生物物理学-第七章.ppt

1、河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学1生生 物物 物物 理理 学学XXX 河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学2l7.1 生物信息学简介生物信息学简介l7.2 分子生物学数据库分子生物学数据库l7.3 序列分析序列分析l7.4 序列比对序列比对第7章 生物信息学河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学37.1 生物信息学简介生物信息学简介l7.1.1 生物信息学的发展背景生物信息学的发展背景l7.1.2 人类基因组计划的基本任务人类基因组计划的基本任务l7.1.3 人类基因组计划的拓展与延伸人类基因组计划的拓展与延伸l7.1.4 生物信息学研究领域生物信息学研究领域l

2、7.1.5 生物信息学发展前景生物信息学发展前景河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学4生物信息学定义 Bioinformatics as Defined by NIH Bioinformatics is defined as a scientific discipline that encompasses all aspects of biological information acquisition,processing,storage,distribution,analysis and interpretation,that combines the tools and tec

3、hniques of mathematics,computer science and biology with the aim of understanding the biological significance of a variety of data.生物信息学是一门交叉学科。它包含了生物信息的生物信息学是一门交叉学科。它包含了生物信息的获取、处理、存储、分发、分析和解释等在内的所有获取、处理、存储、分发、分析和解释等在内的所有方面，它综合运用数学、计算机科学和生物学的各种方面，它综合运用数学、计算机科学和生物学的各种工具，来阐明和理解大量数据所包含的生物学意义。工具，来阐明和理解大

4、量数据所包含的生物学意义。河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学57.1.1 生物信息学的发展背景生物信息学的发展背景 21212121世纪科学所关注的是世纪科学所关注的是世纪科学所关注的是世纪科学所关注的是?的自身的自身生命科学生命科学 医学医学 健康问题健康问题 吃饭问题吃饭问题 CancerCancer 癌症癌症超级水稻超级水稻超级水稻超级水稻 美国肿瘤计划美国肿瘤计划农学农学 河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学6人类基因组计划的提出人类基因组计划的提出l1984年 美国政府进行可行性分析与调查l1986年3月7日杜伯克(R.Dulbecco，1975年Nobel奖金

5、获得者)在Science杂志第2321卷第4742期第1055页到1056页上发表了题为癌症研究的转折点：人类基因组序列化(A turning point in cancer research:sequencing the human genome)的文章l决定从1990年到2005年(后改为20032003年)，由美国能源部(DOE)和美国国家健康研究院(NIH)出资30亿美元实施“人类基因组计划(HGP)”。成立“国家人类基因组研究中心”，由J.Watson担任第一任主任，1993年由F.Collins接任河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学7l l人类基因组计划人类基因组计划(

6、HGP)1990(HGP)1990启动启动l l任务测量人类任务测量人类4646条染色体的核酸序列条染色体的核酸序列l l目的在分子水平认识生命现象目的在分子水平认识生命现象人类基因组测序计划人类基因组测序计划真真核核细细胞胞河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学8国际合作项目国际合作项目l由美、日、德、法、英、中六国参加。测定人类基因组约 3,000,000,000 3,000,000,000 3,000,000,000 3,000,000,000 碱基对的序列l中国承担人类基因组1%序列的测序任务，负责第3号染色体短臂上3千万核苷酸的序列测定lDNA 双螺旋结构的发现者之一 J.D

7、.Watson 1990年在Science上撰文指出，与人类登月计划相比，HGP的资金投入少，但它 对人类生活的影响却可能更深远。河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学97.1.2 人类基因组计划的基本任务人类基因组计划的基本任务l遗传图谱l物理图谱l序列图谱l基因图谱 四张图谱四张图谱河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学10人类基因组计划完成人类基因组计划完成R.DulbeccoJ.C.VenterJ.C.VenterJ.WatsonF.CollinsF.Collins河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学117.1.3 人类基因组计划的拓展与延伸人类基因组计划的拓

8、展与延伸l模式生物基因组计划 测定处于生物演化不同阶段生物体基因组，有助于理解人类基因组的研究l微生物基因组计划微生物基因组计划 微生物是地球上种类最多、分布最广、与人类关系最为密切的物种，也是工业生物技术的核心及重要的国际竞争战略资源 河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学12 人类基因组计划的拓展与延伸人类基因组计划的拓展与延伸l生物演化不同阶段的生物生物演化不同阶段的生物 最初确定的模式生物有：大肠杆菌、酵母、拟南芥、线虫、果蝇和小鼠等共六种。这些生物体处于生物演化不同阶段，以后又加入一些模式生物种类，如河豚鱼、斑马鱼等l与人亲缘关系较近的生物与人亲缘关系较近的生物 灵长类动物包

9、括：白颊长臂猿、黑猩猩、恒河猴、猩猩、狨猴以及大猩猩等，使灵长类动物基因演化树更完备，对人类健康与疾病提供更完整的比对及了解。l重要生产价值的经济作物重要生产价值的经济作物 鸡，兔，猪，马，牛，羊，猫，狗，家蚕，蜜蜂，葡萄，杨树，水稻/测序正在进行的有番茄、土豆、大豆、玉米、莲花、木薯等河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学13人类基因组计划的拓展与延伸人类基因组计划的拓展与延伸l环境工业价值的生物体环境工业价值的生物体 采油微生物，制造抗生素，生产生物燃料，环境基因组 l与疾病相关的生物体与疾病相关的生物体 疟原虫，蚊子，伊蚊，植物致病微生物l微生物基因组测序计划微生物基因组测序计划

10、 中国科学家共同发起“万种微生物基因组计划”国际人类微生物组河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学14全基因组测序的主要细菌、真菌和寄生虫河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学15完成测序的重要植物致病菌河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学16生物大分子数据库l核酸数据库核酸数据库 美国国家生物技术信息中心的数据库 GenBank 欧洲生物信息学研究所维护的数据库 EMBL 日本国立遗传学研究所的数据库 DDBJ l蛋白质数据库蛋白质数据库 蛋白质一级结构序列数据库 SWISS-PROT 蛋白质信息资源数据库 PIR 蛋白质结构数据库 PDB 蛋白质结构分类数据库 S

11、COP 河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学17GenBank http:/www.ncbi.nlm.nih.gov/河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学18EMBL http:/www.ebi.ac.uk/河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学19DDBJ http:/www.ddbj.nig.ac.jp/河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学20SWISS-PROT http:/www.expasy.org/河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学21PIR http:/nbrf.georgetown.edu/河北工业大学河北工业大学 生物物理学生

12、物物理学227.1.4 生物信息学主要研究领域生物信息学主要研究领域l序列重叠群（Contigs）装配l利用EST数据库发现新基因和新的SNPl序列比对（Alignment）l结构比对l计算机辅助基因识别 l遗传密码的起源 l非编码区分析和DNA语言研究 l蛋白质结构与功能预测 l分子进化和比较基因组学 l基于结构的药物设计l基因表达谱分析，代谢网络分析；基因芯片设计和蛋白质组学数据分析等 河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学23生物信息学生物信息学-研究内容研究内容河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学24河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学25生物信息学生物信息

13、学-研究方法研究方法河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学26河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学277.1.5 生物信息学发展前景生物信息学发展前景 河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学284 Cards4 CardsATGC河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学29河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学30河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学317.2 分子生物分子生物学学数据库数据库l7.2.1 DNA数据库数据库l7.2.2 蛋白质数据库蛋白质数据库河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学327.2.1 DNA数据库数据库 随

14、着大规模DNA测序计划的实施,二十世纪八十年代,国际上建立3个较大规模的DNA一级结构数据库，用于存储、管理和查询急剧增长的DNA序列。这些数据库是：l美国国家生物技术信息中心的GenBankl欧洲生物信息研究所的EMBLl日本国立遗传研究所的DDBJ河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学33GenBank http:/www.ncbi.nlm.nih.gov/河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学34美国国家生物技术信息中心NCBI结构图河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学35GenBankGenBank的的1717个子数据库的名称和含义个子数据库的名称和含义 河北

15、工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学36NCBI提供的主要服务lPubMed(Public MEDLINE)lBLAST(Basic Local Aligment Search Tool)lEntrezlBankIt lOMIM(online Mendelian Inheritance in Man)lTaxonomylStructurelBookshelf河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学37PubMed河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学38文献查询实例河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学39BLAST(Basic Local Aligment Sea

16、rch Tool)河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学40Entrez河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学41BankIt河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学42OMIM河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学43Taxonomy and Structure河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学44Bookshelf河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学45Hot Spots and COGs河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学46GenBanK核酸序列文件格参文本文件参文本文件河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学47EB

17、I http:/www.ebi.ac.uk河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学48欧洲生物信息学研究所EBI结构图河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学49EMBL核酸序列文件格河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学50DDBJ http:/www.ddbj.nig.ac.jp河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学51University of California,Santa Cruz河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学52TIGR河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学53基因分类河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学54北京大学生

18、物信息中心河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学55上海生命科学研究院生物信息中心 河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学56天津大学生物信息中心河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学57重要数据库网站l人类基因组数据库 HUGO HUGO http:/hugo.gdb.org GDB GDB http:/www.bioinfo.sickkids.on.ca SNP SNP http:/www-genome.wi.mit.edu/SNP/human OMIN OMIN http:/www3.ncbi.nlm.nih.gov/ominl原核生物基因组数据库 http:/w

19、ww.ncbi.nlm.nih.gov/PGMifs/Genomes/http:/www.genetics.wisc.edu/pub/sequence/http:/genprotec.mbl.edu/河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学587.2.2 蛋白质数据库 蛋白质数据库的建立可以追溯到上世纪六十年代，最重要的蛋白质序列数据库是：l Swiss-Protl PIR（Protein Information Resource）河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学59Swiss-Prot Swiss-Prot蛋白质序列数据库是瑞士日内瓦大学和欧洲分子生物学实验室于1986年

20、共同建立的。目前，Swiss-Prot由瑞士生物信息学研究所和欧洲生物信息学研究所共同维护。该数据库聘请200多位国际知名生物学家组成网上专家评审团，对数据进行网上评审，确保数据质量，Swiss-Prot数据可以人为冗余数据。此外，Swiss-Prot数据库提供大量引索文件，与34个生物信息学数据库的相关记录交叉引用。河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学60Swiss-Prot河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学61Swiss-Prot蛋白质序列数据库蛋白质序列数据库 UniProtKB/Swiss-Prot Release 56.4 of 04-Nov-2008:4007

21、71 entries Release 57.9 of 13-Oct-09:510076 entries 河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学62Swiss-Prot蛋白质序列数据库蛋白质序列数据库UniProtKB/TrEMBL Release 39.4 of 04-Nov-2008:6697103 entries Release 40.9 of 13-Oct-09:9501907 entries 河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学63Swiss-Prot交叉引用数据库河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学64PIR河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学6

22、5Prosite:http:/www.expasy.ch/prosite/河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学66SCOP http:/scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scopFoldsSuperfamiliesFamilies河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学67河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学68CATH http:/www.biochem.ucl.ac.uk/bsm/cath河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学69The CATH hierarchyl Class,C-levell Architecture,A-levell T

23、opology(Fold family)T-levell Homologous Superfamily H-levell Sequence families S-level河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学70PDB http:/www.rcsb.org/pdb河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学71PDBSelect http:/www.cmbi.kun.nl/swift/pdbsel河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学72DSSP http:/www.cmbi.kun.nl/swift/dssp河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学73HSSP http:/www.cmbi.kun.nl/gv/hssp/河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学74DALI/FSSP http:/www.embl.ebi.ac.uk/dali/河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学75DIP http:/dip.doe-mbi.ucla.edu/dip/河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学76Kegg http:/www.genome.jp/kegg/河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学77MicroArray数据库数据库河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学78Thank you for your Time!