生物信息學軟件技巧市公開課一等獎百校聯(lián)賽特等獎?wù)n件

生物信息學軟件及使用技巧第1頁內(nèi)容概要一.生物信息學概念二.生物信息學軟件主要功效介紹分析和處理試驗數(shù)據(jù)和公共數(shù)據(jù)，加緊研究進度，縮短科研時間提醒、指導、替換試驗操作，利用對試驗數(shù)據(jù)分析所得結(jié)論設(shè)計下一階段試驗用計算機管理試驗數(shù)據(jù)尋找、預測新基因及預測其結(jié)構(gòu)、功效蛋白高級結(jié)構(gòu)預測第2頁生物學軟件部分常見功效使用技巧PCR引物設(shè)計DNA、蛋白質(zhì)序列同源分析及進化樹構(gòu)建ContigExpress----DNA序列片斷拼接DNA模擬電泳主要生物數(shù)據(jù)庫介紹生物信息學服務(wù)第3頁一.生物信息學概念第4頁生物信息學概念：

生物信息學是一門新興交叉學科，它將數(shù)學和計算機知識應用于生物學，以獲取、加工、存放、分類、檢索與分析生物大分子信息，從而了解這些信息生物學意義。第5頁二.生物信息學軟件主要功效介紹第6頁生物信息學軟件主要功效分析和處理試驗數(shù)據(jù)和公共數(shù)據(jù)，加緊研究進度，縮短科研時間提醒、指導、替換試驗操作，利用對試驗數(shù)據(jù)分析所得結(jié)論設(shè)計下一階段試驗試驗數(shù)據(jù)自動化管理尋找、預測新基因及其結(jié)構(gòu)、功效蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)及功效預測（三維建模，當前研究焦點和難點）第7頁功效1.分析和處理試驗數(shù)據(jù)和公共數(shù)據(jù)，加緊研究進度，縮短科研時間核酸：序列同源性比較，分子進化樹構(gòu)建，結(jié)構(gòu)信息分析，包含基元(Motif)、酶切點、重復片斷、堿基組成和分布、開放閱讀框（ORF），蛋白編碼區(qū)（CDS）及外顯子預測、RNA二級結(jié)構(gòu)預測、DNA片段拼接蛋白：序列同源性比較，結(jié)構(gòu)信息分析（包含Motif，限制酶切點，內(nèi)部重復序列查找，氨基酸殘基組成及其親水性及疏水性分析)，等電點及二級結(jié)構(gòu)預測等等當?shù)匦蛄信c公共序列聯(lián)接，結(jié)果擴大第8頁網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫利用（結(jié)果擴大）IRACE(基因拉長功效）BLAST同源序列檢索ENTREZSYSTEM(集成信息檢索系統(tǒng))第9頁ENTREZ集成檢索示意圖第10頁VectorNTISuit同源比較—主窗口第11頁VectorNTISuit同源比較—進化樹第12頁Antheprot5.0DotPlot點陣圖第13頁PeptoolLite---DotPlot點陣圖第14頁DNASIS2.5蛋白二級結(jié)構(gòu)預測第15頁DNASIS2.5RNA二級結(jié)構(gòu)預測第16頁DNASIS2.5tRNA二級結(jié)構(gòu)預測第17頁RNAStructure3.5RNA二結(jié)構(gòu)預測第18頁Omiga2.0ORFMap第19頁DnaStar之Protean對氨基酸親疏水性

分析：helicalwheel圖第20頁功效2.提醒、指導、替換試驗操作，利用對試驗數(shù)據(jù)分析所得結(jié)論設(shè)計下一階段試驗

用軟件設(shè)計PCR引物，測序引物或雜交探針，設(shè)計克隆策略，構(gòu)建載體，做模擬電泳試驗，即模擬核酸內(nèi)切酶或內(nèi)肽酶對對應底物分子切割后電泳行為。蛋白跨膜區(qū)域分析，信號肽潛在斷裂點預測。第21頁VectorNTISuit5.5模擬電泳第22頁GeneConstructionKit2.0模擬電泳第23頁Winplas2.6質(zhì)粒構(gòu)建第24頁OLIGO5.0PCR引物設(shè)計第25頁Atheprot5.0預測蛋白跨膜區(qū)域第26頁Antheprot5.0預測信號肽斷裂點第27頁功效3.用計算機管理試驗室數(shù)據(jù)及文件資料試驗室結(jié)果儲存，管理和申報工作從網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫取得序列文件（由ENTREZ集成檢索系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)文件能夠進入EndNote或者ReferenceManager儲存管理）或資料文件管理軟件:EndNote，ReferenceManager第28頁ReferenceManager9界面第29頁功效4.用計算機預測新基因及其結(jié)構(gòu)和功效對CDS（CodingSequence）蛋白編碼區(qū)預測準確率已到達90%以上對整個基因結(jié)構(gòu)預測存在一定難度

PWM（位置權(quán)重矩陣）算法 由物化原理技術(shù)開發(fā)，側(cè)重于找基因表示系統(tǒng)和核酸相互作用位點。給信號序列各個位置每種可能出現(xiàn)核苷酸分配一個分數(shù)，將各位置分數(shù)相加后得出該序列作為潛在作用位點分數(shù)。第30頁DNASIS2.5對蛋白編碼區(qū)預測

A.(CodonBias)第31頁DNASIS2.5對蛋白編碼區(qū)預測

B.(RareCodon)第32頁DNASIS2.5對蛋白編碼區(qū)預測

C.(ORFList)第33頁DNASTAR之GeneQuest預測CDS第34頁功效5.蛋白高級結(jié)構(gòu)預測該項技術(shù)算法十分復雜，還未成熟。PDB及MMDB數(shù)據(jù)庫當前依然禁止收錄軟件預測出來蛋白高級結(jié)構(gòu)模型。X射線晶體學技術(shù)和多維核磁共振技術(shù)是當前人們認識蛋白高級結(jié)構(gòu)主要伎倆，但兩種技術(shù)都有不足之處。前者要求必需得到高標準蛋白晶體，后者對分子量大于3萬大蛋白不能測定。所以理論模擬和結(jié)構(gòu)預測顯得十分主要。序列與結(jié)構(gòu)關(guān)系根源在于“蛋白質(zhì)折疊問題”，這是近期研究關(guān)注焦點。第35頁當前應用蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預測算法同源預測(一級結(jié)構(gòu)決定高級結(jié)構(gòu))結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)相對比（DALI算法）當前最先進結(jié)構(gòu)預測方法： 結(jié)構(gòu)類識別（foldrecognition）先建立一個已知結(jié)構(gòu)類數(shù)據(jù)庫（foldlibrary)，將待測序列“穿過”該數(shù)據(jù)庫組成座標，并依據(jù)事先確定物理限制，逐一位置移動（threading，sequence-structurealignment)，并用一個函數(shù)（sequence-structurefitnessalignment)判斷序列與結(jié)構(gòu)類符合程度，找出未知序列在目標結(jié)構(gòu)上能量最優(yōu)和構(gòu)象最穩(wěn)固比對位置。對計算機要求很高。第36頁Cn3D2.5顯示1EQFA鏈三維結(jié)構(gòu)第37頁RasMol2.7顯示1EQFA鏈三維結(jié)構(gòu)第38頁PDB與MMDB結(jié)構(gòu)圖比較第39頁三.生物學軟件部分常見功效

使用技巧第40頁PCR引物設(shè)計第41頁引物設(shè)計標準

首先引物要跟模板緊密結(jié)合，其次引物與引物之間不能有穩(wěn)定二聚體或發(fā)夾結(jié)構(gòu)存在，最終引物不能在別非目標位點引發(fā)高效DNA聚合反應(即錯配)。第42頁圍繞這幾條基本標準，設(shè)計引物需要考慮很多原因，如引物長度（primerlength），產(chǎn)物長度（productlength），序列Tm值

(meltingtemperature)，ΔG值(internalstability)，引物二聚體及發(fā)夾結(jié)構(gòu)（duplexformationandhairpin），錯誤引發(fā)位點（falseprimingsite），引物及產(chǎn)物GC含量（composition），有時還要對引物進行修飾，如增加限制酶切點，引進突變等。第43頁引物設(shè)計關(guān)鍵點普通引物長度為16-23bp，慣用長度為18-21bp，過長或過短都不適當。引物3’端堿基普通不用A，因為A在錯誤引發(fā)位點引發(fā)效率相對比較高，而其它三種堿基錯誤引發(fā)效率相對小一些。引物GC含量普通為45-55%，過高或過低都不利于引發(fā)反應。上下游引物GC含量不能相差太大。引物所對應模板序列Tm值最好在72℃左右，當然因為模板序列本身組成決定其Tm值可能偏低或偏高，可依據(jù)詳細情況靈活利用。

第44頁ΔG值反應了引物與模板結(jié)合強弱程度，也是一個主要引物評價指標，普通情況下，在Oligo5.0軟件ΔG值窗口中，引物ΔG值最好呈正弦曲線形狀，即5’端和中間部分ΔG值較高，而3’端ΔG值相對較低，且不要超出9（ΔG值為負值，這里取絕對值），如此則有利于正確引發(fā)反應而可預防錯誤引發(fā)。分析其原理，引物與模板應含有較高結(jié)合能量，這么有利于引物與模板序列整合，所以5’端與中間段ΔG值應較高，而3’端ΔG值影響DNA聚合酶對模板DNA解鏈，過高則不利于這一步驟。第45頁可能錯誤引發(fā)位點決定于引物序列組成與模板序列組成相同性，相同性高則錯誤引發(fā)率高，錯誤引發(fā)引發(fā)率普通不要高過100，最好沒有錯誤引發(fā)位點，如此能夠確保不出非目標產(chǎn)物假帶。引物二聚體及發(fā)夾結(jié)構(gòu)能量普通不要超出4.5，不然輕易產(chǎn)生引物二聚體帶而且會降低引物濃度從而造成PCR正常反應不能進行。對引物修飾普通是增加酶切位點，應參考載體限制酶識別序列確定，經(jīng)常對上下游引物修飾序列選取不一樣限制酶識別序列，以有利于以后工作。

第46頁關(guān)于引物自動搜索和評價分析推薦使用自動搜索軟件：PrimerPremier5.0推薦使用引物評價軟件：Oligo5/6實際操作示例>>>>>第47頁DNA、蛋白質(zhì)序列同源分析及

進化樹構(gòu)建第48頁相同性與同源性相同性是指一個很直接數(shù)量關(guān)系，比如部分相同或相同百分比或其它一些適當度量?？蛇M行本身局部比較。 如DotPlot(點陣序列比較)同源性指從一些數(shù)據(jù)中推斷出兩個基因或蛋白質(zhì)序列具而共同祖先結(jié)論，屬于質(zhì)判斷。 如Alignment(同源性分析)第49頁推薦軟件相同性分析

PeptoolLite同源性分析VectorNTISuit6---AlignX實際操作示例>>>>>第50頁Contig

Express----DNA序列

片斷拼接第51頁推薦軟件DNA序列片斷拼接VectorNTISuit6---ContigExpressProject實際操作示例>>>>>第52頁DNA模擬電泳第53頁一點體會DNA模擬電泳含有一定試驗預示功效，模擬電泳不能作為試驗結(jié)果或依據(jù)實際操作示例>>>>>第54頁主要生物數(shù)據(jù)庫介紹第55頁三大數(shù)據(jù)庫NCBI(美國)DDBJ(日本)http://www.ddbj.nig.ac.jpEBI(歐洲)http://www.ebi.ac.uk/index.html第56頁其它主要數(shù)據(jù)庫酵母基因組數(shù)據(jù)庫（SGD）酵母蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（YPD）擬南芥數(shù)據(jù)庫（AtDB）醫(yī)學數(shù)據(jù)庫（OMIM）線蟲數(shù)據(jù)庫（ACEDB）第57頁四.生物信息學服務(wù)第58頁服務(wù)內(nèi)容PCR引物、測序引物及雜交探針設(shè)計及評價

DNA，蛋白質(zhì)序列同源分析及進化樹構(gòu)建

生物大分子二級結(jié)構(gòu)模擬顯示及基本序列分析第59頁相關(guān)蛋白質(zhì)親疏水性，等電點，