山西师大郜刚生物信息学生物信息学大众认识与专家谈.ppt

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数据库(dbEST)和各自实验室测定的相应数据，经过大规模 并行计算发现新基因和新SNPs以及各种功能位点；基因组中非编码区的信息构造分析，提出理论模型，说明该区域的重要生物学功能；进展模式生物完整基因组的信息构造分析和比较研究；利用生物信息研究遗传密码起源、基因组构造的演化、基因组空间构造与DNA折叠的关系以及基因组信息与生物进化关系等生物学的重大问题。,第七页，共70页。,研究内容,：,功能基因组相关信息分析。包括与大规模基因表达谱分析相关的算法、软件研究，基因表达调控网络的研究；与基因组信息相关的核酸、蛋白质空间构造的预测和模拟，以及蛋白质功能预测的研究。,生物大分子构造模拟和药物设计。包括RNA(核糖核酸)的构造模拟和反义RNA的分子设计；蛋白质空间构造模拟和分子设计；具有不同功能域的复合蛋白质以及连接肽的设计；生物活性分子的电子构造计算和设计；纳米生物材料的模拟与设计；基于酶和功能蛋白质构造、细胞外表受体构造的药物设计；基于DNA构造的药物设计等。,第八页，共70页。,研究内容,：,生物信息分析的技术与方法研究。包括开展有效的能支持大尺度作图与测序需要的软件、数据库以及假设干数据库工具，诸如电子网络等远程通讯工具；改进现有的理论分析方法，如统计方法、模式识别方法、隐马尔科夫过程方法、分维方法、神经网络方法、复杂性分析方法、密码学方法、多序列比较方法等；创立一切适用于基因组信息分析的新方法、新技术。包括引入复杂系统分析技术、信息系统分析技术等；建立严格的多序列比较方法；开展与应用密码学方法以及其他算法和分析技术，用于解释基因组的信息，探索DNA序列及其空间构造信息的新表征；开展研究基因组完整信息构造和信息网络的研究方法等；开展生物大分子空间构造模拟、电子构造模拟和药物设计的新方法与新技术。,第九页，共70页。,研究内容,：,应用与开展研究。聚集与疾病相关的人类基因信息，开展患者样品序列信息检测技术和基于序列信息选择表达载体、引物的技术，建立与动植物良种繁育相关的数据库以及与大分子设计和药物设计相关的数据库。,第十页，共70页。,北京大学 生物信息学中心 罗静初教授,第十一页，共70页。,中国科学院院士,第三世界科学院院士,中国科学院理论物理研究所研究员,上海复旦大学理论生命科学研究中心主任郝柏林院士,第十二页，共70页。,中国科学院院士郝柏林教授,郝柏林 1934年6月生于北京市。1959年毕业于乌克兰国立哈尔科夫大学物理数学系。后在中国科学院物理研究所工作。1978年晋升为研究员、副所长。1980年11月中选为中国科学院院士。现任物理学系研究员、博士生导师。兼任中国博士后基金会副理事长、陈嘉庚国际学会常务董事。曾任中国科学院理论物理研究所副所长、所长。,主要从事理论物理、计算物理、非线性科学和理论生命科学的研究。涉及固体电子能谱和声子谱、金属红外性质、高分子半导体理论、统计物理模型、相变和临界现象、临界动力学、闭路格林函数方法、动力电网计算、天线计算、地震活动性统计分析、群论知识工程系统、计算机程序设计、混沌动力学和符号动力学、DNA序列分析等领域。,1997年夏，在把英文专著?实用符号动力学与混沌?书稿送出之后，郝柏林着重转向理论生命科学领域研究。早在1985年，他就着手补充生物学知识。之后，又访问国际生物学数据库并下载软件。1995年与生物学部邹承鲁院士，共同组织香山会议，并主编出版?理论物理与生命科学?一书。1999年郝柏林在一份?院士建议?中提出，尽快建立国家级的生物医学信息中心，引起政府有关部门的重视。第二年，他与合作者共同撰写?生物信息学手册?。之后又在联合举办的研究生班系统讲课，批量培养年青一代生物信息学人才。,第十三页，共70页。,从学科穿插漫谈生物信息学,郝柏林,复旦大学理论生命科学研究中心,中国科学院理论物理研究所,:/何用浮名绊此身,杜甫,耳目之察，缺乏以分物理。,?淮南子。览冥训?,需要仪器观测和理论思维,第十九页，共70页。,物理学与生物学的相互促进由来已久,电学和电生理学同时诞生,C.A.de Coulomb,1785,L.Galvani,1791,第二十页，共70页。,生物学为物理学启示过能量守恒,医生R.J.Mayer(1842)：受动、静脉血色差异启发，第一个给出热功当量。,物理学家J.P.Joule(1843)：热功当量。,现役军医H.von Helmholtz(1847)：把能量守恒从机械运动推广到热、电、磁乃至生命现象。24年后任物理教授,感谢刘寄星博士核实姓名年代,第二十一页，共70页。,物理学为生物学提供过大量工具,光学显微镜(1590)：,细胞(1665),细菌(Antonie van Leeuwenhoek,1683),(Muller确认细菌为一类生物,1773),X射线衍射晶体构造分析,DNA双螺旋构造JD Watson,FHC Crick,1953,肌红蛋白、血红蛋白晶体构造1957,1959,电子显微镜、扫描电镜、隧道扫描电镜,第二十二页，共70页。,物理学为生物学提供过大量工具,各种光谱方法、荧光标记,中子衍射,示踪原子、放射性标记,核磁共振波谱,质谱仪,“化学仪器：超速离心机、液相色谱分析、圆偏振二向色性分析、凝胶电泳,第二十三页，共70页。,物理学为生物学提供了新思想,负熵,非周期晶体,对热涨落的担忧,三联码George Gamow,1954,生物中的“标度和“分形,第二十四页，共70页。,Erwin Schrodinger,What is Life?,The Physical Aspect of the,Living,Cell,1944,Michael P.Murphy and Luke A.J.ONeill,eds.,What is Life?The,Next Fifty Years,Cambridge University Press,1995,1997.,第二十五页，共70页。,数学是关于,形,和,数,的科学,分析,代数,几何,统计、概率和随机过程,离散数学：组合学、图论、语言学,第二十六页，共70页。,生物有,形,生物有,数,生物有形，人所共识。地球上自然之美，多数来自生物本身和它们的营造。生物有数，那么经历了漫长的认识过程。,第二十七页，共70页。,生物有,形,HIV 病毒,粘菌(Slime mold)：自组织现象的实例,第二十八页，共70页。,第二十九页，共70页。,第三十页，共70页。,“数学的应用:生物学中的数学=0.,恩格斯：1885,于光远等译,?自然辩证法?,人民出版社,1984,172页,第三十一页，共70页。,生物有,数,第三十二页，共70页。,生物多样性宏观数据,现存物种知多少？,从2 百万到10亿的种种估计,2003年11月初GenBank核酸数据库中有,154 089 种生物至少有1条数据,其中只有约半数有某些分类学信息,目前地球上存活着约 5000 种哺乳动物,约9000种鸟类,细菌是地球上最成功的物种,然而我们不知道它们的数目有多少,第三十三页，共70页。,生物数据的产量,中国科学院基因组学研究所“华大基因每天的测序能力：5000万碱基对5*107,一个人的基因组：3.2*109 碱基对,籼稻基因组：4.3*108碱基对,全世界每年生物数据产出量：1015字节,英国Sanger中心今后5年每年新增硬盘：80-100TB，即(0.81)*1014字节,第三十四页，共70页。,GenBank 138版(2003年10月15日),序列数:,29 819 397(2981万),核苷酸(字母)数:,35 599 621 471(355亿),序列平均长度:1193,第三十五页，共70页。,计算机：用火以来的最伟大创造,ENIAC1944：每秒330次乘法运算,神威计算机：每秒3840亿次浮点运算,曙光3000计算机：每秒4000亿次浮点运算,每秒1万亿次=1012次/秒,第三十六页，共70页。,数学、物理和计算机科学大有可为,生物学引论,第三十七页，共70页。,地球上的自然史,13 Bys:大爆炸,4.9 Bys:太阳系和地球诞生,3.8 Bys:地球上出现原始生命,2.7 Bys:细菌、光和作用,1.7 Bys:多细胞生物,550 Mys:寒武纪(Cambrian)物种大爆发,425 Mys:志留纪(Silurian)物种爆发,65 Mys:恐龙灭绝,3.5 Mys:化石古猿科与人科别离,0.7 Mys:人类与黑猩猩别离,0.5 Mys:北京人(Homo erectus),0.4 Mys:智人(Homo sapiens),100-20 Kys:山顶洞人,221 BC,2224年前：秦始皇统一中国,第三十八页，共70页。,模式生物,噬菌体(Bacteriophage:lambda,T4,T7),病毒(Viruses:SV40,HIV),大肠杆菌(Escherichia coli),酵母(Saccharomyces cerevisiae,yeast budding),线虫(Caenorhabitidis elegans,nematode,worm),果蝇(Drosophila melanogaster,fruitfly),拟南芥(Arabidopsis thaliana),水稻(Oryza sativa,rice),非洲爪蟾(Xenopus laviae,African frog),斑马鱼(Danio rerio,Zebra fish),小鼠(Mus musculus,mouse),智人(Homo sapiens),第三十九页，共70页。,遗传物质,核酸(DNA)：线性和环状,质粒(Plasmids)：线性和环状,染色体：DNA+组蛋白,线粒体：有自己的DNA,叶绿体：也有自己的DNA,第四十页，共70页。,第四十一页，共70页。,第四十二页，共70页。,第四十三页，共70页。,第四十四页，共70页。,生命现象的众多层次,系统生物学、生物复杂性、生态系统,生物多样性、种群动力学,动物行为科学,个体、器官、组织,细胞及其通信、信号传导,免疫网络、调控网络、代谢网络,复制、转录、剪接、翻译、运输,生物大分子:蛋白质与核酸DNA、RNA,小分子(糖、脂肪、核苷酸、氨基酸)、金属离子、水,分子和原子的相互作用,第四十五页，共70页。,来自我们工作的几个具体例子,完全基因组中的缺失和稀少字串：相关的组合学和语言学问题,籼稻基因组框架图：测序读出大量短串的拼接、重复序列带来的困难、长DNA链中寻找基因,细菌亲缘关系和分类学,第四十六页，共70页。,细菌完全基因组中的缺失和稀少短核苷酸串,以大肠杆菌为例：,一个DNA环：4 639 221 个a,c,g,t字母,长度为8的短串共有种65536种,同长随机序列中平均每种串出现71次,实际情形如何？,第四十七页，共70页。,seeDNA程序演示,C语言+Xlib+Xtoolkit,UNIX或LINUX平台,由GenBank取得基因组数据,背后的组合学和语言学问题,第四十八页，共70页。,第四十九页，共70页。,第五十页，共70页。,第五十一页，共70页。,水稻叶绿体基因组,可能曾经是一种光合细菌,全部由a、c、g、t四种核苷酸组成的序列,粳稻日本1989：134525个字母籼稻中国2001：134559个字母,第五十二页，共70页。,cccaatatcttgcttcagcaagatattgggtatttctagctttcctttcttcaaaaattgctatatgttagcagaaaagccttatccattaagagatggaacttcaagagcagctaggtctagagggaagttgtgagcattacgttcgtgcattacttccataccaagattagcacggttgatgatatcagcccaagtattaataacgcgaccttggctatcaactacagattggttgaaattgaatccgtttagattgaaagccatagtactaatacctaaagcagtgaaccaaatccctactacaggccaagcagccaagaagaagtgtaaagaacgagagttgttaaaactagcatattggaagattaatcggccaaaataaccatgagcggccacaatattataagtttcttcctcttgaccaaatctgtaaccctcattagcagattcgttttcagtggtttccctgatcaaactagaggttaccaaggaaccatgcatagcactgaatagggaaccgccgaatacaccagctacacctaacatgtgaaatggatgcataaggatgttatgctctgcctggaatacaatcataaagttgaaagtaccagatattcctaaaggcataccatcagagaaacttccttgaccaatagggtaaatcaagaaaacagcagtagcagctgcaacaggagctgaatatgcaacagcaatccaaggacgcatacccagacggaaactcagttcccactcacgacccatataacaagctacaccaagtaagaagtgtagaacaattagctcataaggaccaccattgtataaccactcatcaacagatgcagcttcccaaattgggtaaaagtgcaatccgatcgccgcagaagtaggaataatggcaccagagataatattgtttccgtaaagtaaagaaccagaaacaggctcacgaataccatcaatatctactggaggggcagcgatgaaggcgataataaatacagaagttgcggtcaataaggtagggatcatcaaaacaccgaaccatccgatgtaaagacggttttcggtgctagttatccagttgcagaagcgaccccacaggcttgtactttcgcgtctctctaaaattgcagtcatggtaagatcttggtttattcaaattgcaaggactcccaagcacacgtattaactagaaagataatagaaggcttgttatttaacagtataatatagactatataccaatgtcaaccaagccagccccgacagttgtatatccatacaacaaaatttaccaaaccaaaaaattttgtaaatgaagtgagtgaaaaatcaaaactcagattgctcctttctagtttccatatgggttgcccgggactcgaacccggaactagtcggatggagtagataattattccttgttacaatagagaaaaaacctctccccaaatcgtgcttgcatttttcattgcacacgactttccctatgtagaaataggctatttctattccgaagaggaagtctactaatttttttagtagtaagttgattcacttactatttattatagtacagagaacatttcagaatggaaactgtgaaagttttaccttgatcatttatcaatcatttctagtttattagttttgtttaatgattaattaagaggattcaccagatcattgatacggagaatatccaaataccaaatacgctcactgtgcgatccacggaaagaaaagtaagttgttttggcgaacatcaaagaaaaaacttgctcttcttccgtaaaaaattcttctaaaaataccgaacccaaccattgcataaaagctcgtaccgtgcttttatgtttacgagctaaagttctagcgcatgaaagtcgaagtatatactttagtcgatacaaagtcttcttttttgaagatccactgtgataatgaaaaagatttctacatatccgaccaaaccgatcaagaatatcccaatccgataaatcggtccaaattggtttactaataggatgccccgatccagtacaaaattgggcttttgctaaagatccaatgagaggagtaacagggactttggtatcgaattttttcatttgagtatctattagaaatgaattctccagcatttgattccttactaacaaagaatttattggtacacttgaaaagtaccccagaaaatcgaagcaagagttttctaattggtttagatggatcctttgcggttgagtccaaaaagagaaagaatattgccacaaacggacaaggtaacatttccatttcttcttcaaaagaagagttccttttgatgcaagaattgcctttccttgatatcgaacataatgcataaggggatccataacgaaccatatggttttccgaaaaaaagcagggtacattaacccaaaatgttccatcttcctagaaaagatgattcgttccagaaaggttccggaagaagttaatcgcaagcaagaagattgtttacgaagaaacaacaagaaaaattcatattctgatacataagagttatataggaaccgaaatagtcttttattttcttttttcaaaataaaaatggatttcattgaagtaataaaactattccaattcgagtagtagttgagaaagaatcgcaataaatgcaaggatggaacatcttggatccggtattgaaggagttgaagcaagatatccaaatggataggatagggtatttctatatgtgctagataatgtaagtgcaaaaatttgtcttctaaaaaaggaaatattgaatgaatagatcgtaaattctgaaactttggtatttctttttcttccggacaagactgttctcgtagcgagaatgggatttctacaacgatcgcaaacccctcagatagaatctgagaataaaactcagaataaaaaaaattgttgtaatccaataatcgatcttggttaggatgattaaccaaattaatccaaaaattctgctgatacattcgaatcattaaccgtttcacaagtagtgaactaaatttcttgttattagaaccaataatttcgacaagttcggaaccatttaatccataatcatgggcaaacacataaatgtactcctgaaagagtagtgggtagacgaaatattgtctaggaaatttaagtttttctgaataaccctcgaatttttccatttgtatttctacttgaatcagagagagagaaatatttctcggtttatcaaatggtgatacatagtacaatatggtcagaacagggtgttgcattttttaatacaaacccctggggaagaaaaggagtctaatccacggatctttttccgctccttttctatccaatttgtttatgtttgttctaattacaaaagagaacaaatcctttatttttgcaggccaattgctcttttgactttgggatacagtctctttatcaatatactgcttcttttacacattcaatccataacatccttttcaatccaaaatcaagaataattaggatttctaaaaaaaaaagaaaaaatcaaaggtctactcataggaaaaccagcttttccctacatcaggcactaatctatttttaacgtctaattagatcagggagttcttccaattaagaagttaagctcgttgctttttgttttaccagaattggagccaggctctatccatttattcattagacccagaaaatcagaatttttttattccattccaaaaatccaaaataagaaattgattttattacgacatgctattttttccattcattacccttgaggatcagtcgcggtcttatagactctaccaagagtctggacgaattttttgcttcatccaaatgtgtaaaagatcatagtcgcacttaaaagccgagtactctaccattgagttagcaacccagataaactaggatcttagatacgatcgaaatccaaaaatcaatggaattacaccgcacacccctgtcaaaatcttaaaatagcaagacattaaaagaaagattttatcaccattgaaaacactcagataccaaaaggaacgggtctggttaaatttcactaaggttaaaagtggcaccaatcacgatcgtaaaattgtcatttttttagcatttttatttaaataaataaataaatcttgtatgagagtacaaacaagagggacaaccctaccatttgagcaaagtgtaggcaaaaaacctaatagggagtgaggataaagagacttatccatctacaaattctagatgttcaatggacctttgtcaatggaaatacaatggtaagaaaaaaattagatagaaaaactcaaaaaaataaaggcttatgttggattggcacgacataaatccagtcaaaaataggattaagaaagaggcaaattatttctaaatagttagacaacaagggatactagtgagcctctcctagttttttattcatttagttcttcaattaactcaaagttctttctttttctttaaagaattccgccttccttaaaatatcagaaacggttcttgtaggttgagcacctttttcaaggaaatagagaatagctggaacatttaaacaagtttgattctttatcggatcataaaaacctacttttcgaagatctcttccttctcttcgagatcgaacatcaattgcaacgattcgatagacagcttattgggatagatgtagataaa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