生物基因组序列比对分析.pptx
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生物基因组序列比对分析
生物基因组序列比对分析
•（4）评价所建立的树，分析其生物学意义
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生物基因组序列比对分析
• 第二部分：兔肝脱氧核糖核酸（DNA）的提取和测定
• 实验目的
➢ 学习从动物组织中提取DNA及其含量、纯度测定的原理和方法 ➢ 掌握离心机及岛津UV-120的使用方法
•实验原理
•利用脱氧核糖核酸蛋白和核糖核酸在电解质中不同的溶解度使二者分离，在 0.15M的氯化钠溶液中脱氧核糖核酸蛋白的溶解度最低。相反，核糖核蛋白能在 0.15M氯化钠中溶解，因此可利用不同浓度的氯化钠溶液将核酸核蛋白、脱氧核 糖核酸蛋白解离出来，而蛋白质变性沉淀，再用氯仿－异丙醇抽提，将蛋白质沉 淀除去，而DNA则溶解。
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生物基因组序列比对分析
➢ 比较作图就是利用共同的遗传标记（主要是分子标记、基因的cDNA克隆以及基因组 克隆）对相关物种进行物理或遗传作图，比较这些标记在不同物种基因组中的分布情 况，提示染色体或染色体片段上的同线性（synteny）或共线性（collinearity），从 而对不同物种的基因组结构及基因组进化历程进行精确分析。基因组比较作图的研究， 不仅提示了同属甚至同科物种基因组间的同源性和差异性，对不同物种在起源、演化 过程中的变化的研究具有巨大的启示作用 。
➢ 比较作图的研究意义在于：一、根据不同种的基因组基因及其排列顺序的高度保守特 点绘制而成的比较图，可以研究和探明它们的进化线索。广泛的比较作图可为多个种 所用，建立它们之间的联系框架或系统。
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生物基因组序列比对分析
•基因组比对软件
•Mauve
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•VISTA
•/vista/index.shtml
> 1.8 RNA含量高 < 1.8 蛋白含量高
•（4）评价所建立的树，分析其生物学意义
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生物基因组序列比对分析
• 第二部分：兔肝脱氧核糖核酸（DNA）的提取和测定
• 实验目的
➢ 学习从动物组织中提取DNA及其含量、纯度测定的原理和方法 ➢ 掌握离心机及岛津UV-120的使用方法
•实验原理
•利用脱氧核糖核酸蛋白和核糖核酸在电解质中不同的溶解度使二者分离，在 0.15M的氯化钠溶液中脱氧核糖核酸蛋白的溶解度最低。相反，核糖核蛋白能在 0.15M氯化钠中溶解，因此可利用不同浓度的氯化钠溶液将核酸核蛋白、脱氧核 糖核酸蛋白解离出来，而蛋白质变性沉淀，再用氯仿－异丙醇抽提，将蛋白质沉 淀除去，而DNA则溶解。
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生物基因组序列比对分析
➢ 比较作图就是利用共同的遗传标记（主要是分子标记、基因的cDNA克隆以及基因组 克隆）对相关物种进行物理或遗传作图，比较这些标记在不同物种基因组中的分布情 况，提示染色体或染色体片段上的同线性（synteny）或共线性（collinearity），从 而对不同物种的基因组结构及基因组进化历程进行精确分析。基因组比较作图的研究， 不仅提示了同属甚至同科物种基因组间的同源性和差异性，对不同物种在起源、演化 过程中的变化的研究具有巨大的启示作用 。
➢ 比较作图的研究意义在于：一、根据不同种的基因组基因及其排列顺序的高度保守特 点绘制而成的比较图，可以研究和探明它们的进化线索。广泛的比较作图可为多个种 所用，建立它们之间的联系框架或系统。
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生物基因组序列比对分析
•基因组比对软件
•Mauve
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•VISTA
•/vista/index.shtml
> 1.8 RNA含量高 < 1.8 蛋白含量高
基因组测序与序列PPT课件
集中分布于染色体的特定区段（如端粒，着丝粒等）
也称卫星DNA
➢ 中度重复顺序： 一般分散于整个基因组中； 长度和拷贝数差别很大
➢ 单一顺序： 基因主要位于单一顺序
动物中单一顺序约占50％ 植物中单一顺序约占20％
.
7
顺序复杂性
❖ DNA 的复性 遵循二级反应动力学，可表述为： dCt / dt = -KC02 反应达 t 时，单链DNA浓度 = Ct C0 = 单链 DNA起始浓度 K＝ 复性速度常数
1 ATAC G TTA
2 2GCTGTAT GTAAGT CAT
4 C4GATCTGA GT TAATG A
3 3TA C G T TA G A
5 G TTAG ATC
1 ATAC G TTA
3 TACGTTAG
4 ACGTTAGA
2
C G TTAG AT
5
G TTAG ATC
计算机分析杂交图象 并由探针的重叠情况 推导样品的核酸序列
.
4
什么是C 值？
▪通常是指一种生物单倍体基因组DNA的 总量.
在真核生物中，C值一般随着生物的进化而 增加，高等生物C值一般大于低等生物。
C值悖理：
生物的复杂性与基因组的大小并不完全成比 例增加
.
5
阴影部分为一个门内C-值的范围
动物Leabharlann 真菌 等细菌.
6
重复顺序
➢ 高度重复顺序： 长度：几个——几千个bp 拷贝数：几百个——上百万个 首尾相连，串联排列
↓ 电泳,读取DNA的核苷酸顺序
.
23
Maxam-Gilbert 法所用的化学技术
碱基 G
A+G
C+T C
也称卫星DNA
➢ 中度重复顺序： 一般分散于整个基因组中； 长度和拷贝数差别很大
➢ 单一顺序： 基因主要位于单一顺序
动物中单一顺序约占50％ 植物中单一顺序约占20％
.
7
顺序复杂性
❖ DNA 的复性 遵循二级反应动力学，可表述为： dCt / dt = -KC02 反应达 t 时，单链DNA浓度 = Ct C0 = 单链 DNA起始浓度 K＝ 复性速度常数
1 ATAC G TTA
2 2GCTGTAT GTAAGT CAT
4 C4GATCTGA GT TAATG A
3 3TA C G T TA G A
5 G TTAG ATC
1 ATAC G TTA
3 TACGTTAG
4 ACGTTAGA
2
C G TTAG AT
5
G TTAG ATC
计算机分析杂交图象 并由探针的重叠情况 推导样品的核酸序列
.
4
什么是C 值？
▪通常是指一种生物单倍体基因组DNA的 总量.
在真核生物中，C值一般随着生物的进化而 增加，高等生物C值一般大于低等生物。
C值悖理：
生物的复杂性与基因组的大小并不完全成比 例增加
.
5
阴影部分为一个门内C-值的范围
动物Leabharlann 真菌 等细菌.
6
重复顺序
➢ 高度重复顺序： 长度：几个——几千个bp 拷贝数：几百个——上百万个 首尾相连，串联排列
↓ 电泳,读取DNA的核苷酸顺序
.
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Maxam-Gilbert 法所用的化学技术
碱基 G
A+G
C+T C
基因组序列信息分析(2)精品PPT课件
➢HGP的内容就是制作高分辨率的人类遗传图和物理 图，最终完成人类和其它重要模式生物全部基因组 DNA序列测定，因此HGP属于结构基因组学范畴。
HGP主要任务及内容
遗传图 指基因根据重组频率在染色体上的线性排列或分
人
布。以遗传标志（如微卫星）为“路标”，以遗
类
传学（重组）距离为图距的基因组图。图距单位
• 比较基因组学:在基因组图谱和序列分析的基础上，对 已知基因和基因的结构进行比较，了解基因的功能， 表达调控机制和物种进化过程的学科
• SNP 预测
SNP是Single Nucleotide Polymorphism的缩写，即 单核苷酸多态性。如果一个碱基位置发生的变异在1%以上 的人群存在，这个位点就被定义为SNP
“Human Physical Mapping Project” (人类物 理图谱项目) “感兴趣图” “ Pop-up ”
鼠类图谱来源
❖ The Whitehead Institute/MIT Center fo
r Genome Research （分辨率1.1 cm）
“Mouse Genetic and Physical Mapping Project” (鼠类基因图和物理图谱项目) “鼠类STS物理图 谱”
❖ European Collaborative Interspecific L
aboratory（分辨率0.3 cm）
❖ The Mouse Genome Database (MGD)
“Mouse Genome Informatics ” “Mous
人类和鼠类公共物理图谱数据库使用
• 基因组比较
基因组序列信息分析
教学目的要求
掌握：一些与基因组序列分析有关的基本概念
HGP主要任务及内容
遗传图 指基因根据重组频率在染色体上的线性排列或分
人
布。以遗传标志（如微卫星）为“路标”，以遗
类
传学（重组）距离为图距的基因组图。图距单位
• 比较基因组学:在基因组图谱和序列分析的基础上，对 已知基因和基因的结构进行比较，了解基因的功能， 表达调控机制和物种进化过程的学科
• SNP 预测
SNP是Single Nucleotide Polymorphism的缩写，即 单核苷酸多态性。如果一个碱基位置发生的变异在1%以上 的人群存在，这个位点就被定义为SNP
“Human Physical Mapping Project” (人类物 理图谱项目) “感兴趣图” “ Pop-up ”
鼠类图谱来源
❖ The Whitehead Institute/MIT Center fo
r Genome Research （分辨率1.1 cm）
“Mouse Genetic and Physical Mapping Project” (鼠类基因图和物理图谱项目) “鼠类STS物理图 谱”
❖ European Collaborative Interspecific L
aboratory（分辨率0.3 cm）
❖ The Mouse Genome Database (MGD)
“Mouse Genome Informatics ” “Mous
人类和鼠类公共物理图谱数据库使用
• 基因组比较
基因组序列信息分析
教学目的要求
掌握：一些与基因组序列分析有关的基本概念
基因组序列比对分析及相关软件的使用PPT共34页
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。ห้องสมุดไป่ตู้
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
基因组序列比对分析及相关软件的使用 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
生物信息学：第五讲BLAST序列比对PPT课件
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例2：对给定的olfactory receptor基因进行blastn,目 标数据库为nt,物种为Eukaryota
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15精Biblioteka ppt16精选ppt
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作业：对给定的2个基因(test1,test2)分别进行 blastn, blastp, tblastn, tblastx, blastx
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感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络， 如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！
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对给定的2个基因test1test2分别进行blastnblastptblastntblastxblastx感谢亲观看此幻灯片此课件部分内容来源于网络如有侵权请及时联系我们删除谢谢配合
第五讲：BLAST 序列比对
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1
1. Basic Local Alignment Search Tool
2. Compare a query sequence to all the sequences in a specified database
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2
BLAST的常用种类（详细见教材）： 1、blastn 2、blastp 3、tblastn 4、blastx 5、tblastx
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3
例1：对给定的opsin蛋白进行blastp,目标数据库为 nt,物种为Eukaryota
基因组信息分析PPT课件
GC含量
碱基G、C相对于A、T的丰度很早就被看作是区分细菌基因组的特征之一 .不同的原核生物中,GC含量(GC content)从25﹪到75﹪,变化非常大。 大部分细菌是通过从其它生物体大规模获得基因(长度为几万甚至几十万个核苷酸)而进化的(水平转移).简而言之,许多细菌基因组表现为具有不同GC含量的区域的组合物,这些区域反映了细菌的进化历史。
G
0.1751306272192
T
0.3248693727808
酵母基因组核苷酸出现频率
在统计过程中,如果同时计算DNA的正反两条链,则根据碱基配对原则,A和T、C和G的出现频率相同。如果仅统计一条链,则虽然A和T、C和G的出现频率不同,但是非常接近。
核苷酸
频率
A
0.344
C
0.155
G
等值区
定义:具有一致碱基组成的长区域 特征 :等值区基因组序列的长度超过1,000,000对碱基虽然不同的等值区其GC含量差别显著,但同一等值区的GC含量始终相对均衡 人类基因组大约可以划分为五个不同类型的等值区:a) L1和L2,平均GC含量分别为39﹪和42﹪(欠GC)) b) H1、H2和H3,GC含量平均值分别为46﹪、49﹪和54﹪ (丰GC)
科学家对这本天书了解最多的部分就是遗传密码 或者说掌握了DNA对蛋白质编码的规律 关于密码子(1)密码子的使用是非随机的 如果密码子的第一、第二位碱基是A、U, 那么第三位将尽可能使用G、C;反之亦然。 如果三位都用G、C,则配对容易,分解难; 三位都用A、U,则相反。 一般地说,高表达的基因,要求翻译速度快, 要求密码子和反密码子配对快、分手也快。
基因结构复杂
基因转录调控方式复杂
真核基因的表达涉及多种RNA聚合酶。与原核生物只使用一种由多个蛋白聚合而成的RNA聚合酶不同,真核生物至少使用由8到12个蛋白组成的三种不同类型的RNA聚合酶。RNA 聚合酶I和III负责转录生成RNA分子,这些分子本身执行重要的功能,在所有的真核细胞中需要始终保持相当恒定的水平。RNA聚合酶II专门负责转录编码蛋白质的基因。 RNA聚合酶II识别的启动子序列的多样性反映了区别基因的复杂程度,即在特定类型的细胞中和在特定的时间,区别哪些基因该表达而哪些基因不该表达。
碱基G、C相对于A、T的丰度很早就被看作是区分细菌基因组的特征之一 .不同的原核生物中,GC含量(GC content)从25﹪到75﹪,变化非常大。 大部分细菌是通过从其它生物体大规模获得基因(长度为几万甚至几十万个核苷酸)而进化的(水平转移).简而言之,许多细菌基因组表现为具有不同GC含量的区域的组合物,这些区域反映了细菌的进化历史。
G
0.1751306272192
T
0.3248693727808
酵母基因组核苷酸出现频率
在统计过程中,如果同时计算DNA的正反两条链,则根据碱基配对原则,A和T、C和G的出现频率相同。如果仅统计一条链,则虽然A和T、C和G的出现频率不同,但是非常接近。
核苷酸
频率
A
0.344
C
0.155
G
等值区
定义:具有一致碱基组成的长区域 特征 :等值区基因组序列的长度超过1,000,000对碱基虽然不同的等值区其GC含量差别显著,但同一等值区的GC含量始终相对均衡 人类基因组大约可以划分为五个不同类型的等值区:a) L1和L2,平均GC含量分别为39﹪和42﹪(欠GC)) b) H1、H2和H3,GC含量平均值分别为46﹪、49﹪和54﹪ (丰GC)
科学家对这本天书了解最多的部分就是遗传密码 或者说掌握了DNA对蛋白质编码的规律 关于密码子(1)密码子的使用是非随机的 如果密码子的第一、第二位碱基是A、U, 那么第三位将尽可能使用G、C;反之亦然。 如果三位都用G、C,则配对容易,分解难; 三位都用A、U,则相反。 一般地说,高表达的基因,要求翻译速度快, 要求密码子和反密码子配对快、分手也快。
基因结构复杂
基因转录调控方式复杂
真核基因的表达涉及多种RNA聚合酶。与原核生物只使用一种由多个蛋白聚合而成的RNA聚合酶不同,真核生物至少使用由8到12个蛋白组成的三种不同类型的RNA聚合酶。RNA 聚合酶I和III负责转录生成RNA分子,这些分子本身执行重要的功能,在所有的真核细胞中需要始终保持相当恒定的水平。RNA聚合酶II专门负责转录编码蛋白质的基因。 RNA聚合酶II识别的启动子序列的多样性反映了区别基因的复杂程度,即在特定类型的细胞中和在特定的时间,区别哪些基因该表达而哪些基因不该表达。
基因组学数据分析 ppt课件
➢ 四个必需参数 -p program_name,程序名，根据数据库及搜索文件序列性质进行选择； -d database_name,数据库名称,比对完成格式化的数据库； -i input_file,搜索文件名称； -o output_file,BLAST结果文件名称；
➢ 两个常用参数 -e expectation，期待值,默认值为10.0，可采用科学计数法来表示，如2e-5； -m alignment view options:比对显示选项，其具体的说明可以用以下的比对实例
Nucleotide
Nucleotide 比较核酸序列和核酸序
列数据库，经过两次动
态转换为六个读码框的 结果
基因组学数据分析
转译搜索序列与数据 库序列
以Blastx为例：
目标序列为ATG AGT ACC GCT AAA TTA GTT AAA TCA AAA GCG ACC AAT CTG CTT TAT ACC CGC
• 格式化数据库db“formatdb -i db -p T”
基因组学数据分析
实习一
基因组数据注释和功能分析
陈辰
浙江加州国际纳米技术研究院（ZCNI）
基因组学数据分析
实习一 实习二 实习三 实习四 实习五 实习六
课程内容
基因组数据注释和功能分析 核苷酸序列分析 芯片的基本数据处理和分析 蛋白质结构与功能分析 蛋白质组学数据分析 系统生物学软件实习
基因组学
系
说明
例：blastall -p blastx -d db -i in -o out -e 2e-5 -m 9 (表格显示比对结果)
采用blastx程序，将in中的序列到数据库bd中进行比对， 结果以表格形式输入到基o因ut组文学件数据分析
➢ 两个常用参数 -e expectation，期待值,默认值为10.0，可采用科学计数法来表示，如2e-5； -m alignment view options:比对显示选项，其具体的说明可以用以下的比对实例
Nucleotide
Nucleotide 比较核酸序列和核酸序
列数据库，经过两次动
态转换为六个读码框的 结果
基因组学数据分析
转译搜索序列与数据 库序列
以Blastx为例：
目标序列为ATG AGT ACC GCT AAA TTA GTT AAA TCA AAA GCG ACC AAT CTG CTT TAT ACC CGC
• 格式化数据库db“formatdb -i db -p T”
基因组学数据分析
实习一
基因组数据注释和功能分析
陈辰
浙江加州国际纳米技术研究院（ZCNI）
基因组学数据分析
实习一 实习二 实习三 实习四 实习五 实习六
课程内容
基因组数据注释和功能分析 核苷酸序列分析 芯片的基本数据处理和分析 蛋白质结构与功能分析 蛋白质组学数据分析 系统生物学软件实习
基因组学
系
说明
例：blastall -p blastx -d db -i in -o out -e 2e-5 -m 9 (表格显示比对结果)
采用blastx程序，将in中的序列到数据库bd中进行比对， 结果以表格形式输入到基o因ut组文学件数据分析
序列的比对分析PPT课件
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原始数据多 序列比对结果
对序列中每个 位置重复抽样， 基于原比对结果 生成多个样本
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树上的数字为Bootstrap 校验值，表示该分支通过 Bootstrap校验的次数占 总次数的百分比，该数值 越大，即表示构建进化树 的可信度越高；大于70的 Bootstrap值较为可信。
由核酸酶蛋白序列构建的系统进 化树基本反映了这些物种的亲缘 关系；在人和黑猩猩等亲缘关系 较近的物种中胰腺核酸酶基因只 有一个拷贝。而叶猴胰腺核酸酶 有两个拷贝紧密聚类在一起，推 测是由于种内基因重复产生； leaf monkey 2树枝长度远大于 leaf monkey1，表明该拷贝蛋白 质序列发生了快速变化。
输入“more db”-〉回车察看db文件内容
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12
输入“formatdb -i db -p T”-〉回车 对db数据库进行格式化
.
13
输入“dir”-〉回车 察看bin文件夹下内容
格式化以后产生的文件
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输入“blastall -p blastx -i in -d db -o out -e 2e-5 -m 9” -〉回车 运行blastx程序
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构建系统进化树
• MEGA5 工具栏中的Phylogeny提供5种常用系统进化 树的构建方法：
• Maximum Likelihood, ML最大似然法
• Neighbor-Joining，NJ 临位连接法
• Minimum-Evolution，ME 最小进化法
双击安装到C盘 产生三个文件夹 •bin •data •doc
生物基因组序列比对分析
生物基因组序列比对分析生物基因组序列比对分析是一种重要的分子生物学方法，用于研究基因组序列之间的相似性和差异性，以及基因组结构与功能的关系。
通过对不同物种的基因组序列进行比对分析，可以揭示物种间的进化关系以及生物多样性的形成过程。
本文将从比对分析的原理、方法和应用等方面进行阐述。
一、比对分析的原理和方法1.序列预处理：指对原始基因组序列进行去噪、去冗余、去低质量等处理，以提高比对的准确性和效率。
2. 比对算法选择和参数设置：常用的比对算法包括BLAST、BWA、Bowtie等。
不同的比对算法适用于不同的比对任务，如全基因组比对、区域比对、SNP分析等。
在选择比对算法时，需要根据比对的目的和特点选择合适的算法，并设置相应的参数。
3. 比对结果评估和解析：比对结果一般以比对率、序列一致性、SNP、InDel等指标来评估比对的质量。
根据比对结果可以解析生物基因组序列的相似性和差异性，以及基因组结构和功能的特点。
二、比对分析的应用1.进化关系研究：通过比对不同物种的基因组序列，可以揭示它们之间的进化关系。
比对结果可以用来构建系统发育树，推测物种的进化历史，分析物种的起源和演化过程。
2.物种鉴定和分类：利用比对分析可以对不同物种的基因组序列进行鉴定和分类。
比对结果可以用来鉴定新物种，解析物种的分类地位，筛选分子标记等。
3.基因功能注释：通过比对分析可以对基因组序列进行功能注释。
比对结果可以用来预测基因的编码区域、剪接位点、调控区域等，进一步揭示基因的功能和调控机制。
4.病原微生物检测：通过比对检测样品中的微生物基因组序列，可以快速鉴定病原微生物，分析病原微生物的变异和抗药性基因等，为临床诊断和治疗提供依据。
5.比较基因组学研究：通过比对分析可以对不同个体、品系或亚群体的基因组序列进行比较。
比对结果可以用来筛选差异基因、鉴定功能变异及其与表型相关性等。
三、比对分析的挑战与展望未来，我们可以通过采用更加先进的比对算法和方法，如深度学习、图算法等，来提高比对的准确性和效率。
序列比对PPT课件
第五章 序列比对
本章提要：介绍了序列相似性的概念，列举了
描述DNA和蛋白质序列相似性的计分矩阵。介绍 了序列比较的基本操作—“比对”的概念，以双序 列比对为例详细学习了序列整体比对的 Needleman-Wunsch 算 法 ， 序 列 局 部 比 对 的 SmithWaterman算法。介绍了多序列比对的概念，简要 介绍了几种多序列比对的算法，学习了一个常用 的多序列比对软件—ClustalW的使用和用途。
数
理
与
生
物
工
程
学
院
2021/1/5
BIOINFORMATICS
22
不同类型的字符替换，其代价或得分是不一
样的，特别是对于蛋白质序列。某些氨基酸可以
很容易地相互取代而不用改变它们的理化性质。
例如，考虑这样两条蛋白质序列，其中一条在某
一位置上是丙氨酸，如果该位点被替换成另一个
较小且疏水的氨基酸，比如缬氨酸，那么对蛋白 数
点阵图的噪声，并且可以明确地指出两条序列间具有显著
物 工
相似性的区域。
程
学
院
2021/1/5
BIOINFORMATICS
19
以上讨论了如何利用单元矩阵来构建点阵
图。更加复杂的点阵图可基于不同的计分规则
而构建。这些计分规则规定了不同残基之间相
似性程度的分值。例如，可以根据不同残基之
间在进化关系、空间结构、理化性质等方面的
口沿X轴向右移动一个字符的位置，比较X轴序列的第2
11个字符与Y轴序列的第110个字符。不断重复这个过程，
直到X轴上所有长度为10的子串都与Y轴第110个字符组
成的子串比较过为止。
然后，将Y轴的窗口向上移动一个字符的位置，重复 数
本章提要：介绍了序列相似性的概念，列举了
描述DNA和蛋白质序列相似性的计分矩阵。介绍 了序列比较的基本操作—“比对”的概念，以双序 列比对为例详细学习了序列整体比对的 Needleman-Wunsch 算 法 ， 序 列 局 部 比 对 的 SmithWaterman算法。介绍了多序列比对的概念，简要 介绍了几种多序列比对的算法，学习了一个常用 的多序列比对软件—ClustalW的使用和用途。
数
理
与
生
物
工
程
学
院
2021/1/5
BIOINFORMATICS
22
不同类型的字符替换，其代价或得分是不一
样的，特别是对于蛋白质序列。某些氨基酸可以
很容易地相互取代而不用改变它们的理化性质。
例如，考虑这样两条蛋白质序列，其中一条在某
一位置上是丙氨酸，如果该位点被替换成另一个
较小且疏水的氨基酸，比如缬氨酸，那么对蛋白 数
点阵图的噪声，并且可以明确地指出两条序列间具有显著
物 工
相似性的区域。
程
学
院
2021/1/5
BIOINFORMATICS
19
以上讨论了如何利用单元矩阵来构建点阵
图。更加复杂的点阵图可基于不同的计分规则
而构建。这些计分规则规定了不同残基之间相
似性程度的分值。例如，可以根据不同残基之
间在进化关系、空间结构、理化性质等方面的
口沿X轴向右移动一个字符的位置，比较X轴序列的第2
11个字符与Y轴序列的第110个字符。不断重复这个过程，
直到X轴上所有长度为10的子串都与Y轴第110个字符组
成的子串比较过为止。
然后，将Y轴的窗口向上移动一个字符的位置，重复 数
生物信息学序列比对ppt课件
核苷酸转换矩阵
（三）蛋白质序列比对的替换计分矩阵
等价矩阵 遗传密码矩阵（GCM） 疏水性矩阵（hydrophobic matrix ） PAM矩阵 BLOSUM矩阵
PAM矩阵是从蛋白质序列的全局比对结果推导出来
的，而BLOSUM 矩阵则是从蛋白质序列块（短序 列）比对推导出来的。
用计算机科学的术语来说，比对两个序列就是找出 两个序列的最长公共子序列（longest common subsequence，LCS），它反映了两个序列的最高 相似度。
动态规划法示意 （A）使用动态规划法寻找两个序列的最长公共部分；
（B）动态规划表的填写。
四、序列比对的作用
获得共性序列
序列测序 突变分析 种系分析 保守区段分析 基因和蛋白质功能分析
列比对具有较高效率。最流行的渐进多序列比对软 件是Clustal家族。
ClustalW有以下特点：
首先，在比对中对每个序列赋予一个特殊的权值以
降低高度近似序列的影响和提高相距遥远的序列的 影响（ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ下图）。
ClustalW中对序列赋权的方法
其次，根据序列间进化距离的离异度（divergence） 在比对的不同阶段使用不同的氨基酸替换矩阵； 第三，采用了与特定氨基酸相关的空缺（gap）罚分 函数，对亲水性氨基酸区域中的空缺予以较低的罚分； 第四，对在早期配对比对中产生空缺的位置进行较少 的罚分，对引入空缺和扩展空缺进行不同的罚分。
其他多序列全局比对方法 迭代法
基于一致性的方法
遗传算法
五、多序列局部比对
全局比对，其共同特征是序列中所有对应字符均假
定可以匹配，所有字符具有同等的重要性，空格的
基因组学数据分析.ppt
Protein
Protein
比较氨基酸序列与蛋白 使用取代矩阵寻找较
质数据库
远的关系，进行SEG
过滤
Nucleotide
Nucleotide 比较核酸序列与核酸数 寻找较高分值的匹配，
据库
对较远的关系不太适
用
Nucleotide
Protein
比较核酸序列理论上的 用于新的DNA序列和 六个读码框的所有转换 ESTs的分析，可转 结果和蛋白质数据库 译搜索序列
1. 对contig34进行网上blastn（演示）， 2. blastx（自行操作）比对
本地运行BБайду номын сангаасAST
• 下载NCBI上blast程序： • ftp:///blast/executables/release//bl
ast/executables/release/ • 安装（安装到C:\） • 数据库的格式化（formatdb） • 程序运行（blastall）
The PAM family • Based on global alignments • The PAM1 is the matrix calculated from comparisons of
sequences with no more than 1% divergence. • Other PAM matrices are extrapolated from PAM1.
生 物
学
蛋白质组学
课程提纲
1. 通过序列比对工具BLAST学习，了解 蛋白编码基因的功能注释原理
2. 介绍多序列联配工具ClustalX 3. 分子进化分析软件MEGA4的基本知
识，掌握系统发生树绘制的基本方法
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系统发生树性质：
➢ 理论上，一个D，因此系统发育树一般
末端物种
是二歧的；
中间枝条 节点
➢ 如果是一棵有根树，则树根代表在进化历史上 是最早的、并且与其它所有分类单元都有联系 的分类单元，反映时间顺序；
根
➢ 如果找不到可以作为树根的单元，则系统发生
第一部分：生物基因组序列比对分析、分子进化
➢ 全基因组序列数据的积累,使得不同生物之间的进化关系可以从分子水平上进行研究。 不同于以往单纯依赖于生物形态学特征,这种分析更加深刻更加本质。利用分子序列 使得我们可以研究,从单细胞生物到植物、动物甚至人的进化关系。
➢ 比较基因组学(Comparative Genomics)是基于基因组图谱和测序基础上，对已知的 基因和基因组结构进行比较，来了解基因的功能、表达机理和物种进化的学科。利 用模式生物基因组与人类基因组之间编码顺序上和结构上的同源性，克隆人类疾病 基因，揭示基因功能和疾病分子机制，阐明物种进化关系，及基因组的内在结构。 目前从模式生物基因组研究中得出一些规律：模式生物基因组一般比较小，但编码 基因的比例较高，重复顺序和非编码顺序较少；其GC%比较高；内含子和外显子 的结构组织比较保守，剪切位点在多种生物中一致。
树是无根树，反映距离；
➢ 从根节点出发到任何一个节点的路径指明进化 时间或者进化距离。
基因分子进化分析步骤
（1）以目的基因为种子序列，搜索其在其它物种中的同源序列
（2）将上述同源基因的核酸或蛋白序列作序列比对，Clustal X
（3）构建系统发生树：MEGA，PHYLIP，PAUP
（4）评价所建立的树，分析其生物学意义
二苯胺显色法测定DNA含量
逐滴加入0.5ml 15% SDS
等体积氯仿-异 丙醇混合液
轻搅 10min
加塞反复 倒置抽提
10min
重复 一次
搅拌10min
去塞！离心
加1ml 5M NaCl
吸取上清液 勿吸到中间层！
加约2倍 体积
95% 乙醇
DNA析出
用玻棒挑出
挑取DNA至一离 心管(小烧杯)用10ml
0.01N NaOH溶解
➢ 比较作图就是利用共同的遗传标记（主要是分子标记、基因的cDNA克隆以及基因组 克隆）对相关物种进行物理或遗传作图，比较这些标记在不同物种基因组中的分布情 况，提示染色体或染色体片段上的同线性（synteny）或共线性（collinearity），从 而对不同物种的基因组结构及基因组进化历程进行精确分析。基因组比较作图的研究， 不仅提示了同属甚至同科物种基因组间的同源性和差异性，对不同物种在起源、演化 过程中的变化的研究具有巨大的启示作用 。
分子进化
➢ 一个最基本的假设是地球上所有物种都 有一个共同的祖先，从这个祖先开始以 数状形式发展，通常称为生命之树 （tree of life）。
➢ 分子进化研究的目的：通过序列同源性 的比较，分析序列间的变化进而了解基 因的进化以及生物系统发生的内在规律。
➢ 分子进化有两个主要研究对象，以全基 因组序列为研究对象分析物种进化；以 某基因在多个物种的同源序列为研究对 象分析基因的进化
第二部分：兔肝脱氧核糖核酸（DNA）的提取和测定
实验目的
➢ 学习从动物组织中提取DNA及其含量、纯度测定的原理和方法 ➢ 掌握离心机及岛津UV-120的使用方法
实验原理
利用脱氧核糖核酸蛋白和核糖核酸在电解质中不同的溶解度使二者分离，在 0.15M的氯化钠溶液中脱氧核糖核酸蛋白的溶解度最低。相反，核糖核蛋白能在 0.15M氯化钠中溶解，因此可利用不同浓度的氯化钠溶液将核酸核蛋白、脱氧核 糖核酸蛋白解离出来，而蛋白质变性沉淀，再用氯仿－异丙醇抽提，将蛋白质沉 淀除去，而DNA则溶解。
综合性设计性实验-1
生物基因组序列比对分析，分子进化 兔肝DNA的提取与二苯胺显色法测定DNA含量 目的基因SNP位点的鉴定及其意义
此实验共包括如下三个部分
1. 第一部分：生物基因组序列比对分析，分子进化 2. 第二部分：兔肝DNA的提取和测定 3. 第三部分：目的基因SNP位点的鉴定及其意义
注意事项
➢ 尽可能避免DNA的断裂 1. 匀浆时应保持低温，且匀浆时间应短； 2. 实验中使用的吸取DNA水溶液的滴管口应粗短并成钝口。
➢ 保持DNA活性，避免酸碱或其他变性因素使DNA变性。 ➢ 搅动不要太大，以免使DNA断裂。 ➢ 整个实验过程应在低温条件下进行。 ➢ 搅拌时动作要轻，反复倒置抽提，不可激烈振荡。
➢ 比较作图的研究意义在于：一、根据不同种的基因组基因及其排列顺序的高度保守特 点绘制而成的比较图，可以研究和探明它们的进化线索。广泛的比较作图可为多个种 所用，建立它们之间的联系框架或系统。
基因组比对软件
Mauve
/vista/index.shtml
VISTA
➢ 加入15% SDS时要慢，边搅边滴加（两人配合）。 ➢ SDS的温度不能太低，易凝固。吸过SDS的吸管要及时清洗。 ➢ 加入CHCl3/IAA液离心后，分为三层，由上到下为：无机相-蛋白相-有机相。DNA
溶解在无机相中，吸取无机相时动作要轻，不要吸到蛋白相。 ➢ CHCl3/IAA会溶解有机玻璃，用完后不能竖直放置在试管架上，必须冲洗干净。
兔肝
1X SSC洗 两次
称取4 g 加 8ml 1X SSC
匀浆、过滤
取8ml匀浆液 离心
实验操作
1. 弃上清留沉淀
加至8ml 1X SSC
离心
2.弃上清留沉淀
加至 8ml 0.15M NaCl-0.1M Na2EDTA
离心
3.弃上清留沉淀 （脱氧核糖核蛋白）
沉淀
加 0.15M NaCl-0.1M Na2EDTA至4ml
离心机的使用
➢ 打开电源开关； ➢ 平衡放置离心管；盖上盖子。 ➢ 调节时间旋钮至10min； ➢ 缓慢调节速度旋钮至9档，每5-10s上升1档； ➢ 离心完毕后机器自动停止，待完全停止后，打开盖子取出离心管。 ➢ 离心管必须平衡后，才能启动离心机； ➢ 离心机的盖子必须盖紧； ➢ 离心过程中不要用重物撞击离心机； ➢ 要等离心机完全停止转动后再打开盖子。