山西師大郜剛生物信息學-01-1-生物信息學的大眾認識和專家談

1、生物信息學Go Gng郜剛山西師范大學生命科學學院 CCTV10_Bioinfomatics生物信息學大眾視頻播放 生物信息身份證 視頻播放背景背景： 當前人類基因組研究已進入一個重要時期，2000年將獲得人類基因組的全部序列，這是基因組研究的轉(zhuǎn)折點和關(guān)鍵時刻，意味著人類基因組的研究將全面進入信息提取和數(shù)據(jù)分析階段，即生物信息學發(fā)揮重要作用的階段。 到1999年12月15日發(fā)布的第115版為止，GenBank中的DNA堿基數(shù)目已達46億5千萬，DNA序列數(shù)目達到535萬；其中EST序列超過339萬條； UniGene的數(shù)目已達到7萬個；已有25個模式生物的完整基因組被測序完成，另外的70個模式

2、生物基因組正在測序當中； 到2000年1月28日為止，人類基因組已有16%的序列完成測定，另外37.7%的序列已經(jīng)初步完成；同時功能基因組和蛋白質(zhì)組的大量數(shù)據(jù)已開始涌現(xiàn)。如何分析這些數(shù)據(jù)，從中獲得生物結(jié)構(gòu)、功能的相關(guān)信息是基因組研究取得成果的決定性步驟。 核心核心： 生物信息學是在此背景下發(fā)展起來的綜合運用生物學、數(shù)學、物理學、信息科學以及計算機科學等諸多學科的理論方法的嶄新交叉學科。生物信息學是內(nèi)涵非常豐富的學科，其核心是基因組信息學，包括基因組信息的獲取、處理、存儲、分配和解釋。關(guān)鍵關(guān)鍵： 基因組信息學的關(guān)鍵是“讀懂”基因組的核苷酸順序，即全部基因在染色體上的確切位置以及各DNA片段的功能

3、；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)模擬和預測，然后依據(jù)特定蛋白質(zhì)的功能進行藥物設(shè)計。了解基因表達的調(diào)控機理也是生物信息學的重要內(nèi)容，根據(jù)生物分子在基因調(diào)控中的作用，描述人類疾病的診斷、治療內(nèi)在規(guī)律。它的研究目標是揭示基因組信息結(jié)構(gòu)的復雜性及遺傳語言的根本規(guī)律，解釋生命的遺傳語言。生物信息學已成為整個生命科學發(fā)展的重要組成部分，成為生命科學研究的前沿。 研究內(nèi)容研究內(nèi)容： 從目前生物信息學的研究情況來看，國際上公認的生物信息學的研究內(nèi)容，大致包括以下幾個方面： 生物信息的收集、存儲、管理與提供。包括建立國際基本生物信息庫和生物信息傳輸?shù)膰H聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)；建立生物信息數(shù)據(jù)質(zhì)量的評估與檢測系

4、統(tǒng)；生物信息的在線服務(wù)；生物信息可視化和專家系統(tǒng)。研究內(nèi)容研究內(nèi)容： 從目前生物信息學的研究情況來看，國際上公認的生物信息學的研究內(nèi)容，大致包括以下幾個方面： 生物信息的收集、存儲、管理與提供。包括建立國際基本生物信息庫和生物信息傳輸?shù)膰H聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)；建立生物信息數(shù)據(jù)質(zhì)量的評估與檢測系統(tǒng)；生物信息的在線服務(wù)；生物信息可視化和專家系統(tǒng)。 基因組序列信息的提取和分析。包括基因的發(fā)現(xiàn)與鑒定，如利用國際EST 數(shù)據(jù)庫 (dbEST) 和各自實驗室測定的相應(yīng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過大規(guī)模 并行計算發(fā)現(xiàn)新基因和新SNPs以及各種功能位點；基因組中非編碼區(qū)的信息結(jié)構(gòu)分析，提出理論模型，闡明該區(qū)域的重要生物學功能；進行模式生

5、物完整基因組的信息結(jié)構(gòu)分析和比較研究；利用生物信息研究遺傳密碼起源、基因組結(jié)構(gòu)的演化、基因組空間結(jié)構(gòu)與DNA折疊的關(guān)系以及基因組信息與生物進化關(guān)系等生物學的重大問題。 研究內(nèi)容研究內(nèi)容： 功能基因組相關(guān)信息分析。包括與大規(guī)?；虮磉_譜分析相關(guān)的算法、軟件研究，基因表達調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的研究；與基因組信息相關(guān)的核酸、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的預測和模擬，以及蛋白質(zhì)功能預測的研究。 生物大分子結(jié)構(gòu)模擬和藥物設(shè)計。包括RNA(核糖核酸)的結(jié)構(gòu)模擬和反義RNA的分子設(shè)計；蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)模擬和分子設(shè)計；具有不同功能域的復合蛋白質(zhì)以及連接肽的設(shè)計；生物活性分子的電子結(jié)構(gòu)計算和設(shè)計；納米生物材料的模擬與設(shè)計；基于酶和功能蛋白

6、質(zhì)結(jié)構(gòu)、細胞表面受體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計；基于DNA結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計等。 研究內(nèi)容研究內(nèi)容： 生物信息分析的技術(shù)與方法研究。包括發(fā)展有效的能支持大尺度作圖與測序需要的軟件、數(shù)據(jù)庫以及若干數(shù)據(jù)庫工具，諸如電子網(wǎng)絡(luò)等遠程通訊工具；改進現(xiàn)有的理論分析方法，如統(tǒng)計方法、模式識別方法、隱馬爾科夫過程方法、分維方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、復雜性分析方法、密碼學方法、多序列比較方法等；創(chuàng)建一切適用于基因組信息分析的新方法、新技術(shù)。包括引入復雜系統(tǒng)分析技術(shù)、信息系統(tǒng)分析技術(shù)等；建立嚴格的多序列比較方法；發(fā)展與應(yīng)用密碼學方法以及其他算法和分析技術(shù)，用于解釋基因組的信息，探索DNA序列及其空間結(jié)構(gòu)信息的新表征；發(fā)展研究基因組完整

7、信息結(jié)構(gòu)和信息網(wǎng)絡(luò)的研究方法等；發(fā)展生物大分子空間結(jié)構(gòu)模擬、電子結(jié)構(gòu)模擬和藥物設(shè)計的新方法與新技術(shù)。 研究內(nèi)容研究內(nèi)容： 應(yīng)用與發(fā)展研究。匯集與疾病相關(guān)的人類基因信息，發(fā)展患者樣品序列信息檢測技術(shù)和基于序列信息選擇表達載體、引物的技術(shù)，建立與動植物良種繁育相關(guān)的數(shù)據(jù)庫以及與大分子設(shè)計和藥物設(shè)計相關(guān)的數(shù)據(jù)庫。北京大學 生物信息學中心 羅靜初教授中國科學院院士第三世界科學院院士中國科學院理論物理研究所研究員上海復旦大學理論生命科學研究中心主任郝柏林院士中國科學院院士中國科學院院士郝柏林教授郝柏林教授 郝柏林 1934年6月生于北京市。1959年畢業(yè)于烏克蘭國立哈爾科夫大學物理數(shù)學系。后在中國科學院

8、物理研究所工作。1978年晉升為研究員、副所長。1980年11月當選為中國科學院院士?，F(xiàn)任物理學系研究員、博士生導師。兼任中國博士后基金會副理事長、陳嘉庚國際學會常務(wù)董事。曾任中國科學院理論物理研究所副所長、所長。 主要從事理論物理、計算物理、非線性科學和理論生命科學的研究。涉及固體電子能譜和聲子譜、金屬紅外性質(zhì)、高分子半導體理論、統(tǒng)計物理模型、相變和臨界現(xiàn)象、臨界動力學、閉路格林函數(shù)方法、動力電網(wǎng)計算、天線計算、地震活動性統(tǒng)計分析、群論知識工程系統(tǒng)、計算機程序設(shè)計、混沌動力學和符號動力學、DNA序列分析等領(lǐng)域。 1997年夏，在把英文專著實用符號動力學與混沌書稿送出之后，郝柏林著重轉(zhuǎn)向理論生

9、命科學領(lǐng)域研究。早在1985年，他就著手補充生物學知識。之后，又訪問國際生物學數(shù)據(jù)庫并下載軟件。1995年與生物學部鄒承魯院士，共同組織香山會議，并主編出版理論物理與生命科學一書。1999年郝柏林在一份院士建議中提出，盡快建立國家級的生物醫(yī)學信息中心，引起政府有關(guān)部門的重視。第二年，他與合作者共同撰寫生物信息學手冊。之后又在聯(lián)合舉辦的研究生班系統(tǒng)講課，批量培養(yǎng)年青一代生物信息學人才。從學科交叉漫談生物信息學郝柏林復旦大學理論生命科學研究中心中國科學院理論物理研究所http:/ 同源而殊途：同源于描述和解釋自然、人類以及人和自然的關(guān)系。 數(shù)學是自然科學的“畫筆”：定量而不僅是定性地掌握自然規(guī)律。

10、 科學結(jié)論具有可以定量檢驗的預測能力。 “數(shù)學”和“定量”包括解析、數(shù)值、圖形和其它主要由現(xiàn)代計算機提供的模擬手段。 物理學已經(jīng)成為鼎立于實驗、理論和計算三大支柱上的成熟的學科。生物是物，生物學也會受到物理學的啟發(fā)。生物是物生物有理天地有大美而不言,萬物有成理而不說。夫圣人者原天地之美，而達萬物之理。莊子，知北游物含妙理總堪尋(北京頤和園銅亭出口處對聯(lián)下聯(lián))細推物理須行樂何用浮名絆此身 杜甫耳目之察，不足以分物理。淮南子。覽冥訓需要儀器觀測和理論思維 物理學與生物學的相互促進由來已久電學和電生理學同時誕生C. A. de Coulomb, 1785L. Galvani, 1791生物學為物理學

11、啟示過能量守恒 醫(yī)生R. J. Mayer (1842)：受動、靜脈血色差別啟發(fā)，第一個給出熱功當量。 物理學家J. P. Joule (1843)：熱功當量。 現(xiàn)役軍醫(yī)H. von Helmholtz (1847)：把能量守恒從機械運動推廣到熱、電、磁乃至生命現(xiàn)象。（24年后任物理教授） （感謝劉寄星博士核實姓名年代）物理學為生物學提供過大量工具 光學顯微鏡(1590)： 細胞(1665) 細菌(Antonie van Leeuwenhoek,1683) (Muller確認細菌為一類生物, 1773) X射線衍射晶體結(jié)構(gòu)分析 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)（JD Watson,FHC Crick,1953

12、） 肌紅蛋白、血紅蛋白晶體結(jié)構(gòu)（1957,1959） 電子顯微鏡、掃描電鏡、隧道掃描電鏡物理學為生物學提供過大量工具 各種光譜方法、熒光標記 中子衍射 示蹤原子、放射性標記 核磁共振波譜 質(zhì)譜儀 “化學”儀器：超速離心機、液相色譜分析、圓偏振二向色性分析、凝膠電泳物理學為生物學提供了新思想負熵非周期晶體對熱漲落的擔心三聯(lián)碼（George Gamow, 1954）生物中的“標度”和“分形”Erwin Schrodinger, What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell, 1944, Michael P. Murphy and Luke

13、 A. J. ONeill, eds. What is Life? The Next Fifty Years, Cambridge University Press, 1995, 1997.數(shù)學是關(guān)于形和數(shù)的科學分析代數(shù)幾何統(tǒng)計、概率和隨機過程離散數(shù)學：組合學、圖論、語言學生物有形生物有數(shù)生物有形，人所共識。地球上自然之美，多數(shù)來自生物本身和它們的營造。生物有數(shù)，則經(jīng)歷了漫長的認識過程。生物有形 HIV 病毒1. 粘菌(Slime mold)：自組織現(xiàn)象的實例“數(shù)學的應(yīng)用:生物學中的數(shù)學=0.”（恩格斯：1885）于光遠等譯,自然辯證法,人民出版社, 1984, 172頁生物有數(shù)生物多樣性（宏

14、觀數(shù)據(jù)） 現(xiàn)存物種知多少？ 從2 百萬到10億的種種估計 2003年11月初GenBank核酸數(shù)據(jù)庫中有 154 089 種生物至少有1條數(shù)據(jù) 其中只有約半數(shù)有某些分類學信息 目前地球上存活著約 5000 種哺乳動物,約9000種鳥類 細菌是地球上最成功的物種,然而我們不知道它們的數(shù)目有多少生物數(shù)據(jù)的產(chǎn)量 中國科學院基因組學研究所（“華大基因”）每天的測序能力：5000萬堿基對（5*107） 一個人的基因組：3.2*109 堿基對 秈稻基因組：4.3*108堿基對 全世界每年生物數(shù)據(jù)產(chǎn)出量：1015字節(jié) 英國Sanger中心今后5年每年新增硬盤：80-100TB，即(0.81)*1014字節(jié)G

15、enBank 138版(2003年10月15日) 序列數(shù): 29 819 397 (2981萬) 核苷酸(字母)數(shù): 35 599 621 471 (355億) 序列平均長度: 1193計算機：用火以來的最偉大發(fā)明 ENIAC（1944）：每秒330次乘法運算 神威計算機：每秒3840億次浮點運算 曙光3000計算機：每秒4000億次浮點運算 每秒1萬億次=1012次/秒數(shù)學、物理和計算機科學大有可為生物學引論地球上的自然史 13 Bys: 大爆炸 4.9 Bys: 太陽系和地球誕生 3.8 Bys: 地球上出現(xiàn)原始生命 2.7 Bys: 細菌、光和作用 1.7 Bys: 多細胞生物 550

16、Mys: 寒武紀(Cambrian)物種大爆發(fā) 425 Mys: 志留紀(Silurian)物種爆發(fā) 65 Mys: 恐龍滅絕 3.5 Mys: 化石古猿科與人科分離 0.7 Mys: 人類與黑猩猩分離 0.5 Mys: 北京人 (Homo erectus) 0.4 Mys: 智人(Homo sapiens) 100-20 Kys: 山頂洞人 221 BC, 2224年前：秦始皇統(tǒng)一中國 模式生物 噬菌體(Bacteriophage: lambda, T4, T7) 病毒(Viruses: SV40, HIV) 大腸桿菌(Escherichia coli) 酵母(Saccharomyces c

17、erevisiae , yeast budding) 線蟲(Caenorhabitidis elegans, nematode, worm) 果蠅(Drosophila melanogaster, fruitfly) 擬南芥(Arabidopsis thaliana) 水稻(Oryza sativa, rice) 非洲爪蟾(Xenopus laviae, African frog) 斑馬魚(Danio rerio, Zebra fish) 小鼠(Mus musculus, mouse) 智人(Homo sapiens)遺傳物質(zhì) 核酸(DNA)：線性和環(huán)狀 質(zhì)粒(Plasmids)：線性和環(huán)狀

18、染色體：DNA + 組蛋白 線粒體：有自己的DNA 葉綠體：也有自己的DNA生命現(xiàn)象的眾多層次 系統(tǒng)生物學、生物復雜性、生態(tài)系統(tǒng) 生物多樣性、種群動力學 動物行為科學 個體、器官、組織 細胞及其通信、信號傳導 免疫網(wǎng)絡(luò)、調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、代謝網(wǎng)絡(luò) 復制、轉(zhuǎn)錄、剪接、翻譯、運輸 生物大分子: 蛋白質(zhì)與核酸（DNA、RNA） 小分子(糖、脂肪、核苷酸、氨基酸)、金屬離子、水 分子和原子的相互作用來自我們工作的幾個具體例子 完全基因組中的缺失和稀少字串：相關(guān)的組合學和語言學問題 秈稻基因組框架圖：測序讀出大量短串的拼接、重復序列帶來的困難、長DNA鏈中尋找基因 細菌親緣關(guān)系和分類學 細菌完全基因組中的缺失和

19、稀少短核苷酸串以大腸桿菌為例：一個DNA環(huán)：4 639 221 個a,c,g,t字母長度為8的短串共有種65536種同長隨機序列中平均每種串出現(xiàn)71次實際情形如何？seeDNA程序演示C語言 + Xlib + XtoolkitUNIX或LINUX平臺由GenBank取得基因組數(shù)據(jù)背后的組合學和語言學問題水稻葉綠體基因組可能曾經(jīng)是一種光合細菌 全部由a、c、g、t四種核苷酸組成的序列 粳稻（日本1989）：134525個字母秈稻（中國2001）：134559個字母cccaatatcttgcttcagcaagatattgggtatttctagctttcctttcttcaaaaattgctatatg

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