揭开生命奥秘的新兴交叉学科 生物信息学.ppt

揭开生命奥秘的新兴交叉学科第七章 生物信息学 内 容 生物信息学概念 生物信息学的内容 生物信息学的研究方法和技术 生物信息学软件和数据库 一、生物信息学的概念（p199） 生物信息学是用数理和信息科学的观点、理论和方法，以计算机为工具对生物信息进行收集、加工、储存、传播、检索和分析的科学。 研究材料和结果是各种各样的生物学数据 已经或即将完成的生物全基因组 几百种原核生物 酵母菌 拟南芥 (1-2亿bp） 水稻 人类 (32亿bp) 小鼠 大鼠 猪 鸡…..等 后基因组时代的到来 人类首次了解了自身的基因序列，了解了很多远亲生物的基因序列 正在面对指数扩增的基因序列和各种数据库 面临如何将基因序列资料转变为有用的知识，进而服务于人类，造福人类健康的挑战 人类功能基因组学必须多学科协作 生物信息学技术 生物芯片技术 蛋白质组学技术 高通量细胞筛选技术等 生物信息学是人类功能基因组学研究的必要工具 生物信息的开发和应用 以核酸蛋白质等生物大分子为主要研究对象 以信息、数理、计算机科学为主要研究手段 以计算机网络为主要研究环境 以计算机软件为主要研究工具 对序列数据进行存储、管理、注释、加工 对各种数据库进行查询、有哪些信誉好的足球投注网站、比较、分析 构建各种类型的专用数据库信息系统 研究开发面向生物学家的新一代计算机软件  计算机学、计算机网络 1.基因与基因组分析 基因组分析 研究主要集中在核苷酸序列的存储、分类、检索和分析等方面 新基因的发现 非蛋白编码区生物学意义的分析 基因组整体功能及其调节网络的系统把握 基因组演化与物种演化 2.蛋白质与蛋白质组分析 蛋白质结构 新蛋白的完整、精确和动态的三维结构 计算机辅助结构模拟 理解蛋白质的氨基酸序列和三维结构之间的关系 蛋白质序列及特性分析 蛋白质组学 三、生物信息学的研究方法和技术 数学统计方法 在分析DNA语言中的语义、分析密码子使用频率、利用马尔可夫模型进行基因识别 动态规划（Dynamic Programming）方法 一种通用的优化方法：在状态空间中，根据目标函数，通过递推，求出一条从状态起点到状态终点的最优路径（代价最小的路径）。 DNA序列或者蛋白质序列的两两对比排列 模式识别技术 两种方法 根据统计特征进行识别 根据对象的结构特征进行识别，常用句法识别。 DNA序列上功能位点和特征信号的识别 数据库技术 生物分子信息的存储、管理、查询等功能建立在数据库管理系统之上 人工神经网络技术 在功能上、结构上模拟大脑神经网络 神经网络计算速度快，更具有分析智能 应用：神经网络计算在优化和模式识别方面具有非常强的能力 基因识别、蛋白质结构预测上神经网络都取得了比其它方法更为准确的结果 分子模型化技术 利用计算机分析分子结构。通过交互操作平移、旋转和缩放分子的三维结构，从不同的角度观察分子构象和形状 分子力学和量子力学计算 主要基于半经验势函数的分子力学方法研究生物大分子的构象 量子力学在确定势函数的参数和研究局部性质 分子动力学模拟 研究蛋白质的构象及动力学，是计算机模拟实验的基础 “Half day on the Web，saves you half month in the lab” 专家系统 将有关专家的知识和经验以一定的知识表示形式（如产生式规则、语义网络等）存放在计算中以智能的方式帮助提供参考性决策。如用于基因识别 Internet技术 交流：通过Internet网交流生物分子数据 查阅：从Internet网上查生物分子数据，如原始的序列、结构数据，加工处理的数据 服务：将所要处理的数据直接送到相应的网络服务器上，服务器接受你的处理请求，并将处理结果返回给你 国外一直非常重视生物信息学的发展，各种专业研究机构和公司如雨后春笋般涌现出来，生物科技公司和制药工业内部的生物信息学部门的数量也与日俱增 1979年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室建立起GenBank数据库； 1982年，欧洲分子生物学实验室提供核酸序列数据库EMBL的服务； 1984年，日本着手建立国家级的核酸序列数据库DDBJ并于1987年开始提供服务 国内对生物信息学领域也越来越重视 1997年3月，北京大学于成立了生物信息学中心； 2000年3月，中科院上海生命科学研究院成立 其他，北京大学的罗静初和顾孝诚教授在生物信息学网站建设方面、中科院生物物理所的陈润生研究员在EST序列拼接方面以及在基因组演化方面、天津大学的张春霆院士在DNA序列的几何学分析方面等等…… 基因图谱数据库 核酸序列数据库 蛋白质序列数据库 大分子结构数据库等 国际著名的生物信息中心 NCBI National Center for Biotechnology Information (