（更改）生物信息学教程课件

生物信息学,主讲人:彭晓莉,课程特点,多学科交叉，知识覆盖面广：生物、计算机、数学、物理、化学等 内容众多，且应用领域宽广：涉及从基因组序列分析直到药物设计等 实践环节非常重要：生物信息数据资源与分析工具繁多 知识更新快：理论方法尚不系统成熟，处于迅速发展变化阶段 缺乏合适的教材,计算机方面,网络技术和数据库（特别是关系型数据库）管理技术 数据整合和可视化 数据挖掘（Data Mining）与人工智能 算法设计 软件研制,数学方面,统计学，是生物信息学的数学基础之一 概率论与随机过程理论 运筹学，如动态规划法 最优化理论与算法 几何拓扑学 函数论，如傅里叶变换，小波变换 信息论，神经网络，计算数学；群论，组合数学等,课程定位,介绍生物信息学对于生命科学研究及生物技术相关产业发展的重要性 沿着“从生物信息查询、DNA和蛋白质相似性对比、蛋白质结构和功能预测”这一主线，介绍相关的生物信息学研究内容、所涉及的主要方法与研究思路、所取得的研究成果及其解决问题的能力 讲授与研讨相结合，请学有所长的同学参与部分讲授,教学计划,第一章 生物信息学引论 第二章 生物信息学的发展和前景 第三章 常用生物信息学数据库简介 第四章 生物信息查询 第五章 DNA和蛋白质相似性对比 第六章 蛋白质结构和功能预测,生物信息学实验教学,实验1. 使用Oligo和Primer软件设计PCR引物 实验2. 常用分子生物学数据库的使用和数据格式、 数据库查询与下载(Entrez. SRS) 实验3. 核酸和蛋白质序列的进化分析(CLUSTALX、 MEGA2软件的使用) 实验4. 蛋白质序列分析和结构预测,主要参考书,1生物信息学，David W. Mount 著，钟 扬、王 莉、张 亮等译，高等教育出版社，2003 2 生物信息学基因和蛋白质分析的实用指南（Andreas D.Baxevanis And B.F.Francis Ouellette 著）. 李衍达、孙子荣等 译. 北京：清华大学出版社，2000 3简明生物信息学，钟 扬等 主编. 高等教育出版社，2001 探索基因组学、蛋白质组学和生物信息学，孙子荣译. 科学出版社，2004 4生物信息学方法与实践，张成岗 贺福初 编著. 科学出版社，2002 5 生物信息学导论，李巍等 主编. 郑州大学出版社， 200,第一章,生物信息学引论,研究背景 生物信息学定义 生物信息学研究内容 生物信息学研究方法,研究背景,从人类基因组计划（HGP）说起 为什么提出HGP？ 1961年，美国总统Kennedy提出两个科学计划: 登月计划 攻克肿瘤计划 人类遗传信息的复杂性 人类基因组计划 (HGP，Human Genome Project) 目标：整体上破解人类遗传信息的奥秘 1、“曼哈顿原子弹计划”历史遗留问题之产物 2、对生命科学和医学的科学影响,二十世纪三大科学计划,曼哈顿原子弹计划 （1942-46）,阿波罗登月计划 (1961-69),人类基因组计划 (1990-2003),HGP的驱动 1986年Science上 Dulbecco R重要文章“肿瘤研究的转折 人类基因组的全序列分析”。 包括肿瘤在内的一切疾病的发生，都与基因相关。是“零敲碎打”？ 还是从整体上研究和分析整个人类基因组？他指出，这个世界上发生的一切事情，都与这人类的DNA序列相关。只有弄清人类基因组全部或大部分基因的工作情况，实施其它计划才有可能。这样的工作是任何一个实验室难以单独承担的,DNA、基因、基因组,生命活动三要素：物质、能量、信息,DNA: 遗传物质(遗传信息的载体) 双螺旋结构 A, C, G, T四种基本字符的复杂文本 基因（Gene）：具有遗传效应的DNA分子片段,基因组(Genome)：包含细胞或生物体的全套遗传信息的全部遗传物质 原核生物(细菌、病毒等) 真核生物(真菌、植物、动物等) 人类基因组： 3.2×109 bp，含有约3万个 基因,HGP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 1986.3 Dulbecco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,James Watson,Walter Gilbert,尽管比之于人类登月，HGP的投入资金要少得多，但HGP对人类生活的影响要更为深远。因为随着这个计划的完成，DNA分子中编码的遗传信息将对人类存在的化学基础作出最终的回答。这将不仅帮助我们理解我们是如何作为健康的人发挥正常功能的，而且也将在化学水平上解释遗传因子在各种疾病，如癌症、早老痴呆症、精神分裂症等一些严重危害人类健康的疾病中的作用。毕竟对人类自身更深入的了解是人类活动中最重要的一个部分。 Watson ,1990,Science,HGP的最初目标:通过国际合作，用15年时间(19902005)至少投入30亿美元，构建详细的人类基因组遗传图和物理图，确定人类DNA的全部核苷酸序列，定位约10万基因，并对其它生物进行类似研究。 4张图：遗传图 物理图 序列图 基因图,HGP的终极目标 阐明人类基因组全部DNA序列 识别基因 建立储存这些信息的数据库 开发数据分析工具 研究HGP实施所带来的伦理、法律和社会问题,HGP辅助计划,在人类基因组计划中，还包括对五种生物基因组的研究：大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇和小鼠，称之为人类的五种“模式生物”。,1995 第一个自由生物体流感嗜血菌(H. inf)的全基因组测序完成 1996 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,H.Inf 全基因组,1997 大肠杆菌(E. coli)全基因组测序完成 1998 完成人类基因组计划的物理作图 开始人类基因组的大规模测序 Celera公司加入，与公共领域竞争 启动水稻基因组计划 1999.7 第5届国际公共领域人类基因组测序会议，加快测序速度 2000 Celera公司宣布完成果蝇基因组测序 国际公共领域宣布完成第一个植物基因组拟南芥因组的测序工作 2000.6.26 公共领域和Celera公司同时宣布完成人类基因组工作草图 2001.2.15 Nature刊文发表国际公共领域结果 2001.2.16 Science刊文发表Celera公司及其合作者结果,At the White House on June 26, Francis Collins (r), Director of the National Human Genome Research Institute, President Clinton, and J. Craig Venter, President of Celara Genomics, lauded the thousands of scientists who contributed to the genome sequence.,2001年8月26日 人类基因组“中国卷”的绘制工作宣告完成。 2002年 水稻、小鼠、疟原虫等基因组测序完成 2003年4月14日 中、美、日、德、法、英等6国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现。 2003年10月，2004年10月人类基因组完成图公布。,AGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGCAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGCAAGTTGCATGACGATTGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGCAAGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGCAAGTTGCATGACGATTGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGCGATGCATGACCTAGCAAGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGCAAGTTGCATGACGATTGACCTAGTGCATGACTGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGCAAGTTGCATGACGATTGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGCAAGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAATGCATGACCTAGCAGCATCGCGATGCATGACCTAGCAAGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGCAAGTTGCATGACGATTGACCTAGTGCATGACTGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGCAAGTTGCATGACGATTGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGCAAGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGCAAGTTGCATGACGATTGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGCGATGCATGACCTAGCAAGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGCAAGTTGCATGACGATTGACCTAGTGCATGACTGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGCATGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGCAAGTTGCATGACGATTGACCTAGTGCATGACTGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGCAGCATCGAAGTTGCATGACGATGCATGACCTAGCAAGTTGCATGACGATTGACCTAGTGCATGACGATGCATGACCTAGC