生物信息学概论A.ppt

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1、生物信息学生物信息学Bioinformatics12/2/20221理理论课讲授内容授内容第一第一讲 生物信息学概生物信息学概论第二第二讲 医学信息学基医学信息学基础第三第三讲 信息学基本技信息学基本技术第四第四讲 生物信息学中的分子生物学基生物信息学中的分子生物学基础第五第五讲 生物信息生物信息检索工具索工具第六第六讲 生物信息生物信息浏览工具工具12/2/20222第七第七讲 生物信息中心生物信息中心第八第八讲 生物信息重要数据生物信息重要数据库第九第九讲 生物医学文献生物医学文献第十第十讲 生物信息与生物信息与药学学第十一第十一讲 生物信息与生物信息与PCR第十二第十二讲 生物信息学与基

2、因芯片生物信息学与基因芯片12/2/20223生物生物信息信息学概论学概论12/2/20224内容内容生物信息学概况生物信息学概况生物信息学生物信息学简介介 生物信息学、生物学基生物信息学、生物学基础 历史、内容、任史、内容、任务、技、技术和方法和方法 （系系统 生物学生物学）发展展趋势及研究及研究热点点 12/2/20225三大自然科学之三大自然科学之谜宇宙的起源宇宙的起源生命的生命的诞生生思思维的奥秘的奥秘12/2/2022612/2/20227Whatisbioinformatics?fromhttp:/Bioinformaticsandcomputational biologyinvo

3、lvetheuseoftechniquesincludingappliedmathematics,informatics,statistics,computerscience,artificialintelligence,chemistry,andbiochemistrytosolvebiologicalproblemsusuallyonthemolecularlevel.Researchincomputationalbiologyoftenoverlapswithsystemsbiology.Majorresearcheffortsinthefieldincludesequencealign

4、ment,genefinding,genomeassembly,proteinstructurealignment,proteinstructureprediction,predictionofgeneexpressionandprotein-proteininteractions,andthemodelingofevolution.12/2/20228生物生物信息信息学学说文解字：生物文解字：生物+信息信息+学学(bioinformatics)biology +information+theory广广义 应用信息科学的方法和技用信息科学的方法和技术，研究生物体系，研究生物体系和生物和生物过程

5、中信息的存程中信息的存贮、信息的内涵和信息的、信息的内涵和信息的传递，研究和分析生物体，研究和分析生物体细胞、胞、组织、器官的生、器官的生理、病理、理、病理、药理理过程中的各种生物信息，或者也程中的各种生物信息，或者也可以可以说成是成是生命科学生命科学中的中的信息科学信息科学。狭狭义 应用用信息科学信息科学的理的理论、方法和技、方法和技术，管理、，管理、分析和利用分析和利用生物分子生物分子数据。数据。12/2/20229 生物学数据的收集、存生物学数据的收集、存储、管理与提供、管理与提供 基因基因组序列信息的提取和分析序列信息的提取和分析 功能基因功能基因组相关信息分析相关信息分析 生物大分子

6、生物大分子结构模构模拟和和药物物设计 生物信息分析的技生物信息分析的技术与方法研究与方法研究 应用与用与发展研究展研究生物信息学的主要研究内容生物信息学的主要研究内容12/2/202210生物学家生物学家(生物学生物学问题)数学物理学家数学物理学家计算机科学家算机科学家(基基础理理论问题)工程工程师（技（技术应用）用）计算生物学算生物学/生物信息学：生物信息学：三种科学文化的融合三种科学文化的融合12/2/202211A marriage of BiologyInformationtechnology12/2/202212生命信息系生命信息系统生物所生物所处的的时空系空系统 物物质系系统，信息

7、，信息传递与控制，能量与控制，能量12/2/202213相关学科图示12/2/202214广义概念图示12/2/202215狭狭义概念概念图示示12/2/202216总结：生物信息学：生物信息学生物信息学生物信息学(Bioinformatics)是一是一门新新兴的交叉学科，的交叉学科，是生命科学是生命科学领域中的新域中的新兴学科，面学科，面对人人类基因基因组计划划等各种等各种项目所目所产生的生的庞大的大的分子生物学信息分子生物学信息，生物信，生物信息学的重要性将越来越突出，它将会息学的重要性将越来越突出，它将会为生命科学的研生命科学的研究究带来革命性的来革命性的变革。革。生物信息学是在生命科学

8、的研究中，以生物信息学是在生命科学的研究中，以计算机算机为工具工具对生物信息生物信息进行行储存、存、检索和分析的科学。索和分析的科学。生物信息学是当今生命科学和自然科学的重大前沿生物信息学是当今生命科学和自然科学的重大前沿领域之一，同域之一，同时也将是也将是21世世纪自然科学的核心自然科学的核心领域之一，域之一，其研究重点主要体其研究重点主要体现在在基因基因组学学(Genomics)和和蛋白蛋白组学学(Proteomics)。12/2/202217生物学基生物学基础速速递分子水平分子水平细胞胞个体生命个体生命生命之生命之树12/2/202218生命的分子基生命的分子基础细胞胞/分子水平分子水平

9、DNA/RNA蛋白蛋白质糖糖脂脂类 12/2/202219DNA结构和碱基互构和碱基互补原理原理12/2/202220中心法中心法则12/2/202221中心法中心法则的的发展展遗传信息信息DNA、RNA核苷酸序列核苷酸序列氨基酸氨基酸病毒病毒/肽表表观遗传学学12/2/202222生物信息学的生物信息学的历史史 从人从人类基因基因组计划（划（HGP）说起起12/2/202223曼哈顿原子弹计划曼哈顿原子弹计划阿波罗登月计划阿波罗登月计划人类基因组计划人类基因组计划12/2/20222460年代初，美国年代初，美国总统Kennedy提出两个科学提出两个科学计划：划：登月登月计划划攻克攻克肿瘤瘤

10、计划划 人人类遗传信息的复信息的复杂性性人类基因组计划人类基因组计划(HGP，Human Genome Project)目标：整体上破解人类遗传信息的奥秘目标：整体上破解人类遗传信息的奥秘目标：整体上破解人类遗传信息的奥秘目标：整体上破解人类遗传信息的奥秘为什么提出为什么提出为什么提出为什么提出HGPHGP？12/2/202225 DNA:遗传物质遗传物质(遗传信息的载体遗传信息的载体)双螺旋结构双螺旋结构 A,C,G,T四种基本字符的复杂文本四种基本字符的复杂文本 基因基因（Gene）：具有遗传效应的具有遗传效应的DNA分子片段分子片段DNADNA、基因、基因组、基因、基因组、基因、基因组、

11、基因、基因组12/2/20222612/2/202227尽管比之于人尽管比之于人类登月，登月，HGP的投入的投入资金金要少得多，但要少得多，但HGP对人人类生活的影响要生活的影响要更更为深深远。因。因为随着随着这个个计划的完成，划的完成，DNA分子中分子中编码的的遗传信息将信息将对人人类存存在的化学基在的化学基础作出最作出最终的回答的回答。这将不将不仅帮助我帮助我们理解我理解我们是如何作是如何作为健康的健康的人人发挥正常功能的，而且也将在化学水正常功能的，而且也将在化学水平上解平上解释遗传因子在各种疾病，如癌症、因子在各种疾病，如癌症、早老痴呆症、精神分裂症等一些早老痴呆症、精神分裂症等一些严

12、重危重危害人害人类健康的疾病中的作用。健康的疾病中的作用。毕竟竟对人人类自身更深入的了解是人自身更深入的了解是人类活活动中最重中最重要的一个部分。要的一个部分。Watson,1990,Science12/2/202228HGP的的历史回史回顾1984.12 犹他州阿犹他州阿尔塔塔组织会会议，初步研，初步研讨测定人定人类整个基整个基 因因组DNA序列的意序列的意义1985 Dulbecco在在Science撰文撰文“肿瘤研究的瘤研究的转折点折点:人人 类基因基因组的的测序序”美国能源部美国能源部(DOE)提出提出“人人类基因基因组计划划”草案草案1987 美国能源部和国家美国能源部和国家卫生研究

13、院（生研究院（NIH）联合合为“人人类 基因基因组计划划”下下拨启启动经费约550万美元万美元1989 美国成立美国成立“国家人国家人类基因基因组研究中心研究中心”，Watson担担任任 第一任主任第一任主任1990.10 经美国国会批准，人美国国会批准，人类基因基因组计划正式启划正式启动12/2/2022291995 第一个自由生物体流感嗜血菌第一个自由生物体流感嗜血菌(H.inf)的全的全基因基因组测序完成序完成1996 完成人完成人类基因基因组计划的划的遗传作作图 启启动模式生物基因模式生物基因组计划划H.inf全基因组全基因组Saccharomyces cerevisiae酿酒酵母酿酒

14、酵母Caenorhabditis elegans秀丽线虫秀丽线虫12/2/2022301997 大大肠杆菌杆菌(E.coli)全基因全基因组测序完成序完成1998 完成人完成人类基因基因组计划的物理作划的物理作图 开始人开始人类基因基因组的大的大规模模测序序 Celera公司加入，与公共公司加入，与公共领域域竞争争 启启动水稻基因水稻基因组计划划1999.7 第第5届国届国际公共公共领域人域人类基因基因组测序会序会议，加快，加快测序速度序速度大肠杆菌及其全基因组大肠杆菌及其全基因组水稻基因组计划水稻基因组计划12/2/2022311999.7 第第5届国届国际公共公共领域人域人类基因基因组测序

15、会序会议，加快，加快测序速度序速度2000 Celera公司宣布完成果公司宣布完成果蝇基因基因组测序序 国国际公共公共领域宣布完成第一个植物基因域宣布完成第一个植物基因组拟南芥全基南芥全基 因因组的的测序工作序工作Drosophila melanogaster果蝇果蝇Arabidopsis thaliana拟南芥拟南芥12/2/2022322001年年2月月15日日Nature封面封面2001年年2月月16日日Science封面封面2000.6.26 公共公共领域和域和Celera公司同公司同时宣布完成人宣布完成人类基因基因组工作草工作草图2001.2.15 Nature刊文刊文发表国表国际公

16、共公共领域域结果果2001.2.16 Science刊文刊文发表表Celera公司及其合作者公司及其合作者结果果12/2/202233我国对人类基因组计划的贡献我国对人类基因组计划的贡献12/2/202234HGPHGP带来的科学挑战带来的科学挑战带来的科学挑战带来的科学挑战随着随着实验数据和可利用信息急数据和可利用信息急剧增加，信息的管理和增加，信息的管理和分析成分析成为HGP的一的一项重要的工作重要的工作 发现生物学生物学规律律解解读生物生物遗传密密码认识生命的本生命的本质研究基因研究基因组数据数据之之间的关系的关系分析分析现有的有的基因基因组数据数据利用数学模型利用数学模型和和计算技算技

17、术12/2/202235 各学科参与、各学科参与、协作：生命科学、数学、物理学、化学、作：生命科学、数学、物理学、化学、计算机算机 科学、材料科学以及科学、材料科学以及伦理、法律等社会科学理、法律等社会科学 首要科学首要科学问题 如何找到如何找到记载在基因在基因组DNA一一维结构上控制生命构上控制生命时间、空、空间 的的调控信息的控信息的编码方式和方式和调节规律。律。应用数学、复用数学、复杂系系统理理论、信息、信息论、非、非线性科学性科学 催生催生生物信息学生物信息学、计算生物学算生物学 芯片技芯片技术 交叉性技交叉性技术领域：物理学、微域：物理学、微电子信息技子信息技术、生化技、生化技术、信

18、、信 息技息技术、自、自动化、材料科学化、材料科学 结构生物学构生物学 前沿前沿领域之一：生物物理学、生物化学、晶体学、波域之一：生物物理学、生物化学、晶体学、波谱学、学、光光谱学以及学以及X射射线晶体衍射技晶体衍射技术、核磁共振技、核磁共振技术12/2/202236系系统生物学生物学(Systems Biology)：由分析由分析为主走向分析与主走向分析与综合并合并举的系的系统方法方法 微微观还原原论 整体整体系系统论统一生物学一生物学(General Biology)：探索生命活探索生命活动本本质，产生生统一的生命一的生命观和和统一的生物学一的生物学实验、理、理论、计算生物学算生物学：(E

19、xperimental,Theoretical,Computational Biology)生命科学与数、理、化、生命科学与数、理、化、计算机等学科的大算机等学科的大综合、大交叉合、大交叉生物技生物技术的的产业化化(Biotechnology)：基基础研究研究转化化为生生产力力 生物工程技生物工程技术农、林、医、林、医药现代生命科学代生命科学发展展趋势12/2/202237生物大分子的生物大分子的结构与功能研究构与功能研究基因基因组与与细胞的研究胞的研究基因基因组比比较研究研究关于关于遗传、发育、分化、育、分化、进化的化的综合理合理论研究研究脑科学和神科学和神经科学研究科学研究行行为科学研究科

20、学研究生生态学研究学研究人体功能研究人体功能研究研究手段：研究手段：实验、理、理论、计算相算相结合合现代生命科学代生命科学发展展热点点12/2/202238基因组基因组数据库数据库 蛋白质蛋白质序列序列数据库数据库 蛋白质蛋白质结构结构数据库数据库 DDBJEMBLGenBankSWISS-PROT PDBPIR生物分子数据的收集与管理12/2/202239数据库搜索及序列比较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搜索同源序列在一定程度上就是通过序列比序列比较寻找相找相似序列似序列 序列比序列比较的一个基本操作就是的一个基本操作就是比比对（Alignment），即将），即将两个序

21、列的各个字符（代表核苷酸或者氨基酸残基）两个序列的各个字符（代表核苷酸或者氨基酸残基）按照按照对应等同或者置等同或者置换关系关系进行行对比排列，其比排列，其结果是果是两个序列共有的排列两个序列共有的排列顺序，序，这是序列相似程度的一种是序列相似程度的一种定性描述定性描述多重序列比多重序列比对研究的是多个序列的共性。序列的多重研究的是多个序列的共性。序列的多重比比对可用来搜索基因可用来搜索基因组序列的功能区域，也可用于研序列的功能区域，也可用于研究一究一组蛋白蛋白质之之间的的进化关系。化关系。12/2/202240基因基因组序列分析序列分析 遗传语言分析言分析天天书 基因基因组结构分析构分析基因

22、基因识别基因功能注基因功能注释基因基因调控信息分析控信息分析基因基因组比比较12/2/202241基因表达数据的分析与基因表达数据的分析与处理理基因表达数据分析基因表达数据分析是目前生物信息学研究的是目前生物信息学研究的热 点和重点点和重点 目前目前对基因表达数据的基因表达数据的处理主要是理主要是进行行聚聚类分分 析析，将表达模式相似的基因聚将表达模式相似的基因聚为一一类，在此基，在此基 础上上寻找相关基因，分析基因的功能找相关基因，分析基因的功能 所用方法所用方法主要有：相关分析方法、模式主要有：相关分析方法、模式识别技技术中的中的层次式聚次式聚类方法、人工智能中的自方法、人工智能中的自组织

23、映射神映射神经网网络、主元分析方法、主元分析方法 等等表达数据表达数据缺点缺点：仅反映反映mRNA丰度，噪声，丰度，噪声，12/2/202242蛋白蛋白质结构构预测 蛋白蛋白质的生物的生物功能功能由蛋白由蛋白质的的结构构所决定，蛋所决定，蛋白白质结构构预测成成为了解蛋白了解蛋白质功能的重要途径功能的重要途径蛋白蛋白质结构构预测分分为:二二级结构构预测空空间结构构预测 蛋白质折叠蛋白质折叠12/2/202243二二级结构构预测在一定程度上二在一定程度上二级结构的构的预测可以可以归结为模式模式识别问题 在二在二级结构构预测方面主要方法有：方面主要方法有：立体化学方法立体化学方法图论方法方法统计方法

24、方法最最邻近决策方法近决策方法基于基于规则的的专家系家系统方法方法分子分子动力学方法力学方法人工神人工神经网网络方法方法 预测准确率超准确率超过70%的第一个的第一个软件是基于神件是基于神经网网络的的PHD系系统12/2/202244空空间结构构预测在空在空间结构构预测方面，比方面，比较成功的理成功的理论方法是方法是同源模型法同源模型法 该方法的依据是：相似序列的蛋白方法的依据是：相似序列的蛋白质倾向于折向于折叠成相似的三叠成相似的三维空空间结构构 运用同源模型方法可以完成所有蛋白运用同源模型方法可以完成所有蛋白质10-30%的空的空间结构构预测工作工作 12/2/202245 生物信息学当前

25、的主要任生物信息学当前的主要任务 当今生物信息学界的大部分人当今生物信息学界的大部分人都把注意力集中在都把注意力集中在基因基因组、蛋白、蛋白质组、蛋白蛋白质结构构以及与之相以及与之相结合的合的药物物设计上，随蛋白上，随蛋白组学、代学、代谢组学学进一步一步的的发展，将在展，将在整体整体水平水平进行。行。12/2/202246基因基因组 新基因的新基因的发现 通通过计算分析从算分析从EST（Expressed Sequence Tags）序列）序列库中拼接出完整的新基因中拼接出完整的新基因编码区，区，也就是通俗所也就是通俗所说的的“电子克隆电子克隆”；通；通过计算分算分析从基因析从基因组DNA序列

26、中确定新基因序列中确定新基因编码区，区，经过多年的多年的积累，已累，已经形成形成许多分析方法，如根多分析方法，如根据据编码区具有的独特序列特征、根据区具有的独特序列特征、根据编码区与区与非非编码区在碱基区在碱基组成上的差异、根据高成上的差异、根据高维分布分布的的统计方法、根据神方法、根据神经网网络方法、根据分形方方法、根据分形方法和根据密法和根据密码学方法等。学方法等。12/2/202247非蛋白编码区生物学意义的分析非蛋白编码区生物学意义的分析 12/2/202248 非蛋白非蛋白编码区区约占人占人类基因基因组的的95%，其生物学意，其生物学意义目前尚不是很清楚，但从演化目前尚不是很清楚，但

27、从演化观点来看，其中必点来看，其中必然然蕴含着重要的生物学功能，由于它含着重要的生物学功能，由于它们并不并不编码蛋蛋白，一般白，一般认为，它，它们的生物学功能可能体的生物学功能可能体现在在对基基因表达的因表达的时空空调控上。控上。对非蛋白非蛋白编码区区进行生物学意行生物学意义分析的策略有两种，分析的策略有两种，一种一种是基于已有的已是基于已有的已经为实验证实的所有功能已知的所有功能已知的的DNA元件的序列特征，元件的序列特征，预测非蛋白非蛋白编码区中可能区中可能含有的功能已知的含有的功能已知的DNA元件，从而元件，从而预测其可能的生其可能的生物学功能，并通物学功能，并通过实验进行行验证；另一种

28、另一种则是通是通过数理理数理理论直接探索非蛋白直接探索非蛋白编码区的新的未知的序列区的新的未知的序列特征，并从理特征，并从理论上上预测其可能的信息含其可能的信息含义，最后同，最后同样通通过实验验证。12/2/202249基因基因组整体功能及其整体功能及其调节网网络的系的系统把握把握 把握生命的本把握生命的本质，仅仅掌握基因掌握基因组中部分中部分基因的表达基因的表达调控是控是远远不不够的，因的，因为生命生命现象象是基因是基因组中所有功能中所有功能单元相互作用共同制造出元相互作用共同制造出来的。来的。基因芯片基因芯片技技术由于可以由于可以监测基因基因组在各在各种种时间断面上的整体断面上的整体转录表

29、达状况，因此成表达状况，因此成为该领域中一域中一项非常重要和关非常重要和关键的的实验技技术，对该技技术所所产生的大量生的大量实验数据数据进行高效分析，行高效分析，从中从中获得基因得基因组运运转以及以及调控的整体控的整体系系统的机的机制制或者是网或者是网络机制，便成了生物信息学在机制，便成了生物信息学在该领域中首先要解决的域中首先要解决的问题。12/2/202250基因组演化与物种演化基因组演化与物种演化(生命之树)12/2/202251 尽管已尽管已经在分子演化方面取得了在分子演化方面取得了许多重要的成就，多重要的成就，但但仅仅依靠某些基因或者分子的演化依靠某些基因或者分子的演化现象，就想象，

30、就想阐明物明物种整体的演化种整体的演化历史似乎不太可靠。例如，智人与黑猩猩史似乎不太可靠。例如，智人与黑猩猩之之间有有98%-99%98%-99%的的结构基因和蛋白构基因和蛋白质是相同的，然而表是相同的，然而表型上却具有如此巨大的差异，型上却具有如此巨大的差异，这就不能不使我就不能不使我们联想到想到形形色色千差万形形色色千差万别的建筑楼群，它的建筑楼群，它们的外的外观如此不同，如此不同，但基但基础的部件的部件组成却是几乎一成却是几乎一样的，差的，差别就在于就在于这些基些基础部件的部件的组织方式不同，方式不同，这就提示我就提示我们基因基因组整体整体组织方式而不方式而不仅仅是个是个别基因在研究物种

31、演化基因在研究物种演化历史中的重要史中的重要作用。由于基因作用。由于基因组是物种所有是物种所有遗传信息的信息的储藏藏库，从根，从根本上决定着物种个体的本上决定着物种个体的发育和生理，因此，育和生理，因此，从基因从基因组整整体体结构构组织和整体功能和整体功能调节网网络方面，方面，结合相合相应的生理的生理表征表征现象，象，进行基因行基因组整体的演化研究，将是揭示物种整体的演化研究，将是揭示物种真真实演化演化历史的最佳途径。史的最佳途径。12/2/202252 基因基因组对生命体的整体控制必生命体的整体控制必须通通过它所表达的全部它所表达的全部蛋白蛋白质来来执行，由于基因芯片技行，由于基因芯片技术只

32、能只能反映从基因反映从基因组到到RNA的的转录水平上的表达水平上的表达情况，由于从情况，由于从RNA到蛋白到蛋白质还有有许多中多中间环节的影响，因此的影响，因此仅凭基因芯片技凭基因芯片技术我我们还不能最不能最终掌握生物功能具体掌握生物功能具体执行者行者蛋白蛋白质的整体表达的整体表达状况；状况；近几年在近几年在发展基因芯片的同展基因芯片的同时，人，人们也也发展了一套研展了一套研究究基因基因组所有蛋白所有蛋白质产物表达情况物表达情况蛋白蛋白质组研究技研究技术，从技从技术上来上来讲包括包括二二维凝胶凝胶电泳技泳技术和和质谱测序技序技术。通通过二二维凝胶凝胶电泳技泳技术可以可以获得某一得某一时间截面上

33、蛋白截面上蛋白质组的表达情况，通的表达情况，通过质谱测序技序技术就可以得到所有就可以得到所有这些些蛋白蛋白质的序列的序列组成。成。这些都是技些都是技术实现问题，最重要的，最重要的就是如何运用就是如何运用生物信息学理生物信息学理论方法方法去分析所得到的巨量去分析所得到的巨量数据，从中数据，从中还原出原出生命运生命运转和和调控的整体系控的整体系统的分子机的分子机制。制。蛋白蛋白质组 12/2/202253 基因基因组和蛋白和蛋白质组研究的迅猛研究的迅猛发展，使展，使许多新蛋白序列涌多新蛋白序列涌现出来，出来，然而要想了解它然而要想了解它们的功能，只有氨的功能，只有氨基酸序列是基酸序列是远远不不够的

34、，因的，因为蛋白蛋白质的功能是通的功能是通过其三其三维高高级结构来构来执行的，而且行的，而且蛋白蛋白质三三维结构也不构也不一定是静一定是静态的，在行使功能的的，在行使功能的过程程中其中其结构也会相构也会相应的有所改的有所改变。因因此，得到此，得到这些新蛋白的完整、精确些新蛋白的完整、精确和和动态的的三三维结构构就成就成为摆在我在我们面前的面前的紧迫任迫任务。目前除了通。目前除了通过诸如如X射射线晶体晶体结构分析、多构分析、多维核磁共核磁共振（振（NMR）波）波谱分析和分析和电子子显微微镜二二维晶体三晶体三维重构（重构（电子晶体学，子晶体学，EC）等物理方法得到）等物理方法得到蛋白蛋白质三三维结

35、构构蛋白蛋白质结构构 12/2/202254 另外一种广另外一种广泛使用的方法就是泛使用的方法就是通通过计算机算机辅助助预测的方法，目前，的方法，目前，一般一般认为蛋白蛋白质的的折叠折叠类型只有数百型只有数百到数千种，到数千种，远远小小于蛋白于蛋白质所具有的所具有的自由度数目，而且自由度数目，而且蛋白蛋白质的折叠的折叠类型型与其氨基酸序列具与其氨基酸序列具有相关性，有相关性，这样就就有可能直接从蛋白有可能直接从蛋白质的氨基酸序列通的氨基酸序列通过计算机算机辅助方法助方法预测出蛋白出蛋白质的三的三维结构构 12/2/202255新药设计新药设计 12/2/202256 随着随着结构生物学的构生物

36、学的发展，相当数量的蛋白展，相当数量的蛋白质以及一些核酸、多糖的三以及一些核酸、多糖的三维结构构获得精确得精确测定，定，基于生物大分子基于生物大分子结构知构知识的的药物物设计成成为当前的当前的热点。生物信息学的研究不点。生物信息学的研究不仅可提供可提供生物大分子生物大分子空空间结构的信息构的信息，还能提供能提供电子子结构构的信息，如的信息，如能能级、表面、表面电荷分布、分子荷分布、分子轨道相互作用等以及道相互作用等以及动力学行力学行为的信息的信息，如生物化学反如生物化学反应中的能量中的能量变化、化、电荷荷转移、构象移、构象变化等。化等。理理论模模拟还可研究可研究包括生物分子及其周包括生物分子及

37、其周围环境的境的复复杂体系体系和生物分和生物分子的子的量子效量子效应。结构构 功能功能 行行为12/2/202257 生物信息学的任生物信息学的任务远不止于此。在以不止于此。在以上工作的基上工作的基础上，最重要的是如何运用数上，最重要的是如何运用数理理理理论成果成果对生物体生物体进行行完整系完整系统的数理的数理模型描述，使得人模型描述，使得人类能能够从一个更加明确从一个更加明确的角度和一个更加易于操作的途径来的角度和一个更加易于操作的途径来认识和控制自身以及所有其他的生命体和控制自身以及所有其他的生命体12/2/202258生物信息学不生物信息学不仅仅是一是一门科学学科，科学学科，它更是一种重

38、要的研究开它更是一种重要的研究开发工具。工具。从从科学的角度科学的角度来来讲，它是一，它是一门研究生物和生物相关研究生物和生物相关系系统中信息内容物和信息流向的中信息内容物和信息流向的综合系合系统科学，只有通科学，只有通过生物信息学的生物信息学的计算算处理，我理，我们才能从众多分散的生物学才能从众多分散的生物学观测数据中数据中获得得对生命运行机制的生命运行机制的详细和系和系统的理解。的理解。从从工具的角度工具的角度来来讲，它是今后几乎，它是今后几乎进行所有生物行所有生物（医（医药）研究开）研究开发所必需的舵手和所必需的舵手和动力机，只有基于生物力机，只有基于生物信息学通信息学通过对大量已有数据

39、大量已有数据资料的分析料的分析处理所提供的理理所提供的理论指指导和分析，我和分析，我们才能才能选择正确的研正确的研发方向方向，同同样，只有，只有选择正确的生物信息学分析方法和手段，我正确的生物信息学分析方法和手段，我们才能正确才能正确处理和理和评价新的价新的观测数据并得到准确的数据并得到准确的结论。12/2/202259生物信息学的研究意生物信息学的研究意义生物信息学将是生物信息学将是生物信息学将是生物信息学将是2121世世世世纪纪生物学的核心生物学的核心生物学的核心生物学的核心 认识生物本生物本质了解生物分子信息的了解生物分子信息的组织和和结构，破构，破译基因基因组信息，信息，阐明生物信息之

40、明生物信息之间的关系的关系改改变生物学的研究方式生物学的研究方式 改改变传统研究方式，引研究方式，引进现代信息学方法代信息学方法在医学上的重要意在医学上的重要意义为疾病的疾病的诊断和治断和治疗提供依据提供依据为设计新新药提供依据提供依据12/2/202260生物信息学系统化概图12/2/202261生物信息学所用的方法和技生物信息学所用的方法和技术 1、数学数学统计方法方法(高高维、样本量的本量的问题)2、动态规划方法划方法 3、机器学、机器学习与模式与模式识别技技术（从数据中学（从数据中学习）4、数据、数据库技技术及数据挖掘及数据挖掘 5、人工神、人工神经网网络技技术6、专家系家系统 7、分

41、子模型化技、分子模型化技术8、量子力学和分子力学、量子力学和分子力学计算算 9、生物分子的、生物分子的计算机模算机模拟10、因特网（、因特网（Internet）技）技术(Grid计算算)。12/2/202262科学前沿科学前沿问题：生命生命过程的定量研究和系程的定量研究和系统整合整合 主要研究方向：主要研究方向：基因基因语言及言及调控控功能基因功能基因组学学模式生物学模式生物学表表观遗传学及非学及非编码核糖核酸核糖核酸生命体生命体结构功能及其构功能及其调控网控网络生命体重构生命体重构生物信息学生物信息学计算生物学算生物学系系统生物学生物学极端极端环境中的生命特征境中的生命特征生命起源和演化生命

42、起源和演化系系统发育与育与进化生物学化生物学等。等。12/2/202263一切从基因组开始“基因组到生命”（GenomestoLife，GTL）计划12/2/202264时刻铭记时刻铭记 实验永远起着决定作用实验永远起着决定作用 计算计算/理论生物学的发展离不理论生物学的发展离不开实验生物学的贡献开实验生物学的贡献 实验生物学日益依赖计算实验生物学日益依赖计算/理理论生物学的指导论生物学的指导 重视基础研究，原创重视基础研究，原创！21212121世纪生命科学世纪生命科学世纪生命科学世纪生命科学理理理理论论论论计计计计算算算算实实实实验验验验数学与物理科学数学与物理科学数学与物理科学数学与物理

43、科学计算生物学算生物学/理理论生物学与生物学与传统生物学的关系生物学的关系12/2/202265现代生物医学信息学研究的基本代生物医学信息学研究的基本问题 医学和生物学数据医学和生物学数据库的建立和搜索的建立和搜索 DNA和蛋白和蛋白质序列分析序列分析 预测基因基因组的的结构与功能构与功能 预测蛋白蛋白质的的结构和功能构和功能 基因基因组数据的分析数据的分析 比比较基因基因组学和系学和系统发生生遗传学研究学研究 了解代了解代谢、信号、信号传导和基因和基因调节的途径、相互作的途径、相互作用和相互用和相互调节的关系的关系 分析分析脑和神和神经系系统的功能和学的功能和学习认知行知行为的本的本质 疾病疾病发病的分子机制、疾病的基因病的分子机制、疾病的基因诊断、治断、治疗、预防和人防和人类保健保健12/2/202266谢谢！12/2/202267