生物信息學(xué)一門新興學(xué)科

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1、撰稿人：黃英武（解放軍306醫(yī)院）過(guò)濤（清華大學(xué)生物信息學(xué)研究所）審稿人：孫之榮（清華大學(xué)生物信息學(xué)研究所）1概述2生物信息數(shù)據(jù)庫(kù)與查詢2.1基因和基因組數(shù)據(jù)庫(kù)2.2蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)2.3功能數(shù)據(jù)庫(kù)2.4其它數(shù)據(jù)庫(kù)資源3序列比對(duì)和數(shù)據(jù)庫(kù)搜索3.1序列兩兩比對(duì)3.2多序列比對(duì)4核酸與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的預(yù)測(cè)分析4.1針對(duì)核酸序列的預(yù)測(cè)方法4.2針對(duì)蛋白質(zhì)的預(yù)測(cè)方法5分子進(jìn)化6基因組序列信息分析6.1基因組序列分析工具6.2人類和鼠類公共物理圖譜的使用6.3SNPs識(shí)別6.4全基因組比較6.5EST序列應(yīng)用7功能基因組相關(guān)信息分析

2、7.1大規(guī)?；虮磉_(dá)譜分析7.2基因組水平蛋白質(zhì)功能綜合預(yù)測(cè)參考文獻(xiàn)1概述當(dāng)前人類基因組研究已進(jìn)入一個(gè)重要時(shí)期，2000年將獲得人類基因組的全部序列，這是基因組研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn)和關(guān)鍵時(shí)刻，意味著人類基因組的研究將全面進(jìn)入信息提取和數(shù)據(jù)分析階段，即生物信息學(xué)發(fā)揮重要作用的階段。到1999年12月15日發(fā)布的第115版為止，GenBank中的DNA堿基數(shù)目已達(dá)46億5千萬(wàn)，DNA序列數(shù)目達(dá)到535萬(wàn)；其中EST序列超過(guò)339萬(wàn)條；UniGene的數(shù)目已達(dá)到7萬(wàn)個(gè)；已有25個(gè)模式生物的完整基因組被測(cè)序完成，另外的70個(gè)模式生物基因

3、組正在測(cè)序當(dāng)中；到2000年1月28日為止，人類基因組已有16%的序列完成測(cè)定，另外37.7%的序列已經(jīng)初步完成；同時(shí)功能基因組和蛋白質(zhì)組的大量數(shù)據(jù)已開始涌現(xiàn)。如何分析這些數(shù)據(jù)，從中獲得生物結(jié)構(gòu)、功能的相關(guān)信息是基因組研究取得成果的決定性步驟。生物信息學(xué)是在此背景下發(fā)展起來(lái)的綜合運(yùn)用生物學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、信息科學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等諸多學(xué)科的理論方法的嶄新交叉學(xué)科。生物信息學(xué)是內(nèi)涵非常豐富的學(xué)科，其核心是基因組信息學(xué)，包括基因組信息的獲取、處理、存儲(chǔ)、分配和解釋。基因組信息學(xué)的關(guān)鍵是“讀懂”基因組的核苷酸順序，即全部基因在染

4、色體上的確切位置以及各DNA片段的功能；同時(shí)在發(fā)現(xiàn)了新基因信息之后進(jìn)行蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)模擬和預(yù)測(cè)，然后依據(jù)特定蛋白質(zhì)的功能進(jìn)行藥物設(shè)計(jì)。了解基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)理也是生物信息學(xué)的重要內(nèi)容，根據(jù)生物分子在基因調(diào)控中的作用，描述人類疾病的診斷、治療內(nèi)在規(guī)律。它的研究目標(biāo)是揭示"基因組信息結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及遺傳語(yǔ)言的根本規(guī)律"，解釋生命的遺傳語(yǔ)言。生物信息學(xué)已成為整個(gè)生命科學(xué)發(fā)展的重要組成部分，成為生命科學(xué)研究的前沿。近來(lái)的研究表明，基因組不僅是基因的簡(jiǎn)單排列，它有其特有的組織結(jié)構(gòu)和信息結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是在長(zhǎng)期的演化過(guò)程中產(chǎn)生的，也是基因

5、發(fā)揮其功能所必須的。弄清楚生物體基因組特有的組織結(jié)構(gòu)和信息結(jié)構(gòu)，解譯生命的遺傳語(yǔ)言的關(guān)鍵。目前在數(shù)據(jù)庫(kù)中已經(jīng)有越來(lái)越多的模式生物全基因組序列，第一個(gè)人類染色體全序列--第22號(hào)染色體的測(cè)序工作已經(jīng)在1999年12月完成，整個(gè)人類基因組計(jì)劃工作草圖將在最近完成。這無(wú)疑給基因組組織結(jié)構(gòu)和信息結(jié)構(gòu)的研究工作提供了大量的第一手材料，同時(shí)也為基因組研究取得突破性進(jìn)展提供了可能。人類對(duì)基因的認(rèn)識(shí)，將從以往的對(duì)單個(gè)基因的了解，上升到在整個(gè)基因組水平上考察基因的組織結(jié)構(gòu)和信息結(jié)構(gòu)，考察基因之間在位置、結(jié)構(gòu)和功能上的相互關(guān)系。從目前生物信

6、息學(xué)的研究情況來(lái)看，國(guó)際上公認(rèn)的生物信息學(xué)的研究?jī)?nèi)容，大致包括以下幾個(gè)方面：生物信息的收集、存儲(chǔ)、管理與提供。包括建立國(guó)際基本生物信息庫(kù)和生物信息傳輸?shù)膰?guó)際聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)；建立生物信息數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)估與檢測(cè)系統(tǒng)；生物信息的在線服務(wù)；生物信息可視化和專家系統(tǒng)?；蚪M序列信息的提取和分析。包括基因的發(fā)現(xiàn)與鑒定，如利用國(guó)際EST數(shù)據(jù)庫(kù)(dbEST)和各自實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的相應(yīng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)大規(guī)模并行計(jì)算發(fā)現(xiàn)新基因和新SNPs以及各種功能位點(diǎn)；基因組中非編碼區(qū)的信息結(jié)構(gòu)分析，提出理論模型，闡明該區(qū)域的重要生物學(xué)功能；進(jìn)行模式生物完整基因組的信息結(jié)

7、構(gòu)分析和比較研究；利用生物信息研究遺傳密碼起源、基因組結(jié)構(gòu)的演化、基因組空間結(jié)構(gòu)與DNA折疊的關(guān)系以及基因組信息與生物進(jìn)化關(guān)系等生物學(xué)的重大問(wèn)題。功能基因組相關(guān)信息分析。包括與大規(guī)?；虮磉_(dá)譜分析相關(guān)的算法、軟件研究，基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的研究；與基因組信息相關(guān)的核酸、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)和模擬，以及蛋白質(zhì)功能預(yù)測(cè)的研究。生物大分子結(jié)構(gòu)模擬和藥物設(shè)計(jì)。包括RNA(核糖核酸)的結(jié)構(gòu)模擬和反義RNA的分子設(shè)計(jì)；蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)模擬和分子設(shè)計(jì)；具有不同功能域的復(fù)合蛋白質(zhì)以及連接肽的設(shè)計(jì)；生物活性分子的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算和設(shè)計(jì)；納米生物材料

8、的模擬與設(shè)計(jì)；基于酶和功能蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、細(xì)胞表面受體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)；基于DNA結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)等。生物信息分析的技術(shù)與方法研究。包括發(fā)展有效的能支持大尺度作圖與測(cè)序需要的軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)以及若干數(shù)據(jù)庫(kù)工具，諸如電子網(wǎng)絡(luò)等遠(yuǎn)程通訊工具；改進(jìn)現(xiàn)有的理論分析方法，如統(tǒng)計(jì)方法、模式識(shí)別方法、隱馬爾科夫過(guò)程方法、分維方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法