生物信息學(xué)Bioinformatics第講生物信息學(xué)研究?jī)?nèi)容

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1、生 物 信 息 學(xué)Bioinformatics第 2講 生 物 信 息 學(xué) 研 究 內(nèi) 容主 講 教 師 ： 劉 吉 平2004年 3月 生 物 信 息 學(xué) 主 要 介 紹 的 內(nèi) 容 ： 什 么 是 生 物 信 息 學(xué) ？ 國(guó) 內(nèi) 外 生 物 信 息 學(xué) 的 研 究 歷 史 和 現(xiàn) 狀 。 生 物 信 息 學(xué) 的 研 究 內(nèi) 容 和 科 學(xué) 目 標(biāo) 。 分 別 解 讀 生 物 分 子 的 三 大 核 心 數(shù) 據(jù) 庫(kù) ： GenBank核 酸 序 列 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 、SWISS-PORT 蛋 白 質(zhì) 序 列 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 、 PDF生 物 大 分 子 結(jié) 構(gòu) 數(shù) 據(jù)庫(kù) 。 介 紹 國(guó) 內(nèi) 外 有

2、關(guān) 生 物 信 息 學(xué) 的 網(wǎng) 站 和 網(wǎng) 址 。 生 物 信 息 學(xué) 在 上 找 有 關(guān) 生 物 信 息 學(xué) 的網(wǎng) 站 或 網(wǎng) 頁(yè) BiologyProtein PhenotypeDNA(Genotype) 基 因 結(jié) 構(gòu) The 4 basescNN CC CC CC C CCNN N N NH ooHHH HHH HHAdenine ThyminecNN CC CC CC C CN N N NH oHH oN N HHH HHGuanine CytosineNote: this is flat!Uracil replaces Tin RNA Purine ring Pyrimidine

3、ring 三 研 究 內(nèi) 容 生 物 信 息 學(xué) 與 計(jì) 算 生 物 學(xué) 或 生 物 計(jì) 算 有著 密 切 的 關(guān) 系 ， 但 又 不 盡 相 同 . 目 前 歸 入 生 物 信 息 學(xué) 研 究 領(lǐng) 域 的 大 致 有以 下 七 個(gè) 方 面 ： Bioinfomatics七 個(gè) 方 面 研 究 內(nèi) 容1. 建 立 和 管 理 各 種 生 物 數(shù) 據(jù) 庫(kù)2. 生 物 信 息 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 使 用3. 生 物 信 息 學(xué) 中 的 數(shù) 學(xué) 模 式 和 算 法 研 究4. 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 接 口 和 檢 索 工 具 的 研 制5. HGP的 實(shí) 施 ， 對(duì) 信 息 采 集 和 處 理 提 出 的 要 求6.

4、 生 物 信 息 學(xué) 最 重 要 的 任 務(wù) ， 是 從 大 量 數(shù) 據(jù) 中提 取 新 知 識(shí)7. DNA芯 片 和 微 陣 列 的 發(fā) 展 1 建 立 和 管 理 各 種 生 物 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 各 種 生 物 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 的 建 立 和 管 理 。 如 核 酸序 列 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 、 蛋 白 質(zhì) 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 、 各 種 專(zhuān) 業(yè)的 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 等 。 這 是 一 切 生 物 信 息 學(xué) 工 作 的 基 礎(chǔ) ， 通 常要 有 計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 背 景 的 專(zhuān) 業(yè) 人 員 與 生 物學(xué) 家 密 切 合 作 。 2、 生 物 信 息 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 使 用 近 些 年 來(lái) 隨 著 快 速 序 列 測(cè) 定

5、、 基 因 重 組 、 多 維核 磁 共 振 等 技 術(shù) 的 應(yīng) 用 ， 基 因 組 與 蛋 白 質(zhì) 的 實(shí)驗(yàn) 數(shù) 據(jù) 呈 爆 炸 性 趨 勢(shì) 增 長(zhǎng) ;建 立 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 再 結(jié) 合 有 關(guān) 的 分 析 軟 件 使 大 規(guī) 模 數(shù) 據(jù)的 貯 存 、 處 理 和 分 析 成 為 可 能 ， 并 已 發(fā) 展 成 為包 括 基 因 組 信 息 與 蛋 白 質(zhì) 結(jié) 構(gòu) 模 擬 在 內(nèi) 的 生 物信 息 學(xué) 研 究 的 重 要 基 礎(chǔ) 。 核 酸 序 列 數(shù) 據(jù) 庫(kù) Genbank， 美 國(guó) 國(guó) 家 生 物 技 術(shù) 信 息 中 心 的 數(shù) 據(jù)庫(kù) （ http:/ncbi.nhm.nlm.gov） 。

6、EMBL， 建 立 在 歐 洲 分 子 生 物 實(shí) 驗(yàn) 室 的 數(shù) 據(jù) 庫(kù) (http:/www.embl-heidelberg.de)。 DDBJ， 是 DNA Data Bank of Japan的 簡(jiǎn) 稱(chēng) ， 又叫 日 本 的 DNA數(shù) 據(jù) 庫(kù) 銀 行 （ available at http:/www.nig.ac.jp )。 Genbank 美 國(guó) 國(guó) 家 生 物 技 術(shù) 信 息 中 心 的 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 原 中 山 醫(yī) 科 大 學(xué) 的 網(wǎng) 頁(yè) 有 鏈 接 ：http： / 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 提 供 Entrez檢 索 工 具 、 BLAST序 列 搜索 、 生 物 信 息 學(xué) 學(xué) 習(xí) 等 服

7、 務(wù) 內(nèi) 容 其 他 重 要 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 真 菌 如 釀 酒 酵 母 基 因 組 數(shù) 據(jù) 庫(kù) （ SGD）http:/genome-www.stanford.edu/Saccharomyces/ 擬 南 芥 數(shù) 據(jù) 庫(kù) （ AtDB） (http:/genome-www.stanford.edu/Arabidopsis/) 線(xiàn) 蟲(chóng) 綜 合 數(shù) 據(jù) 庫(kù) （ ACEDB）ftp:/sanger.ac.uk(/pub/acedb) (自 由 下 載 ,建 立 二 次 數(shù) 據(jù) 庫(kù) ) 在 線(xiàn) 人 類(lèi) 孟 德 爾 遺 傳 數(shù) 據(jù) 庫(kù) (Online Mendelian Inheritance in Ma

8、n,OMIM) http:/www3.ncbi.nlm.nih.gov/omim/ 其 他 重 要 生 物 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 魚(yú) 類(lèi) 的 斑 馬 魚(yú) http:/zfin.org/ 昆 蟲(chóng) 類(lèi) 的 果 蠅 (Drosophila melanogaster, fruitfly)http:/www.fruitfly.org/ 脊 椎 動(dòng) 物 如 小 鼠 (Mus musculus) http:/www.ncbi.nih.gov/genome/guide/mouse/ 細(xì) 菌 如 大 腸 桿 菌(http:/www.genetics.wisc.edu/pub/sequence/) 原 生 動(dòng) 物 如 人

9、類(lèi) 一 種 寄 生 性 的 原 蟲(chóng) (Plasmodium falciparum):http:/PlasmoDB.org/ 三 維 結(jié) 構(gòu) 數(shù) 據(jù) 庫(kù) PDB（ Protein Data Bank , http:/ ） 等 。 與 蛋 白 質(zhì) 結(jié) 構(gòu) 有 關(guān) 的 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 還 有 ： SCOP（ available at http:/ ） 等 。 80-99年 Protein Data Bank http:/www.rcsb.org/pdb/index.html Helix-turn-helix motif of protein binding to DNA結(jié) 合 DNA的 蛋 白 質(zhì) 螺

10、旋 結(jié) 構(gòu) 基 序 Motif數(shù) 據(jù) 庫(kù) -PROSITE PROSITE(http:/www.expasy.org/prosite/) 蛋 白 質(zhì) 結(jié) 構(gòu) 數(shù) 據(jù) 生 物 信 息 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 的 主 要 服 務(wù)借 助 特 定 的 算 法 模 型 提 供 同 源 性 分 析 是 目前 各 種 生 物 信 息 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 的 最 重 要 內(nèi) 容 之一 。 分 子 生 物 學(xué) 的 中 心 法 則DNAmRNA結(jié) 構(gòu) 翻 譯轉(zhuǎn) 錄復(fù) 制 蛋 白 質(zhì) /酶cDNADNA功 能 反 轉(zhuǎn) 錄相 互 作 用 折 疊 3、 生 物 信 息 學(xué) 中 的 數(shù) 學(xué) 模 式 和 重 要算 法 研 究 迄 今 已 有

11、相 當(dāng) 多 的 數(shù) 學(xué) 方 法 應(yīng) 用 于 生 物 信 息 學(xué)的 研 究 。 而 且 一 種 算 法 本 身 就 是 一 門(mén) 學(xué) 問(wèn) ， 例如 ： 機(jī) 器 學(xué) 習(xí) 法 人 工 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 分 形 理 論 密 碼 學(xué) 全 息 論 高 維 分 布 的 統(tǒng) 計(jì) 方 法 生 物 信 息 學(xué) 中 的 重 要 算 法 -聚 類(lèi) 分 析 生 物 信 息 學(xué) 問(wèn) 題 許 多 可 歸 為 聚 類(lèi) 問(wèn) 題 。 聚 類(lèi) 分 析 ： 聚 類(lèi) 是 宏 觀 與 微 觀 生 物 學(xué) 研究 中 最 常 用 的 一 種 數(shù) 學(xué) 方 法 ， 它 的 基 本目 的 是 將 n個(gè) 樣 本 劃 分 為 m個(gè) 類(lèi) ， 從 而使 同

12、類(lèi) 樣 本 較 為 相 似 而 不 同 類(lèi) 間 樣 本 差異 較 大 。 其 中 支 撐 矢 量 機(jī) 算 法 可 從 網(wǎng) 上 學(xué) 習(xí) ：http:/www.kernel-machine.org/ 尋 找 轉(zhuǎn) 錄 因 子 的 結(jié) 合 位 點(diǎn) 生 物 信 息 學(xué) 中 的 重 要 算 法 遺 傳 算 法 ： 遺 傳 算 法 的 提 出 ， 本 身 就 是借 鑒 生 物 界 中 的 適 者 生 存 、 優(yōu) 勝 劣 汰 的遺 傳 機(jī) 制 所 提 出 來(lái) 的 隨 機(jī) 化 搜 索 方 法 ，其 最 主 要 的 特 點(diǎn) 就 是 面 向 結(jié) 構(gòu) 對(duì) 象 、 不受 求 導(dǎo) 和 函 數(shù) 連 續(xù) 性 的 限 定 、

13、具 有 內(nèi) 在的 隱 并 行 性 和 良 好 的 全 局 尋 優(yōu) 能 力 。 生 物 信 息 學(xué) 中 的 重 要 算 法-遺 傳 算 法過(guò) 去 20多 年 的 發(fā) 展 ， 已 使 得 遺 傳 算 法 成 為現(xiàn) 代 智 能 計(jì) 算 中 的 關(guān) 鍵 技 術(shù) 之 一 ， 并 已應(yīng) 用 于 生 物 信 息 學(xué) 的 研 究 ： 基 于 蛋 白 質(zhì) 主 鏈 結(jié) 構(gòu) 的 側(cè) 鏈 構(gòu) 象 計(jì) 算 蛋 白 質(zhì) 折 疊 的 算 法 模 型 與 模 擬 圖 像 匹 配 中 的 遺 傳 算 法 結(jié) 構(gòu) 圖 的 同 態(tài) 研 究 目 前 較 流 行 的 數(shù) 學(xué) 方 法 和 算 法 （ 1） 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) （ Neura

14、l Networks） 1982年 ， 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 首 次 被 應(yīng) 用 到 生 物 學(xué) 的 研 究中 來(lái) ， 接 著 Stormo等 人 應(yīng) 用 類(lèi) 似 的 算 法 在 預(yù) 測(cè)大 腸 桿 菌 體 內(nèi) 的 一 些 蛋 白 質(zhì) 翻 譯 的 起 始 部 位 取得 了 成 功 。1988年 ， 隨 著 Qian and Sejnowski發(fā) 表 的 一 篇 關(guān)于 蛋 白 質(zhì) 二 級(jí) 結(jié) 構(gòu) 預(yù) 測(cè) 的 文 章 ， 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 的 算法 已 成 為 蛋 白 質(zhì) 二 級(jí) 結(jié) 構(gòu) 分 析 預(yù) 測(cè) 的 主 流 算 法 。另 外 ， 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 在 預(yù) 測(cè) 信 號(hào) 肽 ， 研 究 遺 傳 密 碼 的

15、結(jié) 構(gòu) 和 起 源 等 方 面 也 有 較 多 應(yīng) 用 。 目 前 較 流 行 的 數(shù) 學(xué) 方 法 和 算 法 （ 2） Threading方 法Threading方 法 或 稱(chēng) 折 疊 類(lèi) 型 的 識(shí) 別 方 法 。基 本 思 想 是 ： 預(yù) 測(cè) 的 蛋 白 的 折 疊 類(lèi) 型 與 某一 已 知 結(jié) 構(gòu) 的 蛋 白 的 折 疊 類(lèi) 型 相 同 ， 這樣 蛋 白 質(zhì) 結(jié) 構(gòu) 預(yù) 測(cè) 問(wèn) 題 就 轉(zhuǎn) 變 為 在 已 知空 間 結(jié) 構(gòu) 的 蛋 白 質(zhì) 中 ， 選 取 一 種 最 有 可能 的 折 疊 類(lèi) 型 ， 從 而 大 大 減 小 預(yù) 測(cè) 蛋 白質(zhì) 結(jié) 構(gòu) 的 難 度 。 4 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 接

16、口 和 檢 索 工 具 的 研 制 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 的 內(nèi) 容 來(lái) 自 萬(wàn) 千 生 物 學(xué) 者 的 日 積月 累 ， 最 終 又 為 生 物 學(xué) 者 們 所 用 。 但 不能 要 求 一 般 生 物 學(xué) 工 作 者 具 有 高 深 的 計(jì)算 機(jī) 和 網(wǎng) 絡(luò) 知 識(shí) ， 因 此 ， 必 須 發(fā) 展 查 詢(xún)數(shù) 據(jù) 庫(kù) 和 向 庫(kù) 里 提 供 數(shù) 據(jù) 的 方 便 接 口 。這 是 專(zhuān) 業(yè) 人 員 才 能 勝 任 的 工 作 ， 通 常 在生 物 信 息 中 心 里 進(jìn) 行 。 5 HGP的 實(shí) 施 ， 對(duì) 信 息 采 集 和 處理 提 出 的 要 求 人 類(lèi) 基 因 組 計(jì) 劃 (HGP)的 實(shí) 施 ，

17、 配 合 大 規(guī)模 的 DNA自 動(dòng) 測(cè) 序 ， 對(duì) 信 息 的 采 集 和 處 理提 出 了 空 前 的 要 求 。 從 各 種 圖 譜 的 分 析 ，大 量 序 列 片 段 的 拼 接 組 裝 ， 尋 找 基 因 和預(yù) 測(cè) 結(jié) 構(gòu) 與 功 能 ， 到 數(shù) 據(jù) 和 研 究 結(jié) 果 的視 像 化 ， 無(wú) 不 需 要 高 效 率 的 算 法 和 程 序 。 因 此 ， 研 究 新 算 法 、 發(fā) 展 方 便 適 用 的 程序 ， 是 生 物 信 息 學(xué) 的 日 常 任 務(wù) 。 與 HGP相 關(guān) 研 究 的 幾 個(gè) 方 面 表 現(xiàn) ： 由 于 當(dāng) 前 生 物 信 息 學(xué) 發(fā) 展 的 主 要 推 動(dòng)

18、 力來(lái) 自 HGP， 所 以 生 物 信 息 學(xué) 與 HGP的 關(guān) 系就 顯 得 更 為 密 切 ， 其 與 HGP相 關(guān) 的 研 究 主要 表 現(xiàn) 在 如 下 幾 個(gè) 方 面 ： 1） 高 度 自 動(dòng) 化 的 實(shí) 驗(yàn) 數(shù) 據(jù) 的 獲 得 、 加 工和 整 理 如 何 將 實(shí) 驗(yàn) 室 中 得 到 的 生 物 學(xué) 信 息 轉(zhuǎn) 化為 計(jì) 算 機(jī) 能 夠 處 理 的 數(shù) 字 信 息 ， 是 生 物學(xué) 的 一 個(gè) 重 要 課 題 。 體 現(xiàn) 在 各 種 自 動(dòng) 化 分 子 生 物 學(xué) 儀 器 應(yīng) 用上 ， 如 DNA測(cè) 序 儀 ， PCR儀 等 。 這 類(lèi) 儀 器將 實(shí) 驗(yàn) 所 得 的 物 理 化 學(xué)

19、 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 化 為 數(shù) 字信 息 ， 并 對(duì) 其 作 簡(jiǎn) 單 分 析 ， 再 將 分 析 結(jié)果 用 于 實(shí) 驗(yàn) 條 件 的 控 制 ， 完 成 高 度 自 動(dòng)化 的 實(shí) 驗(yàn) 過(guò) 程 。 2） 序 列 片 段 的 拼 接 目 前 DNA自 動(dòng) 測(cè) 序 儀 每 個(gè) 反 應(yīng) 只 能 測(cè) 序 500bp左 右 。如 何 將 這 些 序 列 片 段 拼 接 成 完 整 的 DNA順 序 就 成 為接 下 來(lái) 的 一 個(gè) 重 要 工 作 。 傳 統(tǒng) 的 測(cè) 序 技 術(shù) 通 常 將 克 隆 進(jìn) 行 亞 克 隆 并 對(duì) 亞 克 隆進(jìn) 行 排 序 。 這 些 工 作 需 要 大 量 的 人 力 物 力 。 現(xiàn)

20、 在 生 物 信 息 學(xué) 提 供 了 自 動(dòng) 而 高 速 地 拼 接 序 列 的 算法 ， 不 僅 避 免 了 亞 克 隆 排 序 所 需 的 大 量 繁 瑣 的 工 作 ，還 能 使 序 列 具 有 一 定 的 冗 余 性 （ redundancy， 即 一定 數(shù) 量 的 重 復(fù) ） 以 保 證 序 列 中 每 個(gè) 堿 基 的 準(zhǔn) 確 性 。 3） 基 因 區(qū) 域 的 預(yù) 測(cè) 在 完 成 序 列 的 拼 接 后 ， 我 們 得 到 的 是 很 長(zhǎng) 的 DNA序列 ， 甚 至 可 能 是 整 個(gè) 基 因 組 的 序 列 。 這 些 序 列 中 包含 著 許 多 未 知 的 基 因 ， 下 一

21、步 就 是 將 基 因 區(qū) 域 從 這些 長(zhǎng) 序 列 中 找 出 來(lái) 。 所 謂 基 因 區(qū) 域 的 預(yù) 測(cè) ， 一 般 是 指 預(yù) 測(cè) DNA順 序 中 編碼 蛋 白 質(zhì) 的 部 分 ， 即 外 顯 子 部 分 。 不 過(guò) 目 前 基 因 區(qū)域 的 預(yù) 測(cè) 已 從 單 純 外 顯 子 預(yù) 測(cè) 發(fā) 展 到 整 個(gè) 基 因 結(jié) 構(gòu)的 預(yù) 測(cè) 。 這 些 預(yù) 測(cè) 綜 合 各 種 外 顯 子 預(yù) 測(cè) 的 算 法 和 人們 對(duì) 基 因 結(jié) 構(gòu) 信 號(hào) (如 TATA box和 加 尾 信 號(hào) )的 認(rèn) 識(shí) ，預(yù) 測(cè) 出 可 能 的 完 整 基 因 。 （ 4） 基 因 或 蛋 白 質(zhì) 功 能 預(yù) 測(cè)

22、用 實(shí) 驗(yàn) 手 段 證 實(shí) 一 個(gè) 預(yù) 測(cè) 的 新 基 因 后 ，下 一 步 要 做 的 就 是 尋 找 這 個(gè) 基 因 的 功 能 。-即 功 能 基 因 組 學(xué) 蛋 白 質(zhì) 功 能 預(yù) 測(cè) 分 析 ， 主 要 是 分 析 目 的蛋 白 質(zhì) 是 否 與 具 有 功 能 信 息 的 已 知 蛋 白質(zhì) 相 似 。 策 略 有 二 ： 同 源 序 列 分 析 功 能 區(qū) 相 關(guān) 的 保 守 序 列 特 點(diǎn) 分 析 。 （ 5） 分 子 進(jìn) 化 的 研 究 通 過(guò) 上 述 種 種 方 法 我 們 可 以 預(yù) 測(cè) 出 一 個(gè) 新 基 因可 能 具 有 的 功 能 。 然 而 預(yù) 測(cè) 新 基 因 只 是

23、 生 物 信息 學(xué) 研 究 的 一 個(gè) 方 面 ， 這 門(mén) 學(xué) 科 的 根 本 目 標(biāo) 是探 究 隱 藏 在 生 物 數(shù) 據(jù) 后 面 的 生 物 學(xué) 知 識(shí) 。 對(duì) 于 基 因 組 研 究 來(lái) 說(shuō) ， 一 個(gè) 重 要 的 研 究 方 向 就是 分 子 序 列 的 進(jìn) 化 。 通 過(guò) 比 較 不 同 生 物 基 因 組中 各 種 結(jié) 構(gòu) 成 分 的 異 同 ， 可 以 大 大 加 深 我 們 對(duì)生 物 進(jìn) 化 的 認(rèn) 識(shí) 。 這 方 面 的 研 究 已 逐 步 形 成 一個(gè) 稱(chēng) 為 比 較 基 因 組 學(xué) （ Comparative Genomics）的 新 學(xué) 科 。 Human genome

24、 shares 223 genes with bacteria-genes that do not exist in the worm, fly, or yeast. A reticulated tree, or net, which might more appropriately represent lifes history. 6 生 物 信 息 學(xué) 最 重 要 的 任 務(wù) ， 是從 大 量 數(shù) 據(jù) 中 提 取 新 知 識(shí) 生 物 信 息 學(xué) 最 重 要 的 任 務(wù) ， 是 從 海 量 數(shù) 據(jù) 中 提取 新 知 識(shí) 。 這 首 先 是 從 DNA序 列 中 識(shí) 別 編 碼 蛋白 質(zhì) 的

25、基 因 ， 以 及 調(diào) 控 基 因 表 達(dá) 的 各 種 信 號(hào) 。 其 次 ， 從 基 因 組 編 碼 序 列 翻 譯 出 的 蛋 白 質(zhì) 序 列的 數(shù) 目 急 劇 增 加 ， 根 本 不 可 能 用 實(shí) 驗(yàn) 方 法 一 一確 定 它 們 的 結(jié) 構(gòu) 和 功 能 。 從 已 經(jīng) 積 累 的 數(shù) 據(jù) 和 知 識(shí) 出 發(fā) ， 預(yù) 測(cè) 蛋 白 質(zhì) 的結(jié) 構(gòu) 和 功 能 ， 成 為 常 規(guī) 的 研 究 任 務(wù) 。 7 DNA芯 片 和 微 陣 列 的 發(fā) 展 DNA芯 片 和 微 陣 列 的 發(fā) 展 ， 把 一 定 組 織 或 生物 體 內(nèi) 萬(wàn) 千 基 因 時(shí) 空 表 達(dá) 的 研 究 提 上 日程 研

26、 究 基 因 表 達(dá) 過(guò) 程 中 的 聚 群 關(guān) 系 ， 從中 提 取 調(diào) 控 網(wǎng) 絡(luò) 和 代 謝 途 徑 的 知 識(shí) ， 進(jìn) 而從 整 體 上 模 擬 細(xì) 胞 內(nèi) 的 全 部 互 相 輔 合 的 生化 反 應(yīng) ， 在 亞 細(xì) 胞 層 次 理 解 生 命 活 動(dòng) 。 基 因 芯 片 檢 測(cè) 系 統(tǒng) Bioinfomatics七 個(gè) 方 面 研 究 內(nèi) 容1. 建 立 和 管 理 各 種 生 物 數(shù) 據(jù) 庫(kù)2. 生 物 信 息 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 使 用3. 生 物 信 息 學(xué) 中 的 數(shù) 學(xué) 模 式 和 方 法 研 究4. 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 接 口 和 檢 索 工 具 的 研 制5. HGP的 實(shí) 施 ，

27、對(duì) 信 息 采 集 和 處 理 提 出 的 要 求6. 生 物 信 息 學(xué) 最 重 要 的 任 務(wù) ， 是 從 大 量 數(shù) 據(jù) 中提 取 新 知 識(shí)7. DNA芯 片 和 微 陣 列 的 發(fā) 展此 外 ， 專(zhuān) 業(yè) 人 材 的 培 養(yǎng) ， 也 是 一 個(gè) 重 要 內(nèi) 容 。 四 、 展 望 作 為 計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 和 數(shù) 學(xué) 應(yīng) 用 于 分 子 生 物 學(xué) 而 形 成的 交 叉 學(xué) 科 ， 生 物 信 息 學(xué) 已 經(jīng) 成 為 基 因 組 研 究 中必 不 可 少 的 有 力 研 究 手 段 。 為 了 能 夠 更 好 地 服 務(wù)于 基 因 組 研 究 ， 生 物 信 息 學(xué) 在 將 來(lái) 的

28、發(fā) 展 中 需 要做 以 下 幾 方 面 的 努 力 ： （ 1） 理 論 研 究 任 何 學(xué) 科 的 發(fā) 展 都 離 不 開(kāi) 基 礎(chǔ) 理 論 的 研 究 ， 生物 信 息 學(xué) 也 不 例 外 。 它 對(duì) 許 多 學(xué) 科 都 提 出 了 巨大 的 挑 戰(zhàn) 。 這 些 學(xué) 科 包 括 分 子 進(jìn) 化 遺 傳 學(xué) 、 群 體 遺 傳 學(xué) 、統(tǒng) 計(jì) 生 物 學(xué) 、 基 因 組 學(xué) 以 及 計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 和 應(yīng) 用數(shù) 學(xué) 的 相 關(guān) 學(xué) 科 。 如 果 基 礎(chǔ) 理 論 研 究 得 不 到 應(yīng)有 的 發(fā) 展 ， 生 物 信 息 學(xué) 的 發(fā) 展 將 受 到 嚴(yán) 重 的 阻礙 。 （ 2） 生 物 數(shù)

29、 據(jù) 的 質(zhì) 量 監(jiān) 控 監(jiān) 控 已 有 的 生 物 數(shù) 據(jù) 究 竟 具 有 多 大 的 可 信 度 ，對(duì) 于 物 理 圖 譜 的 構(gòu) 建 工 作 將 有 十 分 重 大 的 意 義 。 （ 3） 加 強(qiáng) 生 物 學(xué) 家 和 計(jì) 算 機(jī) 科學(xué) 家 以 及 數(shù) 學(xué) 家 之 間 的 溝 通 長(zhǎng) 期 以 來(lái) ， 這 三 類(lèi) 科 學(xué) 家 都 是 埋 頭 于 各 自 的 研 究 領(lǐng) 域 ，而 不 關(guān) 心 其 他 學(xué) 科 的 發(fā) 展 和 要 求 。 這 種 狀 況 在 我 國(guó) 尤 為突 出 。 生 物 信 息 學(xué) 的 發(fā) 展 要 求 三 者 之 間 加 強(qiáng) 溝 通 。 其 意義 不 僅 在 于 推 動(dòng) 生

30、 物 信 息 學(xué) 自 身 的 發(fā) 展 ， 而 且 將 形 成 促進(jìn) 整 個(gè) 生 物 學(xué) 發(fā) 展 的 強(qiáng) 大 動(dòng) 力 。 生 物 信 息 學(xué) 作 為 基 因 組 研 究 的 有 力 武 器 ， 被 廣 泛 地 用 來(lái)加 快 新 基 因 的 尋 找 過(guò) 程 ， 以 達(dá) 到 將 有 用 新 基 因 搶 先 注冊(cè) 專(zhuān) 利 的 目 的 。 在 這 場(chǎng) 世 界 范 圍 內(nèi) 的 競(jìng) 爭(zhēng) 中 ， 中 國(guó) 科 學(xué)家 以 及 科 研 資 金 投 向 的 決 策 部 門(mén) 如 何 結(jié) 合 我 國(guó) 科 研 水 平的 現(xiàn) 狀 、 優(yōu) 勢(shì) 領(lǐng) 域 等 客 觀 情 況 ， 將 有 限 的 投 資 投 入 以 求獲 得 最 大

31、 可 能 的 科 學(xué) 研 究 以 及 商 業(yè) 回 報(bào) ， 是 一 個(gè) 無(wú) 法 回避 的 新 課 題 。 我 國(guó) 科 學(xué) 家 展 望 我 國(guó) 科 學(xué) 家 認(rèn) 為 ， 在 克 隆 新 基 因 的 思 路 方 面 ， 我 國(guó)不 應(yīng) 該 照 搬 國(guó) 外 克 隆 新 基 因 所 用 的 方 法 ， 而 應(yīng) 該 走生 物 信 息 學(xué) 和 定 位 克 隆 相 結(jié) 合 的 道 路 。 具 體 地 說(shuō) 就 是 一 方 面 進(jìn) 行 各 種 遺 傳 疾 病 家 系 的 采 集 ，從 家 系 分 析 入 手 ， 尋 找 致 病 基 因 在 染 色 體 上 的 位 置 ，然 后 對(duì) 這 個(gè) 區(qū) 域 進(jìn) 行 測(cè) 序 ，

32、再 利 用 生 物 信 息 學(xué) 的 手段 預(yù) 測(cè) 候 選 基 因 和 它 的 功 能 并 用 實(shí) 驗(yàn) 加 以 證 實(shí) ； 另 一 方 面 直 接 從 現(xiàn) 有 公 共 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 中 的 EST出 發(fā) ， 用生 物 信 息 學(xué) 的 方 法 尋 找 可 能 有 研 究 價(jià) 值 的 新 基 因 ，并 用 實(shí) 驗(yàn) 方 法 來(lái) 研 究 證 實(shí) 。 這 種 雙 管 齊 下 克 隆 新 基因 的 方 法 可 能 更 適 合 我 國(guó) 人 類(lèi) 基 因 組 研 究 在 財(cái) 力 、物 力 和 研 究 人 才 資 源 等 方 面 的 客 觀 條 件 。 在 生 物 信 息 學(xué) 學(xué) 科 建 設(shè) 方 面 在 生 物 信

33、息 學(xué) 學(xué) 科 建 設(shè) 方 面 ， 政 府 應(yīng) 注意 加 強(qiáng) 生 物 信 息 學(xué) 學(xué) 科 建 設(shè) 的 延 續(xù) 性 ，克 服 青 年 科 技 人 員 流 動(dòng) 性 大 等 困 難 ， 有重 點(diǎn) 地 把 工 作 長(zhǎng) 久 地 開(kāi) 展 起 來(lái) ， 盡 快 設(shè)立 相 關(guān) 的 學(xué) 位 ， 以 利 于 對(duì) 后 繼 人 才 的 培養(yǎng) ； 適 當(dāng) 地 支 持 擁 有 我 國(guó) 自 主 知 識(shí) 產(chǎn) 權(quán)的 算 法 、 軟 件 的 后 繼 開(kāi) 發(fā) 、 包 裝 工 作 ，這 不 僅 僅 因 為 其 潛 在 的 商 業(yè) 利 潤(rùn) ， 更 要逐 漸 確 立 中 國(guó) 在 世 界 生 物 信 息 學(xué) 領(lǐng) 域 的地 位 。 在 生 物

34、 信 息 系 統(tǒng) 的 構(gòu) 建 方 面 國(guó) 家 應(yīng) 當(dāng) 集 中 創(chuàng) 建 一 兩 個(gè) 具 有 一 定 規(guī) 模 的 生 物 信 息 中 心 ，建 立 面 向 全 國(guó) 的 生 物 學(xué) 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 檢 索 和 數(shù) 據(jù) 分 析 系 統(tǒng) 。 這個(gè) 系 統(tǒng) 的 建 立 可 以 分 兩 步 走 。 第 一 步 我 們 要 將 國(guó) 外 公 共 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 中 的 內(nèi) 容 和 相 關(guān) 軟 件 收集 和 集 中 起 來(lái) ， 提 供 檢 索 和 下 載 。 第 二 步 是 將 這 些 資 源 有 機(jī) 地 組 合 ， 建 立 一 個(gè) 統(tǒng) 一 的 生 物信 息 平 臺(tái) 。 通 過(guò) 這 個(gè) 平 臺(tái) 用 戶(hù) 可 以 將 各 種

35、 格 式 的 數(shù) 據(jù) 提交 給 設(shè) 在 生 物 信 息 中 心 的 服 務(wù) 器 ， 在 服 務(wù) 器 上 進(jìn) 行 一 系列 的 檢 索 和 數(shù) 據(jù) 分 析 。 用 戶(hù) 不 必 關(guān) 心 各 種 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 和 軟 件的 輸 入 輸 出 格 式 ， 只 需 一 個(gè) 簡(jiǎn) 單 的 客 戶(hù) 端 軟 件 甚 至 只 需一 個(gè) WWW瀏 覽 器 就 能 完 成 全 部 工 作 。 整 個(gè) 生 物 信 息 平 臺(tái) 不僅 是 一 個(gè) 集 成 的 數(shù) 據(jù) 庫(kù) ， 而 且 是 一 個(gè) 集 成 的 軟 件 工 具 。 在 生 物 信 息 學(xué) 理 論 研 究 方 面 發(fā) 揮 國(guó) 人 的 聰 明 才 智 ， 加 強(qiáng) 數(shù) 學(xué)

36、 算 法 研究 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 論 、 信 息 論 ， 開(kāi) 展 生 物 信 息 學(xué)理 論 研 究 開(kāi) 展 生 物 信 息 學(xué) 的 倫 理 道 德 研 究 。 。 。 。 。 。 結(jié) 語(yǔ) 相 信 在 HGP和 即 將 開(kāi) 始 的 中 國(guó) 人 類(lèi)基 因 組 研 究 計(jì) 劃 中 ， 生 物 信 息 學(xué) 將發(fā) 揮 越 來(lái) 越 大 的 作 用 ， 并 推 動(dòng) 生 物學(xué) 進(jìn) 入 一 個(gè) 全 新 的 境 界 。 5、 相 關(guān) 資 源 ： European Bioinformatics Institute EBI) SBDS (Southampton Bioinformatics Data Server) U

37、.S. Department of Energy - Bioinformatics Infrastructure The NASA Ames Center for Bioinformatics The National Center for Biotechnology Information Protein Data Bank (PDB)Mirror Site 北 京 大 學(xué) 生 物 信 息 學(xué) 中 心 生 物 信 息 學(xué) 專(zhuān) 業(yè) 網(wǎng) BioSino中 國(guó) 生 物 信 息 6.參 考 鏈 接 : 生 物 信 息 學(xué) 生 物 技 術(shù) 的 核 心 (2000-04-03 ) 西 安 成 立 生 物

38、 信 息 研 究 中 心 (2000-05-16 ) 海 峽 兩 岸 理 論 生 命 科 學(xué) 交 流 逐 步 深 入 (2000-05-17 ) 人 類(lèi) 基 因 組 測(cè) 序 能 力 中 國(guó) 超 法 德 名 列 第 四 (2000-06-29 ) 我 國(guó) 首 家 DNA序 列 公 共 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 開(kāi) 通 (2000-07-04 ) 我 國(guó) 科 學(xué) 家 “ 強(qiáng) 強(qiáng) 聯(lián) 合 ” 勇 攀 生 命 科 學(xué) 制 高 點(diǎn) (2000-07-04) 德 國(guó) 欲 在 人 類(lèi) 基 因 組 研 究 中 取 得 領(lǐng) 先 地 位 (2000-07-05 ) 德 通 過(guò) 基 因 研 究 戰(zhàn) 略 文 件 (2000-07-

39、16 ) 增 強(qiáng) 我 國(guó) 基 因 組 研 究 整 體 實(shí) 力 的 八 點(diǎn) 建 議 (2000-07-19 ) 2000年 北 京 市 生 物 信 息 學(xué) 項(xiàng) 目 評(píng) 審 會(huì) 議 召 開(kāi) (2000-08-10) （ 根 據(jù) “ 新 生 命 ” 網(wǎng) 站 編 輯 整 理 ， 2000年 10月 31日 ） 生 物 信 息 學(xué) 網(wǎng) 絡(luò) 課 件 介 紹 五 、 WWW上 提 供 的 生 物 信 息學(xué) 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 工 具 軟 件 介 紹 軟 件 的 使 用 和 說(shuō) 明目 前 開(kāi) 發(fā) 的 大 量 軟 件 工 具 ， 大 多 數(shù) 缺 乏 技 術(shù) 細(xì) 節(jié) 的描 述 ， 使 得 新 軟 件 編 制 時(shí) 不 能

40、 很 好 地 利 用 已 有 的軟 件 資 源 ， 不 得 不 從 頭 開(kāi) 始 ， 造 成 各 種 軟 件 都 有自 己 的 輸 入 輸 出 格 式 ， 相 互 之 間 互 不 通 用 。同 時(shí) ， 大 量 軟 件 的 出 現(xiàn) 帶 來(lái) 一 個(gè) 新 問(wèn) 題 ， 即 生 物 學(xué)家 面 對(duì) 數(shù) 量 眾 多 的 軟 件 無(wú) 從 選 擇 。這 兩 個(gè) 問(wèn) 題 的 解 決 需 要 對(duì) 各 種 軟 件 的 功 能 特 性 和 技術(shù) 細(xì) 節(jié) 進(jìn) 行 詳 盡 的 介 紹 ， 并 進(jìn) 行 比 較 。 這 樣 的 話(huà) ，新 軟 件 的 編 制 者 可 以 避 免 一 些 編 程 的 重 復(fù) 勞 動(dòng) ，甚 至 直 接

41、 利 用 已 有 的 程 序 模 塊 ， 并 且 可 以 編 制 已有 軟 件 輸 出 格 式 的 接 口 ， 統(tǒng) 一 輸 入 輸 出 的 格 式 ，用 戶(hù) 也 可 以 方 便 地 選 擇 合 適 的 軟 件 。 六 、 生 物 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 常 用 的 查 詢(xún) 方法 介 紹 下 周 一 思 考 題 ： 請(qǐng) 獨(dú) 立 完 成 以 下 思 考 題 ： 1、 請(qǐng) 分 別 列 出 動(dòng) 物 、 真 菌 、 細(xì) 菌 、 魚(yú) 類(lèi) 、 病毒 、 原 生 動(dòng) 物 、 植 物 等 一 種 模 式 生 物 的 名 稱(chēng) 和相 關(guān) 的 網(wǎng) 址 。 2、 請(qǐng) 在 網(wǎng) 上 找 到 一 種 有 關(guān) 算 法 的 介 紹 。 3、 請(qǐng) 在 網(wǎng) 絡(luò) 上 找 到 有 關(guān) SARs病 毒 或 禽 流 感 病毒 的 基 因 組 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 網(wǎng) 址 。 注 意 ： 下 星 期 自 己 網(wǎng) 上 實(shí) 習(xí) 。 沒(méi) 有 計(jì) 算 機(jī) 的 同學(xué) ， 憑 學(xué) 生 證 可 以 到 網(wǎng) 絡(luò) 課 室 上 機(jī) 。 謝 謝 各 位 !