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生物信息学的研究内容、方法及意义.ppt

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生物信息学的研究内容、方法及意义.ppt

生物信息学 生物信息学 说文解字:生物 + 信息 + 学 (bioinformatics) biology + information + theory 广义 应用信息科学的方法和技术,研究生物体系和生物过程中信息的存贮、信息的内涵和信息的传递,研究和分析生物体细胞、组织、器官的生理、病理、药理过程中的各种生物信息,或者也可以说成是生命科学中的信息科学。 狭义 应用信息科学的理论、方法和技术,管理、分析和利用生物分子数据。 生命信息系统 生物所处的时空系统 物质系统,信息传递与控制,能量 相关学科图示 广义概念图示 狭义概念图示 总结:生物信息学 生物信息学(Bioinformatics) 是一门新兴的交叉学科,是生命科学领域中的新兴学科,面对人类基因组计划等各种项目所产生的庞大的分子生物学信息,生物信息学的重要性将越来越突出,它将会为生命科学的研究带来革命性的变革。 生物信息学是在生命科学的研究中,以计算机为工具对生物信息进行储存、检索和分析的科学。 生物信息学是当今生命科学和自然科学的重大前沿领域之一,同时也将是21世纪自然科学的核心领域之一,其研究重点主要体现在基因组学(Genomics)和蛋白组学(Proteomics) 。 生物学基础速递 细胞(分子水平) 个体生命 生命之树 生命的分子基础 细胞/分子水平 DNA/RNA 蛋白质 糖 脂类 DNA结构和碱基互补原理 中心法则 生物信息学的历史 从人类基因组计划(HGP)说起 生物信息学的发展历史 20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 生物信息学的研究内容 1、 生物分子数据的收集与管理 2、 数据库搜索及序列比较 3、 基因组序列分析 4、基因表达数据的分析与处理 5、蛋白质结构与功能预测 6、基因-蛋白相互作用网络 7、整个系统调控网络 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。 基因组序列分析 遗传语言分析——天书 基因组结构分析 基因识别 基因功能注释 基因调控信息分析 基因组比较 基因表达数据的分析与处理 基因表达数据分析是目前生物信息学研究的热 点和重点 目前对基因表达数据的处理主要是进行聚类分 析,将表达模式相似的基因聚为一类,在此基 础上寻找相关基因,分析基因的功能 所用方法主要有:相关分析方法、模式识别技术中的层次式聚类方法、人工智能中的自组织映射神经网络、主元分析方法 等 表达数据缺点:仅反映mRNA丰度,噪声,… 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 ,蛋白质结构预测成为了解蛋白质功能的重要途径 蛋白质结构预测分为: 二级结构预测 空间结构预测 二级结构预测 在一定程度上二级结构的预测可以归结为模式识别问题 在二级结构预测方面主要方法有: 立体化学方法 图论方法 统计方法 最邻近决策方法 基于规则的专家系统方法 分子动力学方法 人工神经网络方法 预测准确率超过70%的第一个软件是基于神经网络的PHD系统 空间结构预测 在空间结构预测方面,比较成功的理论方法是同源模型法 该方法的依据是:相似序列的蛋白质倾向于折叠成相似的三维空间结构 运用同源模型方法可以完成所有蛋白质10-30%的空间结构预测工作 生物信息学系统化概图 目前进展 生物信息学与系统生物学(Systems Biology) 还原论 整体论 系统生物学的4个层次:【?】 系统的结构 系统的动力学 系统的控制 系统的设计 生物系统的复杂性! 一切从基因组开始… —“基因组到生命”(Genomes??to??Life,GTL)计划 国内外状况 国外 /Top/Science/Biology/Bioinformatics/Research_Groups/ 国内 北大、清华 ? 上海生物信息中心 ?华大基因组信息中心(北京 杭州 深圳) ?天大生物信息中心 ?中科院计算所生物信息中心 ?复旦理论生物中心 。。。 炎黄项目中基因与疾病相关部分将实现以下四个大的目标: 1)选取一个代表中国人,建立覆盖95%序列以上的全基因组精细图谱; 2)选取包括汉族、少数民族、东亚地区不同国家人群在内的100个个体;测序约400个覆盖度,找到能够覆盖所有大于1%的突变的大约100万个分子标记,建立东亚人种特异性的高密度、高分辨医学遗传图谱; 3)利用医学遗传图谱,建立包括可用于筛查疾病相关基因的分子标记集,大规模筛查中国(东亚)人群特异性疾病。初步选择高血压、高血糖、血脂异常、骨质疏松四种高发多基因复杂疾病,通过疾病和正常个体的比较,识别出疾病表型强关联性遗传多态性位点组合,用于这些疾病的预测; 4)专利疾病关联多态性位点(约100个),与商业操作相结合,扩大样本量,并结合个体所处的环境因素,验证候选位点,合理进行疾病的预防和个性化诊疗; 5)对疾病相关位点进行功能分析,阐明疾病致病机理,从而加快基因研究成果进入临床的步伐。 [摘自华大深圳研究院网站] 机遇 生物信息学人才需求 学校的人才培养(系统化训练) (深圳大学、大学城、南方科技大学) 公司/企业 微芯生物 是国内研发小分子专利创新药物的标志性企业,其自行构建的基于化学基因组学的集成式药物创新与早期评价体系是当今国际新药研发的最重要手段之一(2005年被批准成为“深圳市化学创新药物工程技术中心”) 。 医疗机构(北京大学深圳医院) 机遇 个性化医疗(疾病的治疗是一种艺术) 诊断(家族历史) 治疗(基因治疗) 制药(中药现代化) 机遇 芯片技术产业与服务    第一种分类:微阵列芯片和微流控芯片 (第二种分类:主动式芯片与被动式芯片 ) 微阵列芯片 基因芯片 蛋白芯片 组织芯片 由科技部主办,清华大学、中国医药生物技术协会、中国医药生物技术协会生物芯片分会、中华医学会健康管理学分会、生物芯片北京国家工程研究中心承办的“生物芯片在医学和食

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