生物信息学
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——Watson ,1990,《Science》
47
HGP的最初目标通过国际合作，用15年时间(1990～2005)至少投入
30亿美元，构建详细的人类基因组遗传图和物理图，确定人类DNA的 全部核苷酸序列，定位约10万基因，并对其它生物进行类似研究。 4张图：遗传图
物理图
序列图
基因图
HGP的终极目标
– 为疾病的诊断和治疗提供依据
– 为设计新药提供依据
生物信息学将是21世纪生物学的核心
2020/2/28
34
主要研究内容
破译遗传语言、识别基因 预测蛋白质结构和功能 认识生物界信息存贮和传递的本质 研究药物作用机制和开发新药
2020/2/28
35
第二节 生物信息学的发展历史
生物科学和 技术的 发展
2020/2/28
30
实验
收集
数据
信息 知识
表示 刻画特征
分析 比较
建模 推理
应用
基因工程
蛋白质设计
疾病诊断 疾病治疗 开发新药
生物分子信息处理流程
2020/2/28
31
分子生物学的三大核心数据库
• GenBank核酸序列数据库 • SWISS-PROT蛋白质序列数据库 • PDB生物大分子结构数据库
6、《简明生物信息学》
钟扬
复旦大学
高等教育出版社
2020/2/28
3
第一章 生物信息学引论
2020/2/28
4
简介
一．引言 二．生物信息学的发展历史 三．人类基因组计划和基因组信息学 四．蛋白质结构与功能关系的研究 五．目前生物信息学主要研究内容 六．生物信息学所用的方法和技术
2020/2/28
命
的存贮、传递和胞、组织、器官的生理、病理 、药理过程的中各种生物信息
息 科 学
2020/2/28
8
概念（狭义）
生物分子信息的获取、存贮、分析和利用
分子生物信息学 Molecular
Bioinformatics
生物 分子数据
2020/2/28
获取 挖掘
深层次 生物学知识
9
Bioinformatics
2020/2/28
2
参考文献
1、《生物信息学概论》
罗静初 北京大学 北京大学出版社
2、《生物信息学》
D.R. Westhead
科学出版社
3、《生物信息学—基因和蛋白质分析的使用指南》
李衍达 清华大学 清华大学出版社
4、《生物信息学中的计算机技术》
孙超
中国电力出版社
5、《生物信息学手册》
郝柏林 中科院物理所 上海科学技术出版社
的建立。作图和测序是基本的任务，
在此基础上解读和破译生物体生老 病死以及和疾病相关的遗传信息
2020/2/28
40
模式生物
酵母
老鼠
2020/2/28
大肠杆菌
线虫
果蝇
41
20世纪 三大科学计划
曼哈顿原子弹计划 （1942-46）
阿波罗登月计划 (1961-69)
人类基因组计划 (1990-2003)
2020/2/28
20
(1)遗传信息的载体——DNA
遗传信息的载体主要是DNA
2020/2/28
控制生物体性状的基因是一 系列DNA片段
生物体生长发育的本质就是遗 传信息的传递和表达
21
DNA通过自我复制，在生物体的繁衍过 程中传递遗传信息
基因通过转录和翻译，使遗传信息在生物 个体中得以表达，并使后代表现出与亲代 相似的生物性状。
15
• 生物信息学主要研究两种信息载体
– DNA分子 – 蛋白质分子
2020/2/28
16
2020/2/28
17
Protein Machines
2020/2/28
18
From the Cell to Protein Machines
2020/2/28
19
生物分子至少携带着三种信息
– 遗传信息 – 与功能相关的结构信息 – 进化信息
• 第一部遗传密码已被破译，但对密码的
转录过程还不清楚，对大多数DNA非编
码区域的功能还知之甚少
• 对于第二部密码，目前则只能用统计学
的方法进行分析
• 无论是第一部遗传密码，还是第二部遗
传密码，都隐藏在大量的生物分子数据
之中。
生物分子数据是宝藏，生物信息数据库是金矿，等待我们去挖掘和利用。
2020/2/28
基因组计划”下拨启动经费约550万美元 1989 美国成立“国家人类基因组研究中心”，Watson担 任
第一任主任
1990.10 经美国国会批准，人类基因组计划正式启动
2020/2/28
James Watson
Walter Gilbert 46
2020/2/28
尽管比之于人类登月，HGP的投入资金 要少得多，但HGP对人类生活的影响要 更为深远。因为随着这个计划的完成， DNA分子中编码的遗传信息将对人类存 在的化学基础作出最终的回答。这将不 仅帮助我们理解我们是如何作为健康的 人发挥正常功能的，而且也将在化学水 平上解释遗传因子在各种疾病，如癌症、 早老痴呆症、精神分裂症等一些严重危 害人类健康的疾病中的作用。毕竟对人 类自身更深入的了解是人类活动中最重 要的一个部分。
5
第一节 引言
化学
物理
生命信息的组织、 传递、表达
分子 生物学
2020/2/28
信息技术
遗传学
6
1、 生物信息学概念
HGP 生物数据的激增 （每15个月翻一番）
生物学家
数学家
计算机 科学家
2020/2/28
生物信息学 （bioinfomatics)
的诞生
7
概念（广义）
信息科学
生
生物体系和过程中信息
基因控制着蛋白质的合成
转录
DNA
翻译
RNA
蛋白 质
2020/2/28
22
基因的DNA序列
对
遗
应
传
关
密
系
码
蛋白质序列
2020/2/28
DNA 前体RNA mRNA
多肽链 23
(2)蛋白质的结构决定其功能
• 蛋白质功能取决于蛋白质的空间结构
• 蛋白质结构决定于蛋白质的序列（这是
目前基本共认的假设），蛋白质结构的 信息隐含在蛋白质序列之中。
28
生物分子信息的特征
• 生物分子信息数据量大 • 生物分子信息复杂 • 生物分子信息之间存在着密切的联系
2020/2/28
29
3、生物信息学的目标和任务
• 收集和管理生物分子数据
• 数据分析和挖掘
• 开发分析工具和实用软件
➢ 生物分子序列比较工具 ➢ 基因识别工具 ➢ 生物分子结构预测工具 ➢ 基因表达数据分析工具
分离编码与非编码区域 识别内含子与外显子 基因产物预测 基因功能注释 基因调控信息分析
序列比较 多重序列比对 识别保守的序列模式 进化分析
二级结构、空间结构预测 三维结构比对 蛋白质几何学度量 表面和形态计算 分子间相互作用分析 分子模拟
标注重复序列 基因结构分析 系统发生分析 基因与疾病的连锁分析 基因组比较 遗传语言分析
人类基因组：
含有约3万个 基因
2020/2/28
45
HGP 历史回顾
1984.12 犹他州阿尔塔组织会议，初步研讨测定人类整个基 因组DNA序列的意义
1986.3 杜尔贝科(Dulbecco )在《Science》撰文 “肿瘤研 究的转折点:人类基因组的测序”
美国能源部(DOE)提出“人类基因组计划”草案 1987 美国能源部和国家卫生研究院（NIH）联合为“人 类
25
生物分子数据类型
DNA序列数据
最基本
生
蛋白质序列数据
物
分
子
生物分子结构数据
信
息
生物分子功能数据
2020/2/28
直观
复杂
26
遗传密码
DNA 核酸序列
蛋白质 氨基酸序列
蛋白质 结构
蛋白质 功能
最基本的 生物信息
生命体系千姿 百态的变化
2020/2/28
生物分子数据及其关系
维持生命活 动的机器
27
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
2020/2/28
37
关于生物信息学发展历程中的重要大事， 请参见下面两个网站的介绍：
/Education /BLASTinfo/milestones.html、
达模式相关分析基因表 基因调控网络分析 表达调控信息分析
表1.1 至2001年初已经得到的各类数据及基本数据处理任务 33
生物信息学研究意义
• 认识生物本质
– 了解生物分子信息的组织和结构，破译基因组 信息，阐明生物信息之间的关系。
• 改变生物学的研究方式
– 改变传统研究方式，引进现代信息学方法
• 在医学上的重要意义
人类基因组 计划的 推动
生物信息学 基本思想的产生
二十世纪 50年代
2020/2/28
生物信息学 的迅速发展
二十世纪 80-90年代
36
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
阐明人类基因组全部DNA序列； 识别基因； 建立储存这些信息的数据库； 开发数据分析工具； 研究HGP实施所带来的伦理、法律和社会问题。
2020/2/28
48
1995 1996
第一个自由生物体流感嗜血菌(H. inf)的全基因组测序完成 完成人类基因组计划的遗传作图 启动模型生物基因组计划
H.Inf 全基因组
2020/2/28
43
DNA、基因、基因组
生命活动三要素：物质、能量、信息
DNA: 遗传物质(遗传信息的载体) 双螺旋结构
A, C, G, T四种基本字符的复杂文本
基因（Gene）：具有遗传效应的DNA分子片段
2020/2/28
44
基因组(Genome)：包含细胞或生物体的全套遗传信息的全
部遗传物质 原核生物(细菌、病毒等) 真核生物(真菌、植物、动物等)
2020/2/28
42
为什么提出HGP？
1961年，美国总统Kennedy提出两个科学计划：
登月计划
“我们选择登月”
(1962年Kennedy在Rice大学演讲)
攻克肿瘤计划 人类遗传信息的复杂性
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
2020/2/28
Saccharomyces cerevisiae 酿酒酵母
Caenorhabditis elegans 秀丽线虫
49
1997 大肠杆菌(E. coli)全基因组测序完成 1998 完成人类基因组计划的物理作图
开始人类基因组的大规模测序
赛立拉（Celera）公司加入，与公共领域竞争 启动水稻基因组计划
生物信息学
主讲教师: 高雪峰
E-mail：gaoxf@
吉林大学生命科学学院
2020/2/28
1
课程安排
1、时间：每周一下午5～8节 教室：第三教学楼第二阶梯教室 学时：每周4学时（总计44=16学时）
2、学分：2学分
3、成绩考核方式（笔试）
4、E-mail: gaoxf@ （办公室地址：理三341室）
生物分子
数据
+
计算机 计算
2020/2/28
10
高性能计算服务器，图形工作站
2020/2/28
11
高端的计算集群
2020/2/28
12
高度灵活的可扩展的计算集群
2020/2/28
13
2020/2/28
14
2、生物分子信息
分子
生物信息的载体
细胞
2020/2/28
存贮、复制、传递和表达 遗传信息的系统
2020/2/28
24
(3) DNA分子和蛋白质分子 都含有进化信息
• 通过比较相似的蛋白质序列，如肌红蛋白
和血红蛋白，可以发现由于基因复制而产 生的分子进化证据。
• 通过比较来自于不同种属的同源蛋白质，
即直系同源蛋白质，可以分析蛋白质甚至 种属之间的系统发生关系，推测它们共同 的祖先蛋白质。
2020/2/28
/bioinformatics/。
2020/2/28
38
生物信息学发展现状
9000
2%
PubMed中与生物信息学相关论文统计
2020/2/28
39
第三节 人类基因组计划和基因组信息学
1、人类基因组计划简介
人类基因组计划准备用15年时间， 投入30亿美元，完成人类全部24 条染色体的3×109脱氧核苷酸对 (bp)的序列测定，主要任务包括 作图(遗传图谱、物理图谱的建立 及转录图谱的绘制)、测序和基因 识别。其中还包括模型生物(如大 肠杆菌、酵母、线虫、小鼠等)基 因组的作图和测序，以及信息系统
2020/2/28
32
数据源 DNA序列 蛋白质序列 大分子结构
基因组
基因表达
2020/2/28
数据量
生物信息学任务
11.5百万条序列 125.0 亿个碱基
40.0万条序列（每条序列平均有300 氨基酸 ）
1.5 万个结构 （每个结构平均1000个原子坐标）
300个基因组
酵母6000个基因 在约20时间点表达值
1999.7 第5届国际公共领域人类基因组测序会议，加快测序速度
47
HGP的最初目标通过国际合作，用15年时间(1990～2005)至少投入
30亿美元，构建详细的人类基因组遗传图和物理图，确定人类DNA的 全部核苷酸序列，定位约10万基因，并对其它生物进行类似研究。 4张图：遗传图
物理图
序列图
基因图
HGP的终极目标
– 为疾病的诊断和治疗提供依据
– 为设计新药提供依据
生物信息学将是21世纪生物学的核心
2020/2/28
34
主要研究内容
破译遗传语言、识别基因 预测蛋白质结构和功能 认识生物界信息存贮和传递的本质 研究药物作用机制和开发新药
2020/2/28
35
第二节 生物信息学的发展历史
生物科学和 技术的 发展
2020/2/28
30
实验
收集
数据
信息 知识
表示 刻画特征
分析 比较
建模 推理
应用
基因工程
蛋白质设计
疾病诊断 疾病治疗 开发新药
生物分子信息处理流程
2020/2/28
31
分子生物学的三大核心数据库
• GenBank核酸序列数据库 • SWISS-PROT蛋白质序列数据库 • PDB生物大分子结构数据库
6、《简明生物信息学》
钟扬
复旦大学
高等教育出版社
2020/2/28
3
第一章 生物信息学引论
2020/2/28
4
简介
一．引言 二．生物信息学的发展历史 三．人类基因组计划和基因组信息学 四．蛋白质结构与功能关系的研究 五．目前生物信息学主要研究内容 六．生物信息学所用的方法和技术
2020/2/28
命
的存贮、传递和胞、组织、器官的生理、病理 、药理过程的中各种生物信息
息 科 学
2020/2/28
8
概念（狭义）
生物分子信息的获取、存贮、分析和利用
分子生物信息学 Molecular
Bioinformatics
生物 分子数据
2020/2/28
获取 挖掘
深层次 生物学知识
9
Bioinformatics
2020/2/28
2
参考文献
1、《生物信息学概论》
罗静初 北京大学 北京大学出版社
2、《生物信息学》
D.R. Westhead
科学出版社
3、《生物信息学—基因和蛋白质分析的使用指南》
李衍达 清华大学 清华大学出版社
4、《生物信息学中的计算机技术》
孙超
中国电力出版社
5、《生物信息学手册》
郝柏林 中科院物理所 上海科学技术出版社
的建立。作图和测序是基本的任务，
在此基础上解读和破译生物体生老 病死以及和疾病相关的遗传信息
2020/2/28
40
模式生物
酵母
老鼠
2020/2/28
大肠杆菌
线虫
果蝇
41
20世纪 三大科学计划
曼哈顿原子弹计划 （1942-46）
阿波罗登月计划 (1961-69)
人类基因组计划 (1990-2003)
2020/2/28
20
(1)遗传信息的载体——DNA
遗传信息的载体主要是DNA
2020/2/28
控制生物体性状的基因是一 系列DNA片段
生物体生长发育的本质就是遗 传信息的传递和表达
21
DNA通过自我复制，在生物体的繁衍过 程中传递遗传信息
基因通过转录和翻译，使遗传信息在生物 个体中得以表达，并使后代表现出与亲代 相似的生物性状。
15
• 生物信息学主要研究两种信息载体
– DNA分子 – 蛋白质分子
2020/2/28
16
2020/2/28
17
Protein Machines
2020/2/28
18
From the Cell to Protein Machines
2020/2/28
19
生物分子至少携带着三种信息
– 遗传信息 – 与功能相关的结构信息 – 进化信息
• 第一部遗传密码已被破译，但对密码的
转录过程还不清楚，对大多数DNA非编
码区域的功能还知之甚少
• 对于第二部密码，目前则只能用统计学
的方法进行分析
• 无论是第一部遗传密码，还是第二部遗
传密码，都隐藏在大量的生物分子数据
之中。
生物分子数据是宝藏，生物信息数据库是金矿，等待我们去挖掘和利用。
2020/2/28
基因组计划”下拨启动经费约550万美元 1989 美国成立“国家人类基因组研究中心”，Watson担 任
第一任主任
1990.10 经美国国会批准，人类基因组计划正式启动
2020/2/28
James Watson
Walter Gilbert 46
2020/2/28
尽管比之于人类登月，HGP的投入资金 要少得多，但HGP对人类生活的影响要 更为深远。因为随着这个计划的完成， DNA分子中编码的遗传信息将对人类存 在的化学基础作出最终的回答。这将不 仅帮助我们理解我们是如何作为健康的 人发挥正常功能的，而且也将在化学水 平上解释遗传因子在各种疾病，如癌症、 早老痴呆症、精神分裂症等一些严重危 害人类健康的疾病中的作用。毕竟对人 类自身更深入的了解是人类活动中最重 要的一个部分。
5
第一节 引言
化学
物理
生命信息的组织、 传递、表达
分子 生物学
2020/2/28
信息技术
遗传学
6
1、 生物信息学概念
HGP 生物数据的激增 （每15个月翻一番）
生物学家
数学家
计算机 科学家
2020/2/28
生物信息学 （bioinfomatics)
的诞生
7
概念（广义）
信息科学
生
生物体系和过程中信息
基因控制着蛋白质的合成
转录
DNA
翻译
RNA
蛋白 质
2020/2/28
22
基因的DNA序列
对
遗
应
传
关
密
系
码
蛋白质序列
2020/2/28
DNA 前体RNA mRNA
多肽链 23
(2)蛋白质的结构决定其功能
• 蛋白质功能取决于蛋白质的空间结构
• 蛋白质结构决定于蛋白质的序列（这是
目前基本共认的假设），蛋白质结构的 信息隐含在蛋白质序列之中。
28
生物分子信息的特征
• 生物分子信息数据量大 • 生物分子信息复杂 • 生物分子信息之间存在着密切的联系
2020/2/28
29
3、生物信息学的目标和任务
• 收集和管理生物分子数据
• 数据分析和挖掘
• 开发分析工具和实用软件
➢ 生物分子序列比较工具 ➢ 基因识别工具 ➢ 生物分子结构预测工具 ➢ 基因表达数据分析工具
分离编码与非编码区域 识别内含子与外显子 基因产物预测 基因功能注释 基因调控信息分析
序列比较 多重序列比对 识别保守的序列模式 进化分析
二级结构、空间结构预测 三维结构比对 蛋白质几何学度量 表面和形态计算 分子间相互作用分析 分子模拟
标注重复序列 基因结构分析 系统发生分析 基因与疾病的连锁分析 基因组比较 遗传语言分析
人类基因组：
含有约3万个 基因
2020/2/28
45
HGP 历史回顾
1984.12 犹他州阿尔塔组织会议，初步研讨测定人类整个基 因组DNA序列的意义
1986.3 杜尔贝科(Dulbecco )在《Science》撰文 “肿瘤研 究的转折点:人类基因组的测序”
美国能源部(DOE)提出“人类基因组计划”草案 1987 美国能源部和国家卫生研究院（NIH）联合为“人 类
25
生物分子数据类型
DNA序列数据
最基本
生
蛋白质序列数据
物
分
子
生物分子结构数据
信
息
生物分子功能数据
2020/2/28
直观
复杂
26
遗传密码
DNA 核酸序列
蛋白质 氨基酸序列
蛋白质 结构
蛋白质 功能
最基本的 生物信息
生命体系千姿 百态的变化
2020/2/28
生物分子数据及其关系
维持生命活 动的机器
27
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
2020/2/28
37
关于生物信息学发展历程中的重要大事， 请参见下面两个网站的介绍：
/Education /BLASTinfo/milestones.html、
达模式相关分析基因表 基因调控网络分析 表达调控信息分析
表1.1 至2001年初已经得到的各类数据及基本数据处理任务 33
生物信息学研究意义
• 认识生物本质
– 了解生物分子信息的组织和结构，破译基因组 信息，阐明生物信息之间的关系。
• 改变生物学的研究方式
– 改变传统研究方式，引进现代信息学方法
• 在医学上的重要意义
人类基因组 计划的 推动
生物信息学 基本思想的产生
二十世纪 50年代
2020/2/28
生物信息学 的迅速发展
二十世纪 80-90年代
36
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
阐明人类基因组全部DNA序列； 识别基因； 建立储存这些信息的数据库； 开发数据分析工具； 研究HGP实施所带来的伦理、法律和社会问题。
2020/2/28
48
1995 1996
第一个自由生物体流感嗜血菌(H. inf)的全基因组测序完成 完成人类基因组计划的遗传作图 启动模型生物基因组计划
H.Inf 全基因组
2020/2/28
43
DNA、基因、基因组
生命活动三要素：物质、能量、信息
DNA: 遗传物质(遗传信息的载体) 双螺旋结构
A, C, G, T四种基本字符的复杂文本
基因（Gene）：具有遗传效应的DNA分子片段
2020/2/28
44
基因组(Genome)：包含细胞或生物体的全套遗传信息的全
部遗传物质 原核生物(细菌、病毒等) 真核生物(真菌、植物、动物等)
2020/2/28
42
为什么提出HGP？
1961年，美国总统Kennedy提出两个科学计划：
登月计划
“我们选择登月”
(1962年Kennedy在Rice大学演讲)
攻克肿瘤计划 人类遗传信息的复杂性
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
2020/2/28
Saccharomyces cerevisiae 酿酒酵母
Caenorhabditis elegans 秀丽线虫
49
1997 大肠杆菌(E. coli)全基因组测序完成 1998 完成人类基因组计划的物理作图
开始人类基因组的大规模测序
赛立拉（Celera）公司加入，与公共领域竞争 启动水稻基因组计划
生物信息学
主讲教师: 高雪峰
E-mail：gaoxf@
吉林大学生命科学学院
2020/2/28
1
课程安排
1、时间：每周一下午5～8节 教室：第三教学楼第二阶梯教室 学时：每周4学时（总计44=16学时）
2、学分：2学分
3、成绩考核方式（笔试）
4、E-mail: gaoxf@ （办公室地址：理三341室）
生物分子
数据
+
计算机 计算
2020/2/28
10
高性能计算服务器，图形工作站
2020/2/28
11
高端的计算集群
2020/2/28
12
高度灵活的可扩展的计算集群
2020/2/28
13
2020/2/28
14
2、生物分子信息
分子
生物信息的载体
细胞
2020/2/28
存贮、复制、传递和表达 遗传信息的系统
2020/2/28
24
(3) DNA分子和蛋白质分子 都含有进化信息
• 通过比较相似的蛋白质序列，如肌红蛋白
和血红蛋白，可以发现由于基因复制而产 生的分子进化证据。
• 通过比较来自于不同种属的同源蛋白质，
即直系同源蛋白质，可以分析蛋白质甚至 种属之间的系统发生关系，推测它们共同 的祖先蛋白质。
2020/2/28
/bioinformatics/。
2020/2/28
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生物信息学发展现状
9000
2%
PubMed中与生物信息学相关论文统计
2020/2/28
39
第三节 人类基因组计划和基因组信息学
1、人类基因组计划简介
人类基因组计划准备用15年时间， 投入30亿美元，完成人类全部24 条染色体的3×109脱氧核苷酸对 (bp)的序列测定，主要任务包括 作图(遗传图谱、物理图谱的建立 及转录图谱的绘制)、测序和基因 识别。其中还包括模型生物(如大 肠杆菌、酵母、线虫、小鼠等)基 因组的作图和测序，以及信息系统
2020/2/28
32
数据源 DNA序列 蛋白质序列 大分子结构
基因组
基因表达
2020/2/28
数据量
生物信息学任务
11.5百万条序列 125.0 亿个碱基
40.0万条序列（每条序列平均有300 氨基酸 ）
1.5 万个结构 （每个结构平均1000个原子坐标）
300个基因组
酵母6000个基因 在约20时间点表达值
1999.7 第5届国际公共领域人类基因组测序会议，加快测序速度