生物信息學課件

生物信息學課件第一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三初步計劃講授內(nèi)容緒論生物信息學的計算機基礎生物信息學資源與數(shù)據(jù)挖掘工具DNA序列分析分子系統(tǒng)發(fā)育分析基因組分析蛋白質(zhì)組分析數(shù)學模型第二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三本課目錄當今生命科學展望生物信息學簡介發(fā)展現(xiàn)狀第三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三一、當今生命科學展望第四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三基因數(shù)據(jù)的

快速增長第五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三為什么這么快Sanger,UK第六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三已完成測序的基因組(EBI)病毒(virus)1639包括多種流感病毒,HIV,SARS冠狀病毒等類病毒(viroid)46主要是植物病毒質(zhì)粒(plasmid)627主要提自細菌中噬菌體(phage)469細胞器(organelle)1510如線粒體、葉綠體古細菌(archaea)54細菌(bacteria)694真核生物(eukaryota)78包括草履蟲、瘧原蟲、弓形蟲、酵母、線蟲、果蠅、海藻、水稻、雞、鼠、狗、人、黑猩猩等2008.9第七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三測序進展GenBank中已超過2000億堿基對速度目前速度:10天一個基因組(細菌)目標:1天一個基因組價格目前價格:10000美元(細菌)目標:1000美元趨勢:過去十幾年,每2年半價微小化、并列化:數(shù)千到數(shù)十萬well多目標化:腸內(nèi)幾十上百種微生物、土壤中全部微生物同時測序最小基因組研究、基因組人工合成第八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三蛋白數(shù)據(jù)增長(PDB)第九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三反應通路(KEGG)glycolysispathway(糖酵解)京都基因與基因組百科全書(KyotoEncyclopediaofGenesandGenomes)第十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三全細胞通路第十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三人類基因組計劃(1)–人類三大計劃曼哈頓原子彈計劃(1942-46)阿波羅登月計劃(1961-69)人類基因組計劃(1990-2003)第十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三人類基因組計劃(2)/sci/techresources/Human_Genome/home.shtml人類基因組計劃(HumanGenomeProject,HGP)由美國能源部(DepartmentofEnergy,DOE)和美國國立衛(wèi)生研究院(NationalInstitutesofHealth,NIH)組織完成1990年10月開始,2003年4月完成(1953雙螺旋)參與國:美、英、日、法、德、中并沒有完成測序(2006.5完成)第十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三人類基因組計劃(3)–超額完成目標領域目標實際達到完成時間完成時間15年13年2003.4遺傳圖2-5厘摩,600-1500個標記1厘摩,3000標記1994.9物理圖30000STS52000STS1998.10DNA序列95%含基因序列,99.99%99%,99.99%精確2003.4測序速度和費用500Mb/年,<0.25美元/bp>1400Mb/年,<0.09美元/bp2002.11序列變異10萬SNP3.7百萬SNP2003.2基因識別全長cDNA15000全長cDNA2003.3模式生物大腸桿菌、酵母菌、線蟲(C)、果蠅(D)基因組序列除完成上述,C.briggsae,D.pseudoobscura,大小鼠草圖2003.4功能分析發(fā)展基因組水平的技術高通量寡核苷酸合成、DNA微陣列、酵母全基因組水平敲除、蛋白雙雜交1994,1996,1999,2002第十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三生命科學的發(fā)展趨勢和熱點發(fā)展趨勢系統(tǒng)生物學:微觀還原,系統(tǒng)統(tǒng)一生物學(GeneralBiology)生物技術的產(chǎn)業(yè)化熱點生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能研究基因組與細胞的研究腦科學和神經(jīng)科學研究行為科學研究關于遺傳、發(fā)育、分化、進化的綜合理論研究生態(tài)環(huán)保研究第十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三物理學的發(fā)展對生命科學的啟示17世紀18世紀19世紀20世紀21世紀經(jīng)典物理學應用物理現(xiàn)代物理物理學大量實驗數(shù)據(jù)積累公式化機械論完善相對論、量子力學非線性物理、復雜系統(tǒng)生命科學農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥實踐分類、解剖研究進化理論遺傳學、分子生物學大量實驗數(shù)據(jù)積累公式化？博物學近代生物學現(xiàn)代生物學21世紀的生物學第十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三二、生物信息學簡介第十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三什么是生物信息

學(1)bioinformatics=bio+informatics生物信息學相關學科計算生物學(computationalbiology)系統(tǒng)生物學(systemsbiology)第十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三什么是生物信息學(2)/faq/#definitions(大致地)計算機對生物信息的處理(多數(shù)人認為,面窄)計算分子生物學(computationalmolecularbiology)(寬松地)甚至包括醫(yī)療成像、圖像分析、遺傳算法、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡…(經(jīng)典)用計算機儲存、比較、提取、分析、預言、模擬生物分子的組成與結(jié)構(gòu)。主要應用(core)是序列分析(新)比較基因組學、功能基因組學、蛋白質(zhì)組學、結(jié)構(gòu)基因組學第十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三多老了？1960s已有建立數(shù)據(jù)庫、序列分析、開發(fā)算法,當時叫分子進化如果考慮生物數(shù)學,19世紀已經(jīng)流行首次提出Bioinformatics的說法荷蘭理論生物學家1980年代初BenHesper和PaulienHogeweg馬來西亞生化物理學家林華安(HwaA.Lim)于1987年最早提到該詞的文獻(PubMed) (1990)Genomics,6(2):389第二十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三生物信息學發(fā)展階段(1)前基因組時代(pre-genomicsera)建立生物數(shù)據(jù)庫(1965,MargaretDayhoff的AtlasofProteinSequences;1982,GenBankRelease3)對位算法(1970,Needleman-Wunsch;1981,Smith-Waterman)1977,DNA測序和相應的軟件分析(RAStaden)第二十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三發(fā)展階段(2)基因組時代(genomicsera)一批基因組被測序

1982噬菌體λ1995細菌1996酵母1998線蟲1999果蠅第二十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三發(fā)展階段(3)基因組時代(genomicsera)數(shù)據(jù)庫搜索算法(1983,Wilbur-Lipman)快速序列相似性查找(1985,FASTN;1990,BLAST)機構(gòu)建立 1988,NCBI 1988,EMBnet 1993,Sanger1991,EST技術第二十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三發(fā)展階段(4)后基因組時代(post-genomicsera)HGP(1990-2003)1995,蛋白質(zhì)組學(Proteomics)高通量(high-throughput)實驗手段第二十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三發(fā)展階段(5)后基因組時代(post-genomicsera)比較基因組學(comparativegenomics)結(jié)構(gòu)基因組學(Struturalgenomics,2001)功能基因組學(Functionalgenomics)系統(tǒng)生物學系統(tǒng)樹重建(phylogenicreconstruction)第二十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三生物信息學基本方法(1)建立生物數(shù)據(jù)庫如GenBank,EMBL,DDBJ搜索數(shù)據(jù)庫如BLAST序列分析如比對(alignment)、注釋(annotation)、尋找外顯子統(tǒng)計分析如隱馬爾科夫模型(HMM)、貝葉斯分析(Bayesiananalysis)第二十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三生物計算機工程學數(shù)學物理基本方法(2)算法如遺傳算法(geneticalgorithm,GA)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(artificialneuralnetwork,ANN)數(shù)學模型如確定性模型(deterministicmodel)、隨機性模型(stochasticmodel)多學科方法第二十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三應用基因組層次分析如序列功能、蛋白質(zhì)、進化研究基因芯片如DNA芯片(DNAchip),蛋白質(zhì)芯片的動態(tài)數(shù)據(jù)分析藥物開發(fā)如尋找藥靶、藥物分子結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)藥物開發(fā)經(jīng)濟價值“bioventure”–生物風險公司藥物、生物制品、相關試劑、器材第二十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三三、發(fā)展現(xiàn)狀第二十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三學術1/51/20第三十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三我國的發(fā)展現(xiàn)狀(1)–總括國家高技術研究發(fā)展計劃(863)生物信息的獲取、加工和利用,建立數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)基因組和蛋白質(zhì)組學研究高通量藥物篩選、藥物設計生物芯片曙光系列生物信息學服務器基因組完成1％人類基因組計劃(中國卷;3號染色體短臂“端粒至D3S3610”)(1994-2001.8)2001.10獨立完成水稻基因組“工作框架圖”繪制和數(shù)據(jù)庫建設；完成國際水稻基因組計劃的20%其他:

家豬、血吸蟲、家雞、家蠶、大豆第三十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三我國的發(fā)展現(xiàn)狀(2)生物信息學企業(yè)如華大、中科院等建立了一些中國生物信息學大會首屆,2001.4.11-13,北京,軍事醫(yī)學科學院第二屆,2002.6.28,北京大學第三屆,2008.10.6-9,武漢華中科技大學國際生物信息學大會首屆,2003第四屆,2006.6.10,中南大學第三十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三我國的發(fā)展現(xiàn)狀(3)–主要研究中心北京華大基因研究中心(中科院基因組研究所)楊煥明/國家人類基因組南方研究中心(上海)陳竺、趙國屏

/國家人類基因組北方研究中心(北京)強伯勤/清華大學生物系生物信息研究室孫之榮/北京大學生物信息學中心羅靜初/chinese/復旦大學理論生物中心鐘揚/第三十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三我國的發(fā)展現(xiàn)狀(4)–研究中心中科院國家基因研究中心/

中科院理論物理所統(tǒng)計物理和理論生命科學陳曉松、郝柏林/JiGouSheZhi/YJTD-6.php中科院生物物理所系統(tǒng)生物學研究中心陳潤生、蔣太交/c/02/01/05/index.html中科院上海生命科學研究院生物信息中心李亦學/中科院上海生化所/bio

中科院計算所生物信息實驗室/

中科院遺傳所分子系統(tǒng)生物學中心韓敬東/IGDB/Research/shengwuxinxi/index.htm軍事醫(yī)學科學院生物工程