第1章、生物信息学绪论PPT幻灯片

参考文献1、《生物信息学概论》罗静初北京大学北京大学出版社2、《生物信息学》

D.R.Westhead

科学出版社3、《生物信息学—基因和蛋白质分析的使用指南》李衍达清华大学清华大学出版社4、《生物信息学中的计算机技术》孙超中国电力出版社5、《生物信息学手册》郝柏林中科院物理所上海科学技术出版社6、《简明生物信息学》钟扬复旦大学高等教育出版社9/22/20231第一章

绪论

9/22/20232简介生物信息学的概念及研究对象

生物信息学的发展历史

人类基因组计划和基因组信息学

生物信息学主要研究内容

生物信息学的应用9/22/20233概念（广义）生物体系和过程中信息的存贮、传递和表达细胞、组织、器官的生理、病理、药理过程的中各种生物信息信息科学生命科学中的信息科学9/22/20236概念（狭义）深层次生物学知识分子生物信息学MolecularBioinformatics挖掘获取生物分子信息的获取、存贮、分析和利用生物分子数据9/22/20237Bioinformatics生物分子数据计算机计算+9/22/20238

高性能计算服务器，图形工作站9/22/20239

高端的计算集群9/22/202310高度灵活的可扩展的计算集群9/22/2023119/22/202312生物信息学主要研究两种信息载体DNA分子蛋白质分子9/22/202313生物分子至少携带着三种信息遗传信息与功能相关的结构信息进化信息9/22/202314(1)遗传信息的载体——DNA遗传信息的载体主要是DNA控制生物体性状的基因是一系列DNA片段生物体生长发育的本质就是遗传信息的传递和表达9/22/202315DNA通过自我复制，在生物体的繁衍过程中传递遗传信息基因通过转录和翻译，使遗传信息在生物个体中得以表达，并使后代表现出与亲代相似的生物性状。

基因控制着蛋白质的合成

DNARNA蛋白质转录翻译9/22/202316基因的DNA序列DNA前体RNAmRNA多肽链蛋白质序列对应关系遗传密码9/22/202317(2)蛋白质的结构决定其功能蛋白质功能取决于蛋白质的空间结构

蛋白质结构决定于蛋白质的序列（这是目前基本共认的假设），蛋白质结构的信息隐含在蛋白质序列之中。9/22/202318生物分子信息DNA序列数据

蛋白质序列数据

生物分子结构数据

生物分子功能数据

最基本直观复杂生物分子数据类型9/22/202319生物分子信息的特征生物分子信息数据量大生物分子信息复杂生物分子信息之间存在着密切的联系9/22/202320生物信息学研究意义认识生物本质了解生物分子信息的组织和结构，破译基因组信息，阐明生物信息之间的关系。改变生物学的研究方式改变传统研究方式，引进现代信息学方法在医学上的重要意义为疾病的诊断和治疗提供依据为设计新药提供依据生物信息学将是21世纪生物学的核心

9/22/202321第二节生物信息学的发展历史生物信息学基本思想的产生

生物信息学的迅速发展二十世纪50年代二十世纪80-90年代生物科学和技术的发展人类基因组计划的推动

9/22/20232220世纪50年代，生物信息学开始孕育20世纪60年代，生物分子信息在概念上将计算生物学和计算机科学联系起来20世纪70年代，生物信息学的真正开端20世纪70年代到80年代初期，出现了一系列著名的序列比较方法和生物信息分析方法20世纪80年代以后，出现一批生物信息服务机构和生物信息数据库20世纪90年代后，HGP促进生物信息学的迅速发展9/22/202323生物信息学发展现状

PubMed中与生物信息学相关论文统计

90002%9/22/202324第三节人类基因组计划和基因组信息学

1、人类基因组计划简介人类基因组计划准备用15年时间，投入30亿美元，完成人类全部24条染色体的3×109脱氧核苷酸对(bp)的序列测定，主要任务包括作图(遗传图谱、物理图谱的建立及转录图谱的绘制)、测序和基因识别。其中还包括模型生物(如大肠杆菌、酵母、线虫、小鼠等)基因组的作图和测序，以及信息系统的建立。作图和测序是基本的任务，在此基础上解读和破译生物体生老病死以及和疾病相关的遗传信息9/22/202325模式生物酵母大肠杆菌果蝇线虫老鼠9/22/202326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)20世纪三大科学计划9/22/2023271961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，HumanGenomeProject)目标：整体上破解人类遗传信息的奥秘“我们选择登月”(1962年Kennedy在Rice大学演讲)为什么提出HGP？9/22/2023281984.12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杜尔贝科(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JamesWatsonWalterGilbertHGP历史回顾9/22/202329HGP的最初目标通过国际合作，用15年时间(1990～2005)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。9/22/2023301995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型生物基因组计划H.Inf全基因组Saccharomycescerevisiae酿酒酵母Caenorhabditiselegans秀丽线虫9/22/2023311997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赛立拉（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，加快测序速度大肠杆菌及其全基因组水稻基因组计划9/22/2023322000Celera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——拟南芥全基因组的测序工作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Drosophilamelanogaster果蝇Arabidopsisthaliana拟南芥9/22/2023332001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。2004年10月人类基因组完成图公布。9/22/202334种类数目备注古细菌(Archaea)35真细菌(Bacteria)421其中有的测定了2个以上的菌株真核生物(Eukaryo)47包括酵母、线虫、果蝇、蚊子、拟南芥、人等病毒(Virus)1,275包括不同亚类或不同株系类病毒(Viroid)39包括不同亚类或不同株系噬菌体(Phage)347包括不同亚类或不同株系细胞器(Organelle)1,097包括线粒体和叶绿体质粒(Plasmid)480（http://www.ebi.ac.uk/genomes/，2007年2月）已完成测序的3,000多个基因组9/22/2023351、大协作研究：

以学科为中心,以问题为中心，多学科合作2、研究的计划性和有序性：

各方共同参与，制定更科学、更全面的研究计划4、政府与国家的作用：

美：领导与推动英：始于1989年2月，贡献为1/3左右法：始于1990年6月，贡献为3％左右日：始于1990年，贡献为7％左右德：始于1995年，贡献为7％左右中：始于1999年9月，贡献为1％左右3、商业竞争促进基础研究：

1998年Celera公司的加入HGP的研究特色9/22/202336人类基因组计划的实现对医学事业的影响对致病基因的克隆也是人类基因组计划的内容。疾病与基因直接或间接相关，通过生物学、医学等技术对相关基因进行抑制或调控，即可达到治疗某一疾病的效果。如果掌握了与某种疾病相关的基因及突变，则可以对该疾病进行预测、诊断，甚至治疗。9/22/202337人类基因组计划的实施意义

人类基因组计划为我们研究生物信息的组织、结构、遗传、表达带来了极大的方便，使人类对自身有一个根本的了解。人类是最高级、最复杂、最重要的生物，如果搞清楚人类基因组，那么再研究其它的生物就容易得多。研究多种模式生物基因组将有助于研究地球生物的进化史。9/22/202338又一次成功！——水稻基因研究9/22/202339第四节生物信息学主要研究内容1、序列比对2、基因预测3、药物（配体）设计4、蛋白质结构预测5、基因调控网络的预测6、蛋白质相互作用预测7、分子进化分析9/22/2023401、数据库搜索及序列比较搜索同源序列在一定程度上就是通过序列比较寻找相似序列序列比较的一个基本操作就是比对（Alignment），即将两个序列的各个字符（代表核苷酸或者氨基酸残基）按照对应等同或者置换关系进行对比排列，其结果是两个序列共有的排列顺序，这是序列相似程度的一种定性描述多重序列比对研究的是多个序列的共性。序列的多重比对可用来搜索基因组序列的功能区域，也可用于研究一组蛋白质之间的进化关系。9/22/202341发现同源分子9/22/2023422、基因预测

遗传语言分析基因组结构分析基因识别基因功能注释9/22/2023433、药物设计9/22/202344生物信息学与新药研制未来的药物研究过程将是基于生物信息知识挖掘的过程数据处理和关联分析发现药物作用对象确定靶目标分子针对靶目标进行合理的药物设计9/22/2023454、蛋白质结构预测

蛋白质的生物功能由蛋白质的结构所决定，蛋白质