGCCGACAGTCTCTTCCACAGACCCCTGTCGCCTTCGCCCCCCGGTCTCTTCCGGTTCTGTCTTTTCGCTGGCTCGATACGAACAAGGAAGTCGCCCCCAGCGAGCCCCGGCTCCCCCAGGCAGAGGCGGCCCCGGGGGCGGAGTCAACGGCGGAGGCACGCCCTCTGTGAAAGGGCGGGGCATGCAAATTCGAAATGAAAGCCCGGGAACGCCGAAGAAGCACGGGTGTAAGATTTCCCTTTTCAAAGGCGGGAGAATAAGAAATCAGCCCGAGAGTGTAAGGGCGTCAATAGCGCTGTGGACGAGACAGAGGGAATGGGGCAAGGAGCGAGGCTGGGGCTCTCACCGCGACTTGAATGTGGATGAGAGTGGGACGGTGACGGCGGGCGCGAAGGCGAGCGCATCGCTTCTCGGCCTTTTGGCTAAGATCAAGTGTAGTATCTGTTCTTATCAGTTTAATATCTGATACGTCCTCTATCCGAGGACAATATATTAAATGGATTGATCAATCCGCTTCAGCCTCCCGAGTAGCTGGGACTACAGACGGTGCCATCACGCCCAGCTCATTGTTGATTCCCGCCCCCTTGGTAGAGACGGGATTCCGCTATATTGCCTGGGCTGGTGTCGAACTCATAGAACAAAGGATCCTCCCTCCTGGGCCTGGGCGTGGGCTCGCAAAACGCTGGGATTCCCGGATTACAGGCGGGCGCACCACACCAGGAGCAAACACTTCCGGTTTTAAAAATTCAGTTTGTGATTGGCTGTCATTCAGTATTATGCTAATTAAGCATGCCCGGTTTTAAACCTCTTAAAACAACTTTTAAAATTACCTTTCCACCTAAAACGTTAAAATTTGTCAAGTGATAATATTCGACAAGCTGTTATTGCCAAACTATTTTCCTATTTGTTTCCTAATGGCATCGGAACTAGCGAAAGTTTCTCGCCATCAGTTAAAAGTTTGCGGCAGATGTAGACCTAGCAGAGGTGTGCGAGGAGGCCGTTAAGACTATACTTTCAGGGATCATTTCTATAGTGTGTTACTAGAGAAGTTTCTCTGAACGTGTAGAGCACCGAAAACCACGAGGAAGAGAGGTAGCGTTTTCATCGGGTTACCTAAGTGCAGTGTCCCCCCTGGCGCGCAATTGGGAACCCCACACGCGGTGTAGAAATATATTTTAAGGGCGCG(1250characters)關(guān)鍵是先要從一個個序列片段中得到這本天書,已測序的重要模式生物：,分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的文獻積累從60年代中期的接近10萬篇迅速增長至60年代末期的20多萬篇，即在3-4年間，翻了一番。此后，至80年代中期，上升至約30萬篇，即平均每年增長6-7千篇。至90年代中，文獻數(shù)已上升至40多萬篇；即在10年中，平均每年增長1萬篇。到2000年，則增長至約50萬篇，即在約5年間，又增長了10萬篇（根據(jù)有關(guān)PubMed數(shù)據(jù)整理）。,1、發(fā)展現(xiàn)狀,生物信息學(xué)的發(fā)展將會對生命科學(xué)帶來革命性的變革。它的成果不僅對相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科起巨大的推動作用，而且還將對醫(yī)藥、衛(wèi)生、食品、農(nóng)業(yè)等產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大的影響，甚至引發(fā)新的產(chǎn)業(yè)革命。,生物醫(yī)藥工業(yè)推動生物信息學(xué)的發(fā)展,生物醫(yī)藥工業(yè)也是推動生物信息學(xué)發(fā)展的重要動力。HGP所推動的大規(guī)模DNA測序也為生物醫(yī)藥工業(yè)提供了大量可用于新藥開發(fā)的原材料。有些基因產(chǎn)物可以直接作為藥物，而有些基因則可以成為藥物作用的對象。生物信息學(xué)為分子生物學(xué)家提供了大量對基因序列進行分析的工具，不但可以從資料的獲取、基因功能的預(yù)測、藥物篩選過程中的信息處理等方面大大加快新藥開發(fā)的進程，而且可以大大加快傳統(tǒng)的基因發(fā)現(xiàn)和研究，因而成為各贏利性研究機構(gòu)和醫(yī)藥公司爭奪基因?qū)＠闹匾ぞ?，這一競爭又反過來極大的刺激了生物信息學(xué)的發(fā)展。,2、國外發(fā)展現(xiàn)狀,因此，各國政府和工業(yè)界對此極為重視，投入了大量資金。歐美各國及日本相繼成立了生物信息中心，如美國的國家生物技術(shù)信息中心（NationalCenterforBiotechnologyInformatics，NCBI）、歐洲生物信息學(xué)研究所(EuropeanBioinformaticInstitute，EBI)、日本信息生物學(xué)中心（CenterforInformationBiology，CIB）等。NCBI、EBI和CIB相互合作，共同維護著GenBank、EMBL、DDBJ三大基因序列數(shù)據(jù)庫。它們每天通過計算機網(wǎng)絡(luò)互相交換數(shù)據(jù)，使得三個數(shù)據(jù)庫能同時獲得最新數(shù)據(jù)。此外，他們每年召開兩個年會討論合作事宜。,3、國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀,在我國，生物信息學(xué)隨著人類基因組研究的展開才剛剛起步，但已顯露出蓬勃發(fā)展的勢頭。在政府的支持和科學(xué)家的呼吁下，國家級生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)中心正在籌建之中。各地政府也給予了足夠重視，北京市已經(jīng)成立了北京生物工程學(xué)會生物信息學(xué)專業(yè)委員會（即北方生物信息學(xué)研究會），目的在于聯(lián)合北方地區(qū)從事生物信息學(xué)的專家，加強合作，促進學(xué)科的發(fā)展，并為政府決策提供參考意見。,4、國內(nèi)的一些科研單位,國內(nèi)一些科研單位已經(jīng)開始摸索著從事這方面的工作。清華大學(xué)在基因調(diào)控及基因功能分析、蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)預(yù)測方面、天津大學(xué)物理系和中科院理論物理所在相關(guān)算法方面、中科院生物物理所在基因組大規(guī)模測序數(shù)據(jù)的組裝和標識方面、北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院物理化學(xué)研究所在蛋白質(zhì)分子設(shè)計方面、華大基因組研究中心（中科院遺傳所人類基因組研究中心）在大規(guī)模測序數(shù)據(jù)處理自動化流程體系及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建立方面均已展開相關(guān)研究。復(fù)旦大學(xué)遺傳學(xué)研究所為克隆新基因而建立的一整套生物信息系統(tǒng)也已初具規(guī)模；中科院上海生化所、生物物理所等單位在結(jié)構(gòu)生物學(xué)和基因預(yù)測研究方面也有相當?shù)幕A(chǔ)。,4、國內(nèi)的一些科研單位,清華大學(xué)在基因調(diào)控及基因功能分析、蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)預(yù)測方面、天津大學(xué)物理系和中科院理論物理所在相關(guān)算法方面、中科院生物物理所在基因組大規(guī)模測序數(shù)據(jù)的組裝和標識方面、北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院物理化學(xué)研究所在蛋白質(zhì)分子設(shè)計方面、華大基因組研究中心（中科院遺傳所人類基因組研究中心）在大規(guī)模測序數(shù)據(jù)處理自動化流程體系及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建立方面均已展開相關(guān)研究。北京大學(xué)已建立了EMBL中國鏡像數(shù)據(jù)庫，將該數(shù)據(jù)庫移植到中國本地，并提供部分的檢索服務(wù)http：/www.I,生物信息學(xué)是把基因組DNA序列信息分析作為源頭，破譯隱藏在DNA序列中的遺傳語言，特別是非編碼區(qū)的實質(zhì)；同時在發(fā)現(xiàn)了新基因信息之后進行蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)模擬和預(yù)測。,生物信息學(xué)的研究目標是揭示“基因組信息結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及遺傳語言的根本規(guī)律”。它是當今乃至下一世紀自然科學(xué)和技術(shù)