《生物信息學》課程教學大綱

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1、《生物信息學》課程教學大綱 適用對象：生物工程、生物技術(shù)等專業(yè)學生 （學分： 2 學分 學時： 36） 一、課程的性質(zhì)和任務(wù) 生物學與信息科學是當今世界上發(fā)展最迅速、影響最大的兩門科學。而這兩門科 學的交叉融合形成了廣義的生物信息學， 正以嶄新的理念吸引著科學家的注意。 生物 信息學 （Bioinformatics） 是生命科學領(lǐng)域中的新興學科，面對人類基因組計劃所產(chǎn)生的 龐大的分子生物學信息， 生物信息學的重要性將越來越突出， 它無疑將會為生命科學 的研究帶來革命性的變革。它是綜合利用生物學、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。 本課

2、程主要講授生物信息學的基本概念和研究內(nèi)容、方法及其應(yīng)用等的基本知 識，學習從 Internet 如何獲取、處理、存儲、分配和解釋基因組信息，并應(yīng)用計算 機軟件進行蛋白空間結(jié)構(gòu)模擬和預(yù)測， 以便發(fā)掘和造就學生跨學科學習的本領(lǐng)。 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。 生物信息學是生物工程和生物技術(shù)專業(yè)的選修課程，適宜于已有生物化學和分子 生物學基礎(chǔ)的學生。本課程以多媒體教學為主，課堂輔助答疑為輔；結(jié)合網(wǎng)上資源和 課程軟件，基本上實現(xiàn)學生不限時段的網(wǎng)上學習、在線交流等功能。 二、教學內(nèi)容和要求 緒論 目的 ：了解本課程的研究對象、內(nèi)容和方法以及

3、國內(nèi)研究的領(lǐng)軍人物。 內(nèi)容 ： 本課程的研究對象和內(nèi)容； 學科發(fā)展史； 主要研究方法； 國內(nèi)研究的領(lǐng)軍人物。 要求 ： 1 了解本課程研究對象、內(nèi)容和學科發(fā)展史； 2 理解本課程的主要研究方法； 3 對國內(nèi)的一些研究團體和領(lǐng)軍任務(wù)有所了解。 第一章 生物信息學的基礎(chǔ)知識 目的： 掌握生物信息學所需的生物學、計算機科學和網(wǎng)絡(luò)知識。 內(nèi)容 ：生物學知識包括： 細胞的分類和亞結(jié)構(gòu)、中心法則、基因和基因組、蛋白質(zhì) 的結(jié)構(gòu)層次（從一級結(jié)構(gòu)到無級結(jié)構(gòu)） 、蛋白質(zhì)組學、核酸的結(jié)構(gòu)和功能、密 碼子的特征；計算機知識主要包括數(shù)據(jù)庫的基本知識、網(wǎng)絡(luò)的域名、 Ftp 服務(wù) 以及生物信息學常見的一些

4、 ftp 服務(wù)。 要求 ： 1 了解細胞的分類和亞結(jié)構(gòu)、 中心法則、 基因和基因組、 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次 （從 一級結(jié)構(gòu)到五級結(jié)構(gòu)） 、蛋白質(zhì)組學、核酸的結(jié)構(gòu)和功能、密碼子的特征等生 物學基礎(chǔ)知識； 2 理解這些生物學知識在生物信息學中的重要性； 3 理解數(shù)據(jù) 庫的基本知識、 網(wǎng)絡(luò)的域名、 Ftp 服務(wù)以及生物信息學常見的一些 ftp 服務(wù)； 4 熟 練掌握利用數(shù)據(jù)庫資源進行數(shù)據(jù)檢索和查詢。 第二章 生物信息學相關(guān)數(shù)據(jù)庫資源介紹 目的 ：了解生物信息學常見的數(shù)據(jù)庫資源，掌握 NCBI 等重要網(wǎng)站的使用。 內(nèi)容 ： 核酸及其相關(guān)數(shù)據(jù)庫 （序列數(shù)據(jù)庫、 基因組相關(guān)數(shù)據(jù)庫、 核酸三維結(jié)構(gòu)

5、數(shù)據(jù)庫、 其他） ；蛋白質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)庫（序列數(shù)據(jù)庫、蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫、蛋白質(zhì)組 數(shù)據(jù)庫（二維凝膠電泳數(shù)據(jù)庫） 、信號傳導及蛋白質(zhì) -蛋白質(zhì)相互作用相關(guān)數(shù)據(jù) 庫、 DNA 和蛋白質(zhì)相互作用數(shù)據(jù)庫） ；基因或蛋白質(zhì)一些特定數(shù)據(jù)庫；糖類及 其相關(guān)數(shù)據(jù)庫；蛋白質(zhì)翻譯后修飾相關(guān)數(shù)據(jù)庫；基因表達數(shù)據(jù)庫；人類基因突 變及疾病相關(guān)數(shù)據(jù)庫； 進化相關(guān)數(shù)據(jù)庫及資源專利數(shù)據(jù)庫； 資源目錄服務(wù)器或 網(wǎng)頁。 要求 ： 1 了解數(shù)據(jù)庫的分類以及各級數(shù)據(jù)庫的特種和優(yōu)缺點； 2 理解核酸及相關(guān)數(shù)據(jù) 庫的特點及其應(yīng)用； 3 理解蛋白質(zhì)及相關(guān)數(shù)據(jù)庫的特點及應(yīng)用； 4 熟練掌握 NCBI/EMBL/DDBJ/S

6、WISS-PROT 等常見數(shù)據(jù)庫的使用； 5 了解其它類型的數(shù) 據(jù)庫的一些基本網(wǎng)址； 6 了解常見序列的 ftp 下載的地址及方法。 第三章 序列比對 目的 ：掌握雙序列必對、多序列必對的軟件操作方法及結(jié)果的評估。 內(nèi)容 ： 在生物學研究中， 將未知序列同已知序列進行比較分析已經(jīng)成為一種強有力的 研究手段 ，生物學領(lǐng)域中絕大部分問題在計算機科學領(lǐng)域中主要體現(xiàn)為序列或字符 串的問題，雙序列比對（ Pairwise Sequence Alignment ） 、多序列比對（ Multiple Anlignment ）的定義、計算方法以及常用實現(xiàn)序列必對的軟件使用方法以及核酸序 列的分

7、析。 要求 ： 1 了解序列必對的定義、計算方法以及用途； 2 掌握 CLUSTALW 等軟件的使 用方法； 3 掌握基于雙序列必對的 BLAST/FASTA 等網(wǎng)絡(luò)搜索工具的使用。 4 了解 BLAST/FASTA 等網(wǎng)絡(luò)搜索結(jié)果的評估； 5 理解調(diào)和序列的定義以及調(diào)和序列產(chǎn)生的 依據(jù)； 6 掌握核酸序列分析常見的方法及手段； 8 了解部分基因組數(shù)據(jù)庫的使用及功 能基因組的生物信息學分析。 第四章 系統(tǒng)發(fā)育分析 目的： 了解系統(tǒng)發(fā)育分析的原理和應(yīng)用以及常用軟件和數(shù)據(jù)庫的使用。 內(nèi)容 ：系統(tǒng)發(fā)育分析的理論基礎(chǔ)及基本概念，系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建方法，常見系統(tǒng)發(fā)育軟 件及使用。 要求

8、： 1 了解進化、分子鐘假說和中性進化理論，了解相似性、同源性和同一性的含 義； 2 了解系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建的幾種方法； 3 掌握 PHYLIP 等常用軟件的使用方 法。 第五章 基于細菌 16S rDNAs 系統(tǒng)發(fā)育分析及系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建 目的： 掌握基于細菌 16S rDNAs 系統(tǒng)發(fā)育分析及系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建的方法及策略。 內(nèi)容 ： 16S rDNA 的 PCR 擴增的方法， 用于系統(tǒng)發(fā)育分析的免費軟件及數(shù)據(jù)庫， 利用 RDP 網(wǎng)站和 phylip 程序構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。 要求：1理解16S rRNA在用于細菌鑒定中的重要作用；2理解PCR擴增的原理和過 程； 3 熟悉用于系統(tǒng)發(fā)育分析

9、的免費軟件和數(shù)據(jù)庫的使用和查詢； 4 掌握利用 RDP （小核糖體網(wǎng)站）進行系統(tǒng)發(fā)育分析的操作方法， 5.掌握利用PHYLIP 程序構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹的過程以及在用于其它分子進化分析中的應(yīng)用。 第六章 蛋白質(zhì)序列分析 目的： 掌握蛋白質(zhì)序列分析的流程以及策略和常用軟件和數(shù)據(jù)庫的使用。 內(nèi)容 ：蛋白質(zhì)序列分析的意義和目的；蛋白質(zhì)基本性質(zhì)預(yù)測；蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)預(yù)測； 蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)預(yù)測；蛋白質(zhì)功能預(yù)測。 要求 ： 1 了解蛋白質(zhì)序列分析的意義和目的； 2 熟練掌握蛋白質(zhì)基本性質(zhì)和二級結(jié)構(gòu) 的預(yù)測； 3 掌握蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)預(yù)測的流程以及常見的預(yù)測方法； 4 了解蛋白質(zhì)功能 預(yù)測的一般步驟的策

10、略。 第七章 蛋白質(zhì)序列分析實例 目的： 以 1,3－丙二醇脫氫酶結(jié)構(gòu)預(yù)測及分子進化分析說明蛋白質(zhì)分析的一般流程和 方法。 內(nèi)容 ： 1,3－丙二醇脫氫酶的重要作用；該酶氨基酸序列的獲得和基本性質(zhì)的預(yù)測、 二級結(jié)構(gòu)的預(yù)測、分子進化分析、三級結(jié)構(gòu)預(yù)測及功能預(yù)測。 要求： 1 了解 1,3－丙二醇脫氫酶的重要作用； 2 了解蛋白質(zhì)的氨基酸序列的獲取方 法； 3 掌握蛋白基本性質(zhì)、二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)的預(yù)測； 4 了解蛋白質(zhì)功能預(yù) 測的策略和流程。 第八章 生物芯片 目的： 使學生了解生物芯片的制作原理、 數(shù)據(jù)采集和解析以及在現(xiàn)代生物學中的應(yīng)用。 內(nèi)容 ：分子雜交的基礎(chǔ)知識；生物

11、芯片的定義和制作；生物芯片數(shù)據(jù)分析；生物芯片 的用途。 要求 ： 1 理解分子雜交的基本知識。 2 掌握生物芯片的定義和制作的過程。 3 理解生 物芯片數(shù)據(jù)分析的方法及儀器。 4 了解生物芯片在現(xiàn)代生物學中的應(yīng)用前景及領(lǐng)域。 第九章 生物信息學與藥物設(shè)計 目的： 了解藥物設(shè)計的基本原理和生物信息學在藥物設(shè)計中的重要作用。 內(nèi)容 ：藥物設(shè)計的理論基礎(chǔ)；已知受體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計；未知受體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計； 藥物設(shè)計與組合化學的關(guān)系，藥物設(shè)計和生物信息學的關(guān)系。 要求 ： 1 了解藥物設(shè)計的理論基礎(chǔ)。 2 掌握已知受體結(jié)構(gòu)和未知受體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計 的不同策略。 3 了解結(jié)構(gòu)信息學進行藥

12、物設(shè)計的一般過程。 4 了解生物信息學 在藥物設(shè)計中的巨大作用。 三、課程的重點和難點： 重點：從總體上講，本課程的重點章節(jié)為：生物信息學的網(wǎng)絡(luò)資源、序列比對、系統(tǒng) 發(fā)育分析以及蛋白質(zhì)序列分析。 難點：從總體上講，蛋白質(zhì)序列分析這一章是本課程的難點，這一章除了要求學生有 較強的生物化學和分子生物學的基礎(chǔ)知識外，還要對整個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能預(yù) 測的整個流程有一個整體的概念，而且在結(jié)構(gòu)預(yù)測的方法上非常繁多，如何選 擇合適的預(yù)測方法和計算方法將是讓學生非常頭痛的問題， 而且各種方法所得 到的結(jié)果之間如何進行比較和評估也是一個難以解決的問題， 因此在授課的過 程中，首先要對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能預(yù)測的

13、流程進行詳細的解說， 使學生有一個 整體上的了解，然后分別介紹各種方法的算法和優(yōu)缺點以及一些常用的評估指 標，使學生有一個明確的目的，然后鼓勵學生多上網(wǎng)進行蛋白質(zhì)序列分析的實 例分析，以加強對整個過程的了解。另外，本章還涉及到許多程序的使用，尤 其是用來顯示蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的一些程序，這些程序之間不能互相轉(zhuǎn)換，文件 格格式不能同一，也是學生在學習過程碰到的一個難點。 四、參考性教學時間安排 教學內(nèi)容 36學時授課學時 緒 論 2 第一章生物信息學基礎(chǔ)知識 2 第二章生物信息學網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫資源 4 第三章序列比對 4 第四章系統(tǒng)發(fā)育分析 4 第五章基于細菌16S rDN

14、As系統(tǒng)發(fā)育分析及系統(tǒng)發(fā)育樹 構(gòu)建 勺 2 第六章蛋白質(zhì)序列分析 4 第七章蛋白質(zhì)序列分析實例 2 第八章生物芯片 6 第九章生物信息學與藥物設(shè)計 4 習題復習 2 五、教材與主要參考書： 教材：鐘揚等《簡明生物信息學教程》、高等教育出版社，2001 主要參考書：1）張成崗 等，《生物信息學方法與實踐》、科學出版社，2002 2）趙國屏等，《生物信息學》，科學出版社，2002 3) 趙衍達 等， 《生物信息學， 蛋白質(zhì)和核酸分析實驗指南》 ， 清華大學出版社， 2000 4) 羅遼復， 《生命進化的物理觀》 ，上?？茖W技術(shù)出版社， 2000 。 5) D.R.Wedthead 等， Bioinformatics, 科學出版社， 2003 注：教材可每年根據(jù)實際情況調(diào)整一下。 4