生物信息学幻灯讲义1.ppt

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Bioinformatics生物信息学生物信息学授课教师授课教师:

贾小平贾小平单位单位:

河南科技大学农学院河南科技大学农学院第一章：

绪第一章：

绪论论第一节第一节生物信息学及其发展历史生物信息学及其发展历史第二节第二节生物信息学主要研究内容生物信息学主要研究内容第三节第三节生物信息学的基本方法和技术生物信息学的基本方法和技术第四节第四节生物信息学应用与展望生物信息学应用与展望生物信息学是一门新兴的交叉学生物信息学是一门新兴的交叉学科，它将数学和计算机知识应用科，它将数学和计算机知识应用于生物学，以获取、加工、存储、于生物学，以获取、加工、存储、分类、检索与分析生物大分子的分类、检索与分析生物大分子的信息，从而理解这些信息的生物信息，从而理解这些信息的生物学意义。

学意义。

生物信息学的概念：

生物信息学的概念：

“Bioinformaticsisthescienceofusinginformationtounderstandbiology.Itsthedisciplineofobtaininginformationaboutgenomicorproteinsequencedata.Thismayinvolvesimilaritysearchesofdatabases,comparingyourunidentifiedsequencetothesequencesinadatabase,ormakingpredictionsaboutthesequencebasedoncurrentknowledgeofsimilarsequences.”Claverie（2000）生物信息学的诞生：

生物信息膨胀生物信息膨胀生物信息学生物信息学有有效效管管理理?

准准确确解解读读?

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生物信息学发展史

（1）

（1）萌芽期萌芽期（60-70（60-70年代年代）序列比较序列比较

（2）

（2）形成期形成期（80（80年代年代）分子数据库和分子数据库和BLASTBLAST等相似性搜索程序等相似性搜索程序（3）（3）高速发展期高速发展期（90（90年代年代-至今至今）基因组测序与分析基因组测序与分析n19621962PaulingPauling提出分子进化理论提出分子进化理论n19671967DayhoffDayhoff构建蛋白质序列数据库构建蛋白质序列数据库n1970Needleman-1970Needleman-WunschWunsch算法被提出算法被提出n19771977StadenStaden利用计算机软件分析利用计算机软件分析DNADNA序列序列n1981Smith-Waterman1981Smith-Waterman算法出现算法出现n19811981序列模序序列模序（motif）（motif）的概念被提出的概念被提出（Doolittle）（Doolittle）n19821982GenBankGenBank数据库数据库（Release3）（Release3）公开；公开；EMBLEMBL创立创立n1982-1982-噬菌体基因组被测序噬菌体基因组被测序n1983Wilbur1983Wilbur和和LipmanLipman提出序列数据库的搜索算法提出序列数据库的搜索算法（Wilber-（Wilber-LipmanLipman算法算法）n19851985快速序列相似性搜索程度快速序列相似性搜索程度FASTP/FASTNFASTP/FASTN发布发布n19881988美国家生物技术信息中心美国家生物技术信息中心（NCBI）（NCBI）创立创立n19881988欧洲分子生物学网络欧洲分子生物学网络EMBnetEMBnet创立；三大核酸数据库创立；三大核酸数据库（GenBankGenBank、EMBLEMBL和和DDBJ）DDBJ）开始国际合作开始国际合作n19901990快速序列相似性搜索程序快速序列相似性搜索程序BLASTBLAST发布发布n19911991表达序列标签表达序列标签（EST）（EST）概念被提出，从此开创概念被提出，从此开创ESTEST测序测序n19931993英国英国SangerSanger中心在英国休斯顿建立中心在英国休斯顿建立n19941994欧洲生物信息学研究所在英国欧洲生物信息学研究所在英国HinxtonHinxton成立成立n19951995第一个细菌基因组测序完成第一个细菌基因组测序完成n19961996酶母基因组测序完成酶母基因组测序完成n1997PSI-BLAST（BLAST1997PSI-BLAST（BLAST系列程序之一系列程序之一）发布发布n19981998PhilGreenPhilGreen等人研制的自动测序组装系统等人研制的自动测序组装系统Phred-Phred-Phrap-ConsedPhrap-Consed系统正式发布系统正式发布n19981998多细胞线虫基因组测序完成多细胞线虫基因组测序完成n19991999果蝇基因组测序完成果蝇基因组测序完成n20002000人类基因组测序基本完成人类基因组测序基本完成n20012001人类基因组初步分析结果公布人类基因组初步分析结果公布生物信息学研究内容n建立和管理各种生物数据库建立和管理各种生物数据库n生物信息数据库生物信息数据库使用使用n生物信息学中的数学模式和方法生物信息学中的数学模式和方法研究研究n数据库接口和检索工具的研制数据库接口和检索工具的研制nHGPHGP的实施，对信息采集和处理提出的要求的实施，对信息采集和处理提出的要求n从大量数据中提取新知识从大量数据中提取新知识nDNADNA芯片和微阵列的发展芯片和微阵列的发展生物信息学基本方法和技术n建立生物数据库建立生物数据库各种公共数据库各种公共数据库本地化数据库本地化数据库n数据库检索数据库检索各种数据检索工具的开发和使用各种数据检索工具的开发和使用Entrez检索体系检索体系BLAST检索体系检索体系n生物大分子序列分析生物大分子序列分析Homologoussequenceanalysis（同源（同源序列分析）序列分析）Multiplesequencealignment多序列多序列比对比对Evolutionanalysis（进化分析进化分析）Phylogeneticprediction（系统发育分析系统发育分析）进化进化方式方式分析分析进化进化位点位点分析分析基因组分析基因组分析序列拼接序列拼接序列注释序列注释基因功能、结构分析基因功能、结构分析蛋白质功能、结构分析蛋白质功能、结构分析蛋白质三维结构预测蛋白质三维结构预测蛋白质修饰蛋白质修饰ElectronPCRn统计模型统计模型HiddenMarkovmodel（HMM，隐马尔可夫模，隐马尔可夫模型）型）基因识别和药物设计基因识别和药物设计Maximumlikelihoodmodel（最大似然模型）（最大似然模型）序列进化分析序列进化分析n数学算法数学算法自动序列拼接自动序列拼接外显子预测外显子预测同源序列比较同源序列比较生物信息学应用与展望n基础研究和教学基础研究和教学分子生物学研究的重要手段之一分子生物学研究的重要手段之一生命科学的教学生命科学的教学n药物开发药物开发新药筛选新药筛选药靶设计药靶设计分子药理学研究分子药理学研究n疾病诊断疾病诊断利用疑难病症的病原利用疑难病症的病原DNA序列诊断疾病序列诊断疾病遗传病遗传病n其他其他环境监测环境监测食品安全检测食品安全检测海关检测海关检测n展望展望用于序列分类、相似性搜索、用于序列分类、相似性搜索、DNA序列编码区识别、序列编码区识别、分子结构与功能预测、进化过程的构建等方面的计算分子结构与功能预测、进化过程的构建等方面的计算工具已成为研究工作的重要组成部分工具已成为研究工作的重要组成部分生物信息学研究的一个核心问题是数据库的开发生物信息学研究的一个核心问题是数据库的开发数据的共享性和应用性非常重要数据的共享性和应用性非常重要在我国，生物信息学随着人类和水稻等基因组研究的在我国，生物信息学随着人类和水稻等基因组研究的展开已显露出蓬勃发展的势头。

生物信息学作为基因展开已显露出蓬勃发展的势头。

生物信息学作为基因研究的有力武器，被广泛用于新基因的发现，以达到研究的有力武器，被广泛用于新基因的发现，以达到将有用新基因抢先注册专利的目的。

在这场抢基因的将有用新基因抢先注册专利的目的。

在这场抢基因的国际竞争中，如何结合我国科研、开发状况，重点投国际竞争中，如何结合我国科研、开发状况，重点投入以求得局部优势和商业回报，是中国科学家和相关入以求得局部优势和商业回报，是中国科学家和相关部门必须面对的新课题。

部门必须面对的新课题。

第二章第二章:

生物信息学数据库生物信息学数据库第一节第一节模式生物模式生物第二节第二节生物数据库生物数据库humanArabidopsis拟南芥拟南芥ThermotogamaritimaEscherichiacoli大肠杆菌大肠杆菌Buchnerasp.APSRickettsiaprowazekiiUreaplasmaurealyticumBacillussubtilisDrosophilamelanogasterThermoplasmaacidophilumPlasmodiumfalciparumHelicobacterpylorimouseCaenorhabitiselegansratBorreliaburgorferiBorreliaburgorferiAquifexaeolicusNeisseriameningitidisZ2491Mycobacteriumtuberculosis常见的模式生物常见的模式生物常见的模式生物常见的模式生物人类基因组，模式生物基因组计划人类基因组，模式生物基因组计划1、人类基因组计划、人类基因组计划与曼哈顿原子与曼哈顿原子计划、阿波罗登月计划并称的人类科学计划、阿波罗登月计划并称的人类科学史上的重大工程。

于史上的重大工程。

于1990年首先在美国启年首先在美国启动，后有德、动，后有德、日、英、法、中等国的科学家先后正式加入。

日、英、法、中等国的科学家先后正式加入。

6060年代初，美国总统年代初，美国总统KennedyKennedy提出两个科学计划：

提出两个科学计划：

登月计划登月计划攻克肿瘤计划攻克肿瘤计划人类遗传信息的复杂性人类遗传信息的复杂性人类基因组计划人类基因组计划（HGP，HumanGenomeProject）目标：

整体上破解人类遗传信息的奥秘目标：

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整体上破解人类遗传信息的奥秘为什么提出为什么提出为什么提出为什么提出HGPHGP？

HGPHGP的的的的历史回顾历史回顾历史回顾历史回顾1984.12犹他州阿尔塔组织会议，初步研讨测定人类整个基因组DNA序列的意义1985Dulbecco在Science撰文“肿瘤研究的转折点:

人类基因组的测序”美国能源部（DOE）提出“人类基因组计划”草案1987美国能源部和国家卫生研究院（NIH）联合为“人类基因组计划”下拨启动经费约550万美元1989美国成立“国家人类基因组研究中心”，Watson担任第一任主任1990.10经美国国会批准，人类基因组计划正式启动JamesWatsonWalterGilbert19951995第一个自由生物体流感嗜血菌第一个自由生物体流感嗜血菌（H.H.infinf）的全基因组测序完成的全基因组测序完成19961996完成人类基因组计划的遗传作图完成人类基因组计划的遗传作图启动模式生物基因组计划启动模式生物基因组计划H.inf全基因组全基因组Saccharomycescerevisiae酿酒酵母酿酒酵母Caenorhabdit