生物信息学现状与展望

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1、研究生课程考试卷学号、姓名：j20112001苗天锦年级、专业：2011生物化学与分子生物学培养层次：硕士课程名称：生物信息学授课学时学分：32学时2学分考试成绩：授课或主讲教师签字：4生物信息学现状与展望摘要：生物信息学是一门新兴学科，起步于20世纪90年代，至今已进入"后基因组时代"，本文对生物信息学的产生背景及其研究现状等方面进行了综述，并展望生物信息学的发展前景。生物信息学的发展在国内、外基本上都处在起步阶段。关键词：生物信息学；生物信息学背景；发展前景一、生物信息学概述1.生物信息学发展历史随着生物科学

2、技术的迅猛发展，生物信息数据资源的增长呈现爆炸之势，同时计算机运算能力的提高和国际互联网络的发展使得对大规模数据的贮存、处理和传输成为可能，为了快捷方便地对已知生物学信息进行科学的组织、有效的管理和进一步分析利用，一门由生命科学和信息科学等多学科相结合特别是由分子生物学与计算机信息处理技术紧密结合而形成的交叉学科——生物信息学(Bioinformatics)应运而生,并大大推动了相关研究的开展,被誉为“解读生命天书的慧眼”【1】。研究生物细胞的生物大分子的结构与功能很早就已经开始，1866年孟德尔从实验上提出了假

3、设：基因是以生物成分存在。1944年Chargaff发现了著名的Chargaff规律，即DNA中鸟嘌呤的量与胞嘧定的量总是相等，腺嘌呤与胸腺嘧啶的量相等。与此同时，Wilkins与Franklin用X射线衍射技术测定了DNA纤维的结构。1953年JamesWatson和FrancisCrick在Nature杂志上推测出DNA的三维结构（双螺旋）。Kornberg于1956年从大肠杆菌（E.coli）中分离出DNA聚合酶I（DNApolymeraseI），能使4种dNTP连接成DNA。Meselson与Stahl（

4、1958）用实验方法证明了DNA复制是一种半保留复制。Crick于1954年提出了遗传信息传递的规律，DNA是合成RNA的模板，RNA又是合成蛋白质的模板，称之为中心法则（Centraldogma），这一中心法则对以后分子生物学和生物信息学的发展都起到了极其重要的指导作用。经过Nirenberg和Matthai（1963）的努力研究，编码20氨基酸的遗传密码得到了破译。限制性内切酶的发现和重组DNA的克隆（clone）奠定了基因工程的技术基础【2】。自1990年美国启动人类基因组计划以来，人与模式生物基因组的测序

5、工作进展极为迅速。迄今已完成了约40多种生物的全基因组测序工作，人基因组约3x109碱基对的测序工作也接近完成。至2000年6月26日，被誉为生命“阿波罗计划”的人类基因组计划终于完成了工作草图，预示着完成人类基因组计划已经指日可待。生物信息学已成为整个生命科学发展的重要组成部分，成为生命科学研究的前沿。2.生物信息学研究方向42.1序列比对序列比对是指为确定两个或多个序列之间的相似性以至于同源性，而将它们按照一定的规律排列。序列比对是生物信息学的重要研究方向。生物信息学的研究重点主要体现在基因组学和蛋白质学两方

6、面,具体地说就是从核酸和蛋白质序列出发,分析序列中表达结构和功能的生物信息。生物信息学的基本任务是对各种生物分析序列进行分析,也就是研究新的计算机方法,从大量的序列信息中获取基因结构、功能和进化等知识。而在序列分析中,将未知序列同已知序列进行相似性比较是一种强有力的研究手段,从序列的片段测定,拼接,基因的表达分析,到RNA和蛋白质的结构功能预测。物种亲缘树的构建都需要进行生物分子序列的相似性比较。生物信息学中的序列比对算法的研究具有非常重要的理论意义和实践意义。【3】2.2分子进化和比较基因组学生物进化过程中生物

7、大分子的演变，包括前生命物质的演变；蛋白质分子和核酸分子的演变以及细胞器和遗传机构（例如遗传密码）的演变。分子进化的研究可以为生物进化过程提供佐证，为深入研究进化机制提供重要依据。近年来较多模式生物基因组测序任务的完成，人们可从整个基因组的角度来研究分子进化。在匹配不同种族的基因时，一般须处理三种情况：Orthologous：不同种族，相同功能的基因；Paralogous：相同种族，不同功能的基因；Xenologs：有机体间采用其他方式传递的基因，如被病毒注入的基因。这一领域常采用的方法是构造进化树，通过基于特征

8、（即DNA序列或蛋白质中的氨基酸的碱基的特定位置）和基于距离（对齐的分数）的方法和一些传统的聚类方法（如UPGMA）来实现【4】。2.3蛋白质信息学目前对蛋白质组研究的技术手段很多,常用的主要有双向凝胶电泳和测序质谱技术等。与它们相比,生物信息学在蛋白质组学的研究中将起着特殊的重要作用。因为蛋白质组研究提供的数据的数量之大在生物学上是史无前例的。当前生物信息学已经不仅是高