生物信息學

初步計劃講授內容緒論生物信息學的計算機基礎生物信息學資源與數據挖掘工具DNA序列分析分子系統發育分析基因組分析蛋白質組分析數學模型2本課目錄當今生命科學展望生物信息學簡介發展現狀3基因數據的

快速增長5為什么這么快Sanger,UK6已完成測序的基因組(EBI)病毒(virus)1639包括多種流感病毒,HIV,SARS冠狀病毒等類病毒(viroid)46主要是植物病毒質粒(plasmid)627主要提自細菌中噬菌體(phage)469細胞器(organelle)1510如線粒體、葉綠體古細菌(archaea)54細菌(bacteria)694真核生物(eukaryota)78包括草履蟲、瘧原蟲、弓形蟲、酵母、線蟲、果蠅、海藻、水稻、雞、鼠、狗、人、黑猩猩等2008.97測序進展GenBank中已超過2000億堿基對速度目前速度:10天一個基因組(細菌)目標:1天一個基因組價格目前價格:10000美元(細菌)目標:1000美元趨勢:過去十幾年,每2年半價微小化、并列化:數千到數十萬well多目標化:腸內幾十上百種微生物、土壤中全部微生物同時測序最小基因組研究、基因組人工合成8反應通路(KEGG)glycolysispathway(糖酵解)京都基因與基因組百科全書(KyotoEncyclopediaofGenesandGenomes)10全細胞通路11人類基因組計劃(2)人類基因組計劃(HumanGenomeProject,HGP)由美國能源部(DepartmentofEnergy,DOE)和美國國立衛生研究院(NationalInstitutesofHealth,NIH)組織完成1990年10月開始,2003年4月完成(1953雙螺旋)參與國:美、英、日、法、德、中并沒有完成測序(2006.5完成)13人類基因組計劃(3)–超額完成目標領域目標實際達到完成時間完成時間15年13年2003.4遺傳圖2-5厘摩,600-1500個標記1厘摩,3000標記1994.9物理圖30000STS52000STS1998.10DNA序列95%含基因序列,99.99%99%,99.99%精確2003.4測序速度和費用500Mb/年,<0.25美元/bp>1400Mb/年,<0.09美元/bp2002.11序列變異10萬SNP3.7百萬SNP2003.2基因識別全長cDNA15000全長cDNA2003.3模式生物大腸桿菌、酵母菌、線蟲(C)、果蠅(D)基因組序列除完成上述,C.briggsae,D.pseudoobscura,大小鼠草圖2003.4功能分析發展基因組水平的技術高通量寡核苷酸合成、DNA微陣列、酵母全基因組水平敲除、蛋白雙雜交1994,1996,1999,200214生命科學的發展趨勢和熱點發展趨勢系統生物學:微觀還原,系統統一生物學(GeneralBiology)生物技術的產業化熱點生物大分子的結構與功能研究基因組與細胞的研究腦科學和神經科學研究行為科學研究關于遺傳、發育、分化、進化的綜合理論研究生態環保研究15二、生物信息學簡介17什么是生物信息

學(1)bioinformatics=bio+informatics生物信息學相關學科計算生物學(computationalbiology)系統生物學(systemsbiology)18什么是生物信息學(2)(大致地)計算機對生物信息的處理(多數人認為,面窄)計算分子生物學(computationalmolecularbiology)(寬松地)甚至包括醫療成像、圖像分析、遺傳算法、人工智能、神經網絡…(經典)用計算機儲存、比較、提取、分析、預言、模擬生物分子的組成與結構。主要應用(core)是序列分析(新)比較基因組學、功能基因組學、蛋白質組學、結構基因組學19生物信息學發展階段(1)前基因組時代(pre-genomicsera)建立生物數據庫(1965,MargaretDayhoff的AtlasofProteinSequences;1982,GenBankRelease3)對位算法(1970,Needleman-Wunsch;1981,Smith-Waterman)1977,DNA測序和相應的軟件分析(RAStaden)21發展階段(2)基因組時代(genomicsera)一批基因組被測序

1982噬菌體λ1995細菌1996酵母1998線蟲1999果蠅22發展階段(3)基因組時代(genomicsera)數據庫搜索算法(1983,Wilbur-Lipman)快速序列相似性查找(1985,FASTN;1990,BLAST)機構建立 1988,NCBI 1988,EMBnet 1993,Sanger1991,EST技術23發展階段(5)后基因組時代(post-genomicsera)比較基因組學(comparativegenomics)結構基因組學(Struturalgenomics,2001)功能基因組學(Functionalgenomics)系統生物學系統樹重建(phylogenicreconstruction)25生物信息學基本方法(1)建立生物數據庫如GenBank,EMBL,DDBJ搜索數據庫如BLAST序列分析如比對(alignment)、注釋(annotation)、尋找外顯子統計分析如隱馬爾科夫模型(HMM)、貝葉斯分析(Bayesiananalysis)26三、發展現狀29學術1/51/2030我國的發展現狀(1)–總括國家高技術研究發展計劃(863)生物信息的獲取、加工和利用,建立數據庫結構基因組和蛋白質組學研究高通量藥物篩選、藥物設計生物芯片曙光系列生物信息學服務器基因組完成1％人類基因組計劃(中國卷;3號染色體短臂“端粒至D3S3610”)(1994-2001.8)2001.10獨立完成水稻基因組“工作框架圖”繪制和數據庫建設；完成國際水稻基因組計劃的20%其他:家豬、血吸蟲、家雞、家蠶、大豆31我國的發展現狀(2)生物信息學企業如華大、中科院等建立了一些中國生物信息學大會首屆,2001.4.11-13,北京,軍事醫學科學院第二屆,2002.6.28,北京大學第三屆,2008.10.6-9,武漢華中科技大學國際生物信息學大會首屆,2003第四屆,2006.6.10,中南大學32我國的發展現狀(3)–主要研究中心北京華大基因研究中心(中科院基因組研究所)楊煥明國家人類基因組南方研究中心(上海)陳竺、趙國屏

國家人類基因組北方研究中心(北京)強伯勤清華大學生物系生物信息研究室孫之榮北京大學生物信息學中心羅靜初復旦大學理論生物中心鐘揚33我國的發展現狀(4)–研究中心中科院國家基因研究中心中科院理論物理所統計物理和理論生命科學陳曉松、郝柏林中科院生物物理所系統生物學研究中心陳潤生、蔣太交中科院上海生命科學研究院生物信息中心李亦學中科院上海生化所中科院計算所生物信息實驗室中科院遺傳所分子系統生物學中心韓敬東軍事醫學科學院生物工程