生物信息學(xué)-01-1-生物信息學(xué)的大眾認(rèn)識(shí)和專家談?wù)n件

1、生物信息學(xué)Go Gng郜剛山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院CCTV10_Bioinfomatics生物信息學(xué)大眾視頻播放生物信息身份證視頻播放背景：當(dāng)前人類基因組研究已進(jìn)入一個(gè)重要時(shí)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(diǎn)和關(guān)鍵時(shí)刻，意味著人類基因組的研究將全面進(jìn)入信息提取和數(shù)據(jù)分析階段，即生物信息學(xué)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(dá)46億5千萬，DNA序列數(shù)目達(dá)到535萬；其中EST序列超過339萬條； UniGene的數(shù)目已達(dá)到7萬個(gè)；已有25個(gè)模式生物的完整基因組被測(cè)序完成，另外的70個(gè)模式生物基因組正在

2、測(cè)序當(dāng)中；到2000年1月28日為止，人類基因組已有16%的序列完成測(cè)定，另外37.7%的序列已經(jīng)初步完成；同時(shí)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：生物信息學(xué)是在此背景下發(fā)展起來的綜合運(yùn)用生物學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、信息科學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等諸多學(xué)科的理論方法的嶄新交叉學(xué)科。生物信息學(xué)是內(nèi)涵非常豐富的學(xué)科，其核心是基因組信息學(xué)，包括基因組信息的獲取、處理、存儲(chǔ)、分配和解釋。關(guān)鍵：基因組信息學(xué)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；同時(shí)在發(fā)現(xiàn)了新基因信息之后

3、進(jìn)行蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)模擬和預(yù)測(cè)，然后依據(jù)特定蛋白質(zhì)的功能進(jìn)行藥物設(shè)計(jì)。了解基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)理也是生物信息學(xué)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(biāo)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，解釋生命的遺傳語言。生物信息學(xué)已成為整個(gè)生命科學(xué)發(fā)展的重要組成部分，成為生命科學(xué)研究的前沿。 研究?jī)?nèi)容：從目前生物信息學(xué)的研究情況來看，國(guó)際上公認(rèn)的生物信息學(xué)的研究?jī)?nèi)容，大致包括以下幾個(gè)方面：生物信息的收集、存儲(chǔ)、管理與提供。包括建立國(guó)際基本生物信息庫(kù)和生物信息傳輸?shù)膰?guó)際聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)；建立生物信息數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)估與檢測(cè)系統(tǒng)；生物信息的在線服務(wù)；生物信息可視化和

4、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(guó)際EST 數(shù)據(jù)庫(kù) (dbEST) 和各自實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的相應(yīng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過大規(guī)模 并行計(jì)算發(fā)現(xiàn)新基因和新SNPs以及各種功能位點(diǎn)；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(xué)功能；進(jìn)行模式生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(jìn)化關(guān)系等生物學(xué)的重大問題。 研究?jī)?nèi)容：功能基因組相關(guān)信息分析。包括與大規(guī)?；虮磉_(dá)譜分析相關(guān)的算法、軟件研究，基因表達(dá)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(yù)測(cè)和模擬

5、，以及蛋白質(zhì)功能預(yù)測(cè)的研究。 生物大分子結(jié)構(gòu)模擬和藥物設(shè)計(jì)。包括RNA(核糖核酸)的結(jié)構(gòu)模擬和反義RNA的分子設(shè)計(jì)；蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)模擬和分子設(shè)計(jì)；具有不同功能域的復(fù)合蛋白質(zhì)以及連接肽的設(shè)計(jì)；生物活性分子的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算和設(shè)計(jì)；納米生物材料的模擬與設(shè)計(jì)；基于酶和功能蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、細(xì)胞表面受體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)；基于DNA結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)等。 研究?jī)?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(cè)技術(shù)和基于序列信息選擇表達(dá)載體、引物的技術(shù)，建立與動(dòng)植物良種繁育相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)以及與大分子設(shè)計(jì)和藥物設(shè)計(jì)相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)。北京大學(xué) 生物信息學(xué)中心 羅靜初教授中國(guó)科學(xué)院院士第三世界科學(xué)院院士中國(guó)

6、科學(xué)院理論物理研究所研究員上海復(fù)旦大學(xué)理論生命科學(xué)研究中心主任郝柏林院士從學(xué)科交叉漫談生物信息學(xué)郝柏林復(fù)旦大學(xué)理論生命科學(xué)研究中心中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所/hao/科學(xué)、宗教與藝術(shù)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(xué)是自然科學(xué)的“畫筆”：定量而不僅是定性地掌握自然規(guī)律?？茖W(xué)結(jié)論具有可以定量檢驗(yàn)的預(yù)測(cè)能力。“數(shù)學(xué)”和“定量”包括解析、數(shù)值、圖形和其它主要由現(xiàn)代計(jì)算機(jī)提供的模擬手段。物理學(xué)已經(jīng)成為鼎立于實(shí)驗(yàn)、理論和計(jì)算三大支柱上的成熟的學(xué)科。生物是物，生物學(xué)也會(huì)受到物理學(xué)的啟發(fā)。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(dá)萬物之理。莊子，知北游物含妙理總堪

7、尋(北京頤和園銅亭出口處對(duì)聯(lián)下聯(lián))細(xì)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(xùn)需要儀器觀測(cè)和理論思維 物理學(xué)與生物學(xué)的相互促進(jìn)由來已久電學(xué)和電生理學(xué)同時(shí)誕生C. A. de Coulomb, 1785L. Galvani, 1791生物學(xué)為物理學(xué)啟示過能量守恒醫(yī)生R. J. Mayer (1842)：受動(dòng)、靜脈血色差別啟發(fā)，第一個(gè)給出熱功當(dāng)量。物理學(xué)家J. P. Joule (1843)：熱功當(dāng)量。現(xiàn)役軍醫(yī)H. von Helmholtz (1847)：把能量守恒從機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(shí)姓名年代）物理學(xué)為生

8、物學(xué)提供過大量工具光學(xué)顯微鏡(1590)： 細(xì)胞(1665) 細(xì)菌(Antonie van Leeuwenhoek,1683) (Muller確認(rèn)細(xì)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） 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(xué)為生物學(xué)提供了新思想負(fù)熵非周期晶體對(duì)熱漲落的擔(dān)心三聯(lián)碼（George Gamow, 1954）生物中的“標(biāo)度”和“分形”Erwin Schrodinger, What is Life? The Physical Aspect of the Li

9、ving Cell, 1944, Michael P. Murphy and Luke A. J. ONeill, eds. What is Life? The Next Fifty Years, Cambridge University Press, 1995, 1997.生物有形生物有數(shù)生物有形，人所共識(shí)。地球上自然之美，多數(shù)來自生物本身和它們的營(yíng)造。生物有數(shù)，則經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的認(rèn)識(shí)過程。生物有形HIV 病毒粘菌(Slime mold)：自組織現(xiàn)象的實(shí)例“數(shù)學(xué)的應(yīng)用:生物學(xué)中的數(shù)學(xué)=0.”（恩格斯：1885）于光遠(yuǎn)等譯,自然辯證法,人民出版社, 1984, 172頁(yè)生物有數(shù)生物多樣性（宏觀數(shù)據(jù)

10、）現(xiàn)存物種知多少？ 從2 百萬到10億的種種估計(jì)2003年11月初GenBank核酸數(shù)據(jù)庫(kù)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(xué)信息目前地球上存活著約 5000 種哺乳動(dòng)物,約9000種鳥類細(xì)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(guó)科學(xué)院基因組學(xué)研究所（“華大基因”）每天的測(cè)序能力：5000萬堿基對(duì)（5*107）一個(gè)人的基因組：3.2*109 堿基對(duì)秈稻基因組：4.3*108堿基對(duì)全世界每年生物數(shù)據(jù)產(chǎn)出量：1015字節(jié)英國(guó)Sanger中心今后5年每年新增硬盤：80-100TB，即(0.81)*1014字節(jié)GenBank 138版(2

11、003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(zhǎng)度: 1193計(jì)算機(jī)：用火以來的最偉大發(fā)明ENIAC（1944）：每秒330次乘法運(yùn)算神威計(jì)算機(jī)：每秒3840億次浮點(diǎn)運(yùn)算曙光3000計(jì)算機(jī)：每秒4000億次浮點(diǎn)運(yùn)算每秒1萬億次=1012次/秒數(shù)學(xué)、物理和計(jì)算機(jī)科學(xué)大有可為生物學(xué)引論地球上的自然史13 Bys: 大爆炸4.9 Bys: 太陽(yáng)系和地球誕生3.8 Bys: 地球上出現(xiàn)原始生命2.7 Bys: 細(xì)菌、光和作用1.7 Bys: 多細(xì)胞生物550 Mys: 寒武紀(jì)(Cambrian)物種大爆發(fā)425

12、 Mys: 志留紀(jì)(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(guó) 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 cerevisiae , yeast budding)線蟲(Caenorhab

13、itidis 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

14、學(xué)、生物復(fù)雜性、生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性、種群動(dòng)力學(xué)動(dòng)物行為科學(xué)個(gè)體、器官、組織細(xì)胞及其通信、信號(hào)傳導(dǎo)免疫網(wǎng)絡(luò)、調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、代謝網(wǎng)絡(luò)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、剪接、翻譯、運(yùn)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(gè)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(xué)和語言學(xué)問題秈稻基因組框架圖：測(cè)序讀出大量短串的拼接、重復(fù)序列帶來的困難、長(zhǎng)DNA鏈中尋找基因細(xì)菌親緣關(guān)系和分類學(xué) 細(xì)菌完全基因組中的缺失和稀少短核苷酸串以大腸桿菌為例：一個(gè)DNA環(huán)：4 639 221 個(gè)a,c,g,t字母長(zhǎng)度為8的短串共有種65536種同長(zhǎng)隨機(jī)序列

15、中平均每種串出現(xiàn)71次實(shí)際情形如何？seeDNA程序演示C語言 + Xlib + XtoolkitUNIX或LINUX平臺(tái)由GenBank取得基因組數(shù)據(jù)背后的組合學(xué)和語言學(xué)問題水稻葉綠體基因組可能曾經(jīng)是一種光合細(xì)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(gè)字母秈稻（中國(guó)2001）：134559個(gè)字母cccaatatcttgcttcagcaagatattgggtatttctagctttcctttcttcaaaaattgctatatgttagcagaaaagccttatccattaagagatggaacttcaagagcagctaggtctagagggaagttg

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