第四章-DNA序列分析
生物信息学方法在特定基因调控区识别和分析中的应用
生物信息学方法在特定基因调控区识别和分析中的应用随着生命科学的发展，生物信息学方法在分子生物学研究中扮演着越来越重要的角色。
特定基因调控区（gene regulatory region）是指位于基因的上游或下游区域，包含了各种调控元件和转录因子结合位点，是基因表达调控的重要部分。
通过识别和分析这些调控区，可以深入了解基因表达的调控机制，并有助于发现新的治疗和预防疾病的方法。
本文将介绍生物信息学方法在特定基因调控区识别和分析中的应用。
1. DNA序列分析DNA序列分析是指对调控区DNA序列进行计算机处理，以识别其中包含的调控元件和转录因子结合位点，并预测它们对基因表达的影响。
这一过程可以借助许多生物信息学工具实现，如MEME和Weeder等。
这些工具可以进行模式识别和序列比较，从而发现DNA序列中的共同模式和保守序列。
2. ATAC-Seq技术ATAC-Seq技术是一种基于开放染色质的测序方法，用于研究特定细胞类型中基因调控区的开放度。
该技术可以利用转座酶插入开放染色质区域，然后通过PCR扩增和测序来分析这些区域的DNA序列。
通过露出的DNA序列，可以确定基因调控区的开放状态，并预测转录因子的结合位点。
3. CHIP-Seq技术CHIP-Seq技术是一种高通量测序方法，用于鉴定某种转录因子与调控区DNA 结合的位点及其相应的上游基因。
该技术利用可特异地识别转录因子的抗体，将与之结合的DNA序列片段分离出来，并通过测序来鉴定所结合的基因区域。
通过CHIP-Seq技术可以全面地鉴定基因的上游区域和下游区域中的转录因子结合位点，从而为研究基因调控提供基础数据。
4. Hi-C技术Hi-C技术是一种全基因组3D染色质拓扑结构的测序方法，可以用于分析基因调控区的空间结构和相互作用。
通过该方法，可以同时测定两个DNA序列片段之间的空间距离和它们之间的相互作用，从而构建基因组范围的联系图。
利用这一联系图，可以了解基因调控区在三维空间中的位置及其与其他基因区域的互动，从而发现新的调控元件。
新教材 人教版高中生物必修2 第四章 基因的表达 知识点考点重点难点提炼汇总
第四章基因的表达第1节 基因指导蛋白质的合成 ........................................................................................... 1 第2节 基因表达与性状的关系 ........................................................................................... 8 专题五 基因表达相关的题型及解题方法 . (12)第1节 基因指导蛋白质的合成RNA 的组成及种类1.RNA 的基本单位及组成①磷酸 ②核糖 ③碱基：A 、U 、G 、C ④核糖核苷酸 2.RNA 的种类及功能 mRNA tRNA rRNA 名称 信使RNA 转运RNA 核糖体RNA 结构 单链单链，呈三叶草形单链功能传递遗传信息，蛋白质合成的模板识别密码子，运载氨基酸参与构成核糖体[典例1] 下列叙述中，不属于RNA 功能的是( ) A.细胞质中的遗传物质 B.作为某些病毒的遗传物质 C.具有生物催化作用D.参与核糖体的组成解析 真核生物、原核生物和DNA 病毒的遗传物质都是DNA ，RNA 病毒的遗传物质为RNA ，A 错误、B 正确；少数酶的化学本质为RNA ，C 正确；rRNA 参与核糖体的组成，D 正确。
答案 A【归纳总结】 RNA 和DNA 的区别比较项目DNARNA化学组成基本组成元素 均只含有C 、H 、O 、N 、P 五种元素 基本组成单位脱氧核苷酸核糖核苷酸碱基A、G、C、T A、G、C、U五碳糖脱氧核糖核糖无机酸磷酸磷酸空间结构规则的双螺旋结构通常呈单链结构【归纳】DNA与RNA的判定方法(1)根据五碳糖种类判定：若核酸分子中含核糖，一定为RNA；含脱氧核糖，一定为DNA。
(2)根据含氮碱基判定：含T的核酸一定是DNA；含U的核酸一定是RNA。
DNA序列的图形表示及其相似性分析
分子生物学：DNA复制
(CsCl gradient centrifuge)
N15
DNA
N14
Semi-Conservation Replication
Source:M. Meselson and F. W. Stahl, Sciences 44:675, 1958.
半半保保留留复复制制-小结
DNA生物合成时，母链DNA解开为两股单链，各自作为 模板(template)按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代 细胞的DNA，一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则 完全重新合成。两个子细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致。 这种复制方式称为半保留复制。
RNA引物的形成
DNA链合成及延长
复制的终止
• RNApol (RNA polymerase)
[Rif S ]
完成对先导链引物的合成
实现DNA复制的转录激活起始
起
• dnaG (primase) [Rif R]
始
完成对后随链引物的合成
较先导链的启动落后一个Okazaki片断
• 完成10±NtRNA引物合成后.
遗传物质的基本属性：基因的自我复制 基因的突变 控制性状的表达
DNA复制
亲代双链DNA分子在DNA聚合酶的作用下， 分别以每 条 单链DNA分子为模板，聚合与 自身碱基可以互补配对的游离的dNTP,合 成出两条与亲代DNA分子完全相同的子代 DNA分子的过程。 主 要 包 括 引 发 、 延 伸 、 终止三个阶段。
复制发动温度敏感突变型（慢停突变） 42℃不能发动DNA复制、但可完成DNA延伸
37 ℃, 5 ci / mM H3-T , 6min
37 ℃, 52 ci / mM H3-T , 6min
基因组学
名词解释：第一章基因组遗传图（连锁图）：指基因或DNA标记在染色体上的相对位置与遗传距离。
单位是厘摩cM （基因或DNA片段在染色体交换过程中分离的频率）。
物理图：以已知核苷酸序列的DNA片段（序列标签位点，sequence-tagged site, STS）为“路标”，以碱基对作为基本测量单位（图距）的基因组图。
转录图：以EST（expressed sequence tag ，表达序列标签）为标记，根据转录顺序的位置和距离绘制的图谱。
EST：通过从cDNA文库中随机挑选的克隆进行测序所获得的部分cDNA的5'或3'端序列称为表达序列标签（EST），一般长300-500 bp左右。
序列图（分子水平的物理图）：序列图是指整个人类基因组的核苷酸序列图，也是最详尽的物理图。
既包括可转录序列，也包括非转录序列，是转录序列、调节序列和功能未知序列的总和。
基因：合成有功能的蛋白质或RNA所必需的全部DNA序列，即一个基因不仅包括编码蛋白质或RNA的核酸序列，还应包括为保证转录所必需的调控序列。
基因组（genome）：生物所具有的携带遗传信息的遗传物质的总和。
基因组学（genomics）：涉及基因组作图、测序和整个基因组功能分析的一门学科。
C值：单倍体基因组的DNA总量，一个特定种属具有特征C值C值矛盾（C value paradox）：指一个有机体的C值和其编码能力缺乏相关性。
单一序列：基因组中单拷贝的DNA序列。
重复序列：基因组中多拷贝的DNA序列。
复杂性（complexity）：基因组中不同序列的DNA总长。
高度重复序列（highly repetitive sequence）：重复片段的长度单位在几个到几百个碱基对（base pair，bp）之间（一般不超过200 bp），串联重复频率很高（可达106以上），高度重复后形成的这类重复顺序称为高度重复顺序。
中度重复序列（intermediate repetitive sequence ）：重复长度300～7000 bp不等，重复次数在102～105左右。
4第四章遗传物质-基因和染色体
第四章遗传物质——基因和染色体第一节核被膜与核孔复合体细胞核的结构：在固定和染色的细胞中，可观察到细胞有下列结构：核被膜、染色质、核仁、核液（质）四部分。
一、核被膜（nuclear envelope）亦称核膜（nuclear membrane），由此使遗传物质DNA与细胞质分开。
电镜下证实为双层单位膜呈同心性排列。
除两膜之间有间隙外，膜上还有些特化结构。
所以，认为核被膜含义深刻，包括内容多，并执行重要的生理功能。
（一）核被膜结构1 外层核被膜（ONE）（外核膜）膜厚 6.5—7.5nm，相邻细胞质的一面常有核糖体附着，并有时与内质网（RER）相连，因此显得粗糙不平。
2 内层核被膜（INE）（内核膜）：膜厚度基本同ONE，膜上无核糖体附着，显得比ONE 平滑。
但在其内表面常附有酸性蛋白质分子的聚合物组成的纤维网状结构（密电子物质），称纤维层（fibrous Lamina）或核纤层（nuclear lamina），又有内致密层之称。
其厚度约在10—20nm（30—160nm），是位于细胞内核膜下的纤维蛋白或纤维蛋白网络。
3 核周隙（perinuclear space）又有核围腔或核围池之称。
指两膜之间的空隙，宽约20—40nm（10—50nm），内充满液态无定形物质（蛋白质、酶类、脂蛋白、分泌蛋白、组蛋白等），它是核质之间活跃的物质交换渠道（有些部位直接与ER或Golgi池相通）。
4 核孔（nuclear pore）核膜并不完全连续，在许多部位，核膜内外两层常彼此融合，形成环状孔道，称为核孔，它们是核质之间的重要通道。
（二）核被膜的主要功能核孔复合体可以看作是一种特殊的跨膜运输蛋白复合体，并且是一个双功能、双向性的亲水性核质交换通道。
双功能表现在它有两种运输方式：被动扩散与主动运输；双向性表现在既介导蛋白质的入核转运，又介导RNA、核糖核蛋白颗粒（RNP）的出核转运。
1、构成核、质之间的天然选择性屏障避免生命活动的彼此干扰，保护DNA不受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤2、核质之间的物质交换与信息交流1）通过核孔复合体的被动扩散——小分子物质的转运：核孔复合体作为被动扩散的亲水通道，其有效直径为9～10nm，有的可达12.5nm，即离子、小分子（相对分子质量在60KD以下）以及直径在10nm以下的物质原则上可以自由通过。
bioxm使用说明
(domain);
第四章 DNA与蛋白质序列分析
第一节 序列比对
第二节 Blast应用
第三节 序列功能分析
Question1:
1. 我刚刚分离一个水稻基因片段序列，大概250bp， 我想初步分析一下它是什么基因，编码什么产物以 及是否已经被别人克隆，应该采用什么工具和数据 库？ A. Blastn E. blastx B.Blastp F. nr C.tblastn, D.tblastx,
酶切位点分析(载体构建)
基因结构分析/启动子序列分析
Part 1. 初级序列分析
序列的组成/分子量/等电点分析
/
点击“BioXM version 2.6 ” 点击“运行”进行安装
序列组成分析
序列组成分析
序列组成分析
A/G/C/T的组成，尤其是G+C含量的预测（进化？探针设计？）
/Blast.cgi
具体步骤
1.登陆blast主页
/BLAST/ 2.根据数据类型，选择合适的程序 3.填写表单信息 4.提交任务 5.查看和分析结果
第3节 序列功能分析的内容
序列组成/分子量/等电点---初级分析
Part 3. 基因结构分析/启动子序列分析
Genomic DNA 1）基因结构分析: cDNA
第9章_DNA序列分析
第9章_DNA序列分析DNA序列分析是指对DNA序列进行系统性研究和分析的过程。
DNA序列是生物体内的遗传信息的载体，对于了解基因功能、生物演化、疾病发生机制等具有重要意义。
本章将介绍DNA序列分析的方法和应用。
DNA序列分析的方法包括序列比对、基因预测、遗传变异检测和进化分析等。
序列比对是将已知DNA序列与未知序列进行对比，寻找相似之处，从而推断未知序列的功能。
常用的序列比对工具有BLAST、Bowtie等。
基因预测是利用生物信息学方法预测未知DNA序列中的基因位置和功能。
常用的基因预测工具有GeneMark、Glimmer等。
遗传变异检测是通过比较不同个体之间的DNA序列差异，寻找与疾病相关的遗传变异。
进化分析是利用DNA序列比较不同物种之间的遗传差异，推断它们的亲缘关系和演化过程。
常用的进化分析方法有多序列比对、系统发育树构建等。
DNA序列分析在生物学研究和应用领域具有广泛的应用。
在基础研究方面，DNA序列分析可以帮助研究人员了解基因的功能和调控机制。
通过比对不同物种之间的DNA序列，可以揭示物种的进化关系和演化过程。
在医学研究方面，DNA序列分析可以用于疾病的诊断和预测。
通过检测DNA序列中的遗传变异，可以发现与疾病相关的基因突变，并为疾病的治疗和预防提供理论基础。
在农业研究方面，DNA序列分析可以应用于作物和畜禽的遗传改良。
通过分析作物和畜禽的DNA序列，可以挖掘有益基因和导育改良品种，提高农作物和畜禽的产量和品质。
随着高通量测序技术的发展，DNA序列分析在研究领域的应用也得到了大幅度的提升。
高通量测序技术可以快速、准确地获取大量的DNA序列信息，为DNA序列分析提供了更为丰富的数据。
同时，也为DNA序列分析提供了更多的挑战，如序列比对的速度和精度、大规模数据的储存和分析等。
因此，进一步研发和改良DNA序列分析的方法和工具，提高分析效率和准确性，将是今后的研究重点。
综上所述，DNA序列分析是一项重要的生物信息学研究方法，具有广泛的应用前景。
DNA测序技术原理：基因组中的碱基序列分析
DNA测序技术原理：基因组中的碱基序列分析DNA测序是分析基因组中的碱基序列的技术，它的原理基于化学、生物学和计算机科学的多学科知识。
以下是DNA测序技术的基本原理：1. 样本准备：DNA测序的第一步是准备DNA样本。
样本可以来自生物体的细胞，可以是整个基因组的DNA，也可以是特定基因的DNA。
2. DNA复制：DNA样本中的DNA链被复制，以产生更多的DNA。
这通常通过PCR （聚合酶链式反应）或其他放大技术来完成。
3. DNA片段化：复制的DNA链被切割成短片段，通常长度在几百到几千碱基对之间。
4. 测序反应：使用测序反应来确定每个DNA片段的碱基序列。
目前有多种不同的测序技术，包括Sanger测序、Next-Generation Sequencing（NGS）等。
5. Sanger测序原理：反应体系： Sanger测序使用一种特殊的DNA聚合酶、DNA引物、四种不同的荧光标记的二进制核苷酸和可终止DNA链合成的二进制核苷酸（dideoxynucleotide）。
合成终止：在DNA合成的过程中，如果在新合成链上加入了带有荧光标记的dideoxynucleotide，DNA链的生长就会终止。
分离与检测：反应产物通过凝胶电泳分离，然后使用荧光检测器检测荧光标记的终止核苷酸，从而确定DNA链的碱基序列。
6. Next-Generation Sequencing（NGS）原理：并行测序： NGS技术允许同时测序许多DNA片段，通过并行处理大量的DNA序列信息。
荧光标记： DNA片段被标记，然后通过光学或电化学方法进行测量。
数据分析：通过计算机进行大规模的数据分析，将碱基序列的信息还原出来。
7. 数据分析与装配：通过计算机对得到的测序数据进行分析，将碱基序列还原成原始DNA序列。
这包括去除杂音、纠正测序错误和对碱基进行准确的排序。
8. 结果解读：最后，通过生物信息学工具和数据库比对，对DNA序列进行解读，找到基因、调查变异或识别其他生物学信息。
第四章 分子进化分析
1.2.3 最大似然法（ML）
最大似然法(maximum likelihood,ML) ML对 系统发育问题进行了彻底搜查。ML期望能够 搜寻出一种进化模型（包括对进化树本身进 行搜索），使得这个模型所能产生的数据与 观察到的数据最相似.
进化模型可能只是简单地假定所有核苷酸（或 AA）之间相互转变的概率相同，程序会把所有 可能的核苷酸轮流置于进化树的内部节点上， 并且计算每个这样的序列产生实际数据的可能 性（比如两个姊妹群都有核苷酸A，那么如果 假定原先的核苷酸C得到现在的A的可能性比起 假定原先就是A的可能性要小得多），所有可 能性的几率被加总，产生一个特定位点的似然 值，然后这个数据集的所有比对位点的似然值 的加和就是整个进化树的似然值。
2.选择适当的分析方法 如你分析的是DNA数据，可以选择简约法 （DNAPARS），似然法（DNAML， DNAMLK）， 距离法等（DNADIST）。。。 3.进行分析 选择好程序后，执行，读入分析数据，选 择适当的参数，进行分析，结果自动保存为 outfile，outtree。
Outfile是一个记录文件，记录了分析的 过程和结果，可以直接用文本编辑器（如写 字板）打开。 Outtree是分析结果的树文件，可以用 phylip提供的绘树程序打开查看，也可以用 其他的程序来打开，如treeview。
paralogs
orthologs
1.1.2 类
群
祖先类群(ancestral group):如果一个类群（物种）至少有一 个子裔群，这个原始的类群就称为祖先类群 单系类群（monophyletic group）包含一个祖先类群所有子裔 的群组称为单系类群，其成员间存在共同祖先关系 并系类群（paraphyletic group）和复系类群(polyphyletic group)：不满足单系类群要求，各成员间又具有共同祖先特征 的群组称为并系类群；各成员不具有共同衍生特征也不具有共 同祖先特征，只具有同型特征的分类群组称为复系类群 内类群（ingroup）：一项研究所涉及的某一特定类群可称为内类 群
DNA序列分析
第七章 DNA序列分析DNA的一级结构决定了基因的功能，欲想解释基因的生物学含义，首先必须知道其DNA 顺序。
因此DNA序列分析(DNA sequencing)是分子遗传学中一项既重要又基本的课题。
1986年由美国学者提出的，目前正在实施的人类基因组计划(human genome project)，则是要通过对人类基因组3×109bp全序列的序列分析和人类基因的染色体图谱制定达到了解其结构，认识其功能，即从分子遗传学水平来认识人类自身的结构和功能特征的目的。
核酸的核苷酸序列测定方法已经过近20年的发展，因而测序的具体方法五花八门、种类繁多。
但是究其所依据的基本原理，不外乎Sanger的核酸链合成终止法及Maxam和Gilbert的化学降解法两大类。
虽然原理不同，但这两种方法都同样生成互相独立的若干组带放射性标记的寡核苷酸，每组寡核苷酸都有固定的起点，但却随机终止于特定的一种或多种残基上。
由于DNA链上每一个碱基出现在可变终止端的机会均等，因而上述每一组产物都是一些寡核苷酸的混合物，这些寡核苷酸的长度由某一种特定碱基在原DNA片段上的位置所决定。
然后在可以区分长度仅相差一个核苷酸的不同DNA分子的条件下，对各组寡核苷酸进行电泳分析，只要把几组寡核苷酸加样于测序凝胶中若干个相邻的泳道之上，即可从凝胶的放射自显影片上直接读出DNA上的核苷酸顺序。
以下分别介绍。
1、Sanger的双脱氧链终止法这是1977年由英国剑桥大学分子生物学实验室的生物化学家Sanger（桑格）等人发明的，是一种简单快速的DNA序列分析法，利用DNA聚合酶和双脱氧链终止物测定DNA核苷酸序列。
它的基本原理是：利用DNA聚合酶的两种酶促反应的能力。
第一是，DNA聚合酶能够利用单链的DNA作模板，准确地催化合成出DNA互补链。
实际上这是DNA在体外进行的复制过程。
第二是，DNA聚合酶能够利用2′，3′-双脱氧核苷三磷酸作底物，使之掺入到寡核苷酸链（由几个核苷酸组成的核苷酸链叫做寡核苷酸链）的3′末端，从而终止DNA链的生长。
DNA操作技术
个切割位点。如Bgl II只有6个，BamHI只
有5个，而SalI只有2个，意味着λDNA中
GC含量少于50%。
这种方法只能粗略的估计，只有实验能子（溶液）
酶
缓冲液（一般pH值7.4, 含Mg2+, NaCl, 还原剂如dithiothreitol稳定酶阻止 活）
1.1 核酸酶
作用：降解 磷酸二酯键 分为： 外切酶 内切酶
1.1 核酸酶
Bal 31(来自于细菌Alteromonas espejiana) 单链特异的核酸内切酶活性，
双链特异的内切酶活性。 依赖于Ca2+ 用途： 构建限制酶图谱 产生末端缺失突变 DNA超螺旋线性化
1.1 核酸酶
E. coli外切酶III
识别GATC。也有一些酶识别兼并序
列，如HinfI来自于Haemophilus influenzae品系Rf，识别GANTC，N
代表A, G, T, C。
2.4 限制性内切酶产物
钝端（平端） 粘性末端
粘性末端；是交错切割，结果形成两条单链末 端，这种末端的核苷酸顺序是互补的，可形成 氢键，所以称为粘性末端。
1.1 核酸酶
RNase H（E. coli）
–降解RNA:DNA杂交分子中 的RNA。
1.2 连接酶
广泛存在于各种生物中，连接3‘端羟基 和5’端磷酸形成磷酸二酯键。在DNA复 制、修复、以及 体外重组
过程中起
重要作用。
1.2 连接酶
T4-DNA连接酶 –连接粘性末端、平端 –修复双链DNA或RNA-DNA杂交
2.2 限制性内切酶分类
限制性核酸内切酶可分为三大类：
– I类 –II类* –III类
生物信息学笔记
第一章绪言生物信息学的主要信息载体：DNA和蛋白质生物主要的遗传物质DNA生物的物质基础蛋白质一、生物信息学概述1、定义生物信息学（Bioinformatics）是生命科学、现代信息科学、数学、物理学以及化学等多个学科交叉结合形成的一门学科，是利用信息技术和数学方法对生命科学研究中的生物学数据进行存储、检索和分析的科学。
2、特点⁕以计算机为主要工具，以大量生物数据库和分析软件为基础⁕依赖于Internet⁕为人类揭示生命的奥秘提供了一条新的途径二、生物信息学的发展前基因组时代——生物数据库的建立、检索工具的开发、DNA和蛋白质序列分析、全局和局部的序列对位排列基因组时代——基因寻找和识别、网络数据库系统的建立、交互界面的开发后基因组时代——大规模基因组分析、蛋白质组分析三、生物信息学应用基础研究和教学：分子生物学研究的重要手段之一；生命科学的教学药物开发：新药筛选、药靶设计、分子药理学研究疾病诊断：利用疑难病症的病原DNA序列诊断疾病；遗传病的筛查其他：环境监测；食品安全检测；海关检测第二章数据库及其检索生物信息学数据库的建立及定义生物信息数据库：生物分子数据、分子结构结构及功能等实验证据一级数据库是直接来源于实验室获得的数据，即DNA和蛋白质数据库（X）在生物信息学中数据库查询是指对数据库中的注释信息进行基于关键词匹配查找，而数据库检索是指通过特定的序列相似性比对算法，在核酸或蛋白质序列数据库中获得序列信息（√）一、数据库定义数据库（database）是一类用于存储和管理数据的计算机文档，是统一管理的相关数据的集合，其存储形式有利于数据信息的检索与调用。
数据库的每一条记录（record）,也可以称为条目（entry），包含了多个描述某一类型数据特性或属性的字段（field），如基因名、来源物种、序列的创建日期等；值（value）则是指每条记录中某个字段的具体内容。
二、生物信息数据库的分类（1）按照数据来源一级数据库：数据直接来源于实验获得的原始数据，只经过简单的归类整理和注释二级数据库：对原始生物分子数据进行整理、分类的结果，是在一级数据库、实验数据和理论分析的基础上针对特定的应用目标而建立的。
第四章DNA复制
4. DNA ligase： 连接冈崎片断。
4: 终止与分离 Termination and Segregation
终止
•引起终止的序列称为终止位点（ter site） 两个复制叉在Ori C 约1800的对面相遇 •Tus 蛋白: 终止位点结合蛋白， 可阻止Dna B解旋
大肠杆菌复制终点定位偏 离复制叉实际相遇点
• 就DNA复制而言，引物酶（dna G基因产物）合成RNA 链，它提供引发末端
DNA聚合酶需要3‘－OH 端来起始复制
有多种方法可以提供DNA聚合酶起始DNA合成的3‘OH端
大肠杆菌中发现的两类引发反应：
引发需要解旋酶、SSB和引物酶
1、ori C系统
2、ØX系统: 引发体（primosome）
Segregation
•拓扑异构酶IV（Topoisomerase IV）:
一种II型拓扑异构酶，功能是使子链
分离，DNA分配到两个子细胞中。
第四节
真核生物DNA的复制
离体实验体系 起始 端粒的复制
1: 离体实验体系
• 酵母（Sacharomyces cervisiae) • 猿猴病毒40（SV40） • 非洲爪蟾（Xenopus laevis）的卵中提出的无 细胞提取物
5 大肠杆菌DNA聚合酶(DNA Polymerase)
硫氧还蛋白 拇指
DNA聚合酶的一般结构 “右手”结构： 拇指（thumb） 手指（finger） 手掌（palm）
手指
扭曲的ＤＮＡ
DNA位于手掌上 由拇指和手指形 成的槽中
噬菌体T7 DNA聚合酶与 DNA复合体的晶体结构
核酸外切酶结构域 拇指结构域：与DNA结 合并在前进中起重要作 用
生物信息学(东南大学版)精选ppt
09.04.2020
41
遗传连锁图：通
过计算连锁的遗
传标志之间的重
组频率，确定它
配子
们的相对距离，
一般用厘摩（cM，
即每次减数分裂
的重组
频率为1%）
表示。
末 期 II
晚 期 II
中 期 II
间期 前期 I
同源染色体 形成配对
中期 I
前 期 II
晚期 I 发生交换
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42
物理图谱
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
6、《简明生物信息学》 钟扬 复旦大学 高等教育出版社
09.04.2020
2
http://
编号
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
第九章
第十章
09.04.2020
网上资源
名称
书稿(word)
生物信息学引论 分子生物学基础
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
09.04.2020
31
第二节 生物信息学的发展历史
生物科学和 技术的 发展
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
09.04.2020
生物信息学 的迅速发展
09.04.2020
生物体生长发育的本质就是遗 传信息的传递和表达
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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。
基因控制着蛋白质的合成
4DNA序列分析
Clustal输入多个序列
快速的序列两两比对，计算序列间的 距离，获得一个距离矩阵。
邻接法(NJ)构建一个树（引导树）
根据引导树，渐进比对多个序列。
第一步：输入序列文件
第二步：设定比对参数
参数设定窗口
0：碱基不匹配； 1：碱基完全匹配
第三步：开始序列比对
第四步：比对完成，选择保存结果文件的格式
Blastn---1
Blastn1的作用： ①对于已知的基因，可以分析其相似基因； ②对于未知的基因片段，可以分析其属于什么基因。
描述以表格的形式呈现（以匹配分值从大到小排序） Accession下程序比对的序列名称，点击相应的可以进入更为详细的map viewer Descriptions下是对所比对序列的简单描述 Max score匹配分值，点击可进入第四部分相应序列的blast的详细比对结果 Total score总体分值 Query coverage覆盖率 E value——E（Expect）值 Max ident——匹配一致性，即匹配上的碱基数占总序列长的百分数。 Links——到其他数据库的链接。
可直接查看所在ORF对应的 蛋白质的对数据库的比对
单击，详细查看一个ORF。进一步 确定ORF是否正确需要借助Kozak规 则。
Kozak规则
Kozak序列是存在于真核生物mRNA的一段序列，其在翻译的 起始中有重要作用。
Kozak序列 位于真核生物mRNA 5’端帽子(m7GPPPN)结构
Expect是输入序列被随机搜索出来的概率，该值越小越好。 Identities是相似程度，即输入序列和搜索到序列的匹配率 Gaps就是空白,即比对序列只有一条链上有碱基 strand=plus/minus即询问序列和数据库里面序列的互补链匹配
(完整word)临床分子生物学检验
绪论1.20世纪50年代，Waston和Crick提出了DNA双螺旋结构,标志着现代分子生物学的兴起。
2.从广义上来讲，应用到临床的分子标志物包括基因组DNA、各种RNA、蛋白质和各种代谢物,目前，临床分子生物学检验的靶标主要以核酸(DNA或RNA）为主.第一章:核酸与分子标志物1.分子标志物：可以反映机体生理、病理状态的核酸、蛋白质、代谢产物等生物分子,是生物标志物的一种类型。
核酸分子标志物是分子生物学检验的主要内容，包括基因突变、DNA多态性、基因组DNA片段、RNA和循环核酸等多种形式。
2.DNA的组成：是一种高分子化合物，其基本单位是脱氧核苷酸,每个核苷酸由磷酸、脱氧核糖和含氮碱基3部分组成。
3。
DNA与RNA的区别：2位脱氢。
4。
DNA的结构：①DNA一级结构：各种核苷酸单体沿多核苷酸链排列的顺序，表明该DNA分子的化学构成。
②DNA二级结构：双螺旋结构，DNA双螺旋的直径为2nm,一圈螺旋含10个碱基对,每一圈螺距为3.4nm，每个碱基的旋转角度为36度.维持DNA结构稳定的力量主要是碱基对之间的堆积力，碱基对之间的氢键也起着重要的作用.③DNA三级结构：DNA双螺旋进一步盘曲形成的更加复杂的结构。
5.核小体的形成(真核生物染色体包装过程)：在核小体中,DNA盘绕组蛋白八聚体核心,使DNA缩短为原来的1/7；6个核小体形成螺丝管，缩短为1/6；核小体彼此相连成串珠状染色质细丝，螺旋化形成染色质纤维，进一步折叠成染色单体.6.DNA双螺旋结构的变异：右手螺旋A—DNA、C-DNA、D-DNA、E—DNA、H—DNA、L—DNA、P-DNA，左手螺旋Z —DNA7.RNA主要分为三类：tRNA、rRNA、mRNA 还有一些小型RNA：反义RNA、微小RNA（microRNA，miRNA是一类内源性的具有调控功能的非编码RNA。
)8.真核mRNA与原核mRNA的区别(简答题)原核mRNA结构简单，为多顺反子,编码序列之间有间隔序列，原核生物mRNA中没有修饰碱基。
04--第四章人类基因组结构概述
（2）中度重复序列：占20-30%，拷贝数 为104-105 ， 包括组蛋白基因、免疫球蛋白 基因及RNA基因，绝大多数中度重复序列 为不编码序列，成为间隔区，如人类Alu序 列家族由300bp的短序列构成，重复达30万 -50万拷贝，占基因组3-6%。 （3）高度重复序列：又称为卫星DNA 通常是小于10bp的短小序列组成基本单 元，重复达105以上，占基因组的10%，不 能转录，组成异染色质。
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每个区中包含几十个rRNA基因单位，大量转 录18S rRNA、 28S rRNA、 5.8S rRNA。 假基因：是基因组中因突变而失活的基因， 它和同一家族中的活跃基因在结构上和DNA 序列上有相似性，但是没有蛋白质产物。 （在多基因家族中，有少数成员不产生有功 能的蛋白质，这样的基因叫—。假基因与正 常基因从序列上看是同源的，但是在进化过 程中发生突变丧失了功能活性。）
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如血红蛋白基因家族。（指进化过程中由某一 个祖先基因经过多次重复和变异所产生的一大 类群序列相似、功能相似的基因群。） a、有的集中在一条染色体上共同发挥作用， 合成某些蛋白质，如组蛋白基因家族中的5种组 蛋白基因集中在7号染色体的长臂上的。 b、有的多基因家族成员是分散存在于几条染 色体上，如人的rRNA基因家族成员分别位于13、 14、15、21、22，5条染色体的短臂的核仁组织 区中。
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（2）部位：结构基因的两侧、结构基因 内部的内含子之中。
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（3）种类：很多，一小部分基因在表达，绝大 部分基因保持沉默，基因组的基因是受高度有 序而精确的四维时空表达程序严格调控，进一 步依靠那些众多的调节基因、调控序列、调控 因子组成的多层次的调控系统来协调实现的。 （4）常见的调控基因、调控序列 ①同源异形盒基因 a、1995年，美国加洲理工学院诺贝尔奖得主 B.Lewis在果蝇中发现一组同源异形基因，来自 于同一基因的转化，都含有一段同源的保守序 列，这些基因的功能是各管果蝇幼虫体节发育 的。
【生物课件】第四章 序列分析
第二步：查找ORF并将目标序列翻译成蛋白质序列
利用相应工具，如ORF Finder、Gene feature(Baylor College of Medicine)、GenLang(University of Pennsylvania)等，查找ORF并将 DNA序列翻译成蛋白质序列
第三步：在数据库中进行序列搜索
可以利用BLAST进行ORF核苷酸序列和ORF翻译的蛋白质序列搜索
第四步：进行目标序列与搜索得到的相似序列的整体列线(global alignment)
虽然第三步已进行局部列线(local alignment)分析，但整体列线有助于 进一步加深目标序列的认识
第五步：查找基因家族
进行多序列列线(multiple sequence alignment)和获得列线区段的可视信息。 可分别在AMAS(Oxford University)和BOXSHADE(ISREC,Switzerland)等服 务器上进行
色体”、基因—“同源基因”和基因组的一个片断—“同源片断”
必须指出，相似性(similarity)和同源性(homology)是两 个完全不同的概念。
相似性是指序列比对过程中用来描述检测序列和
目标序列之间相同DNA碱基或氨基酸残基顺序所占 比例的高低。相似性本身的含义，并不要求与进化起源是
否同一，与亲缘关系的远近、甚至于结构与功能有什么联系。
【生物课件】第四章 序列分析
表1 九种完整DNA序列的碱基组成
表2 人类胎儿球蛋白基因不同区段的碱基组成
二．碱基相邻频率
分析DNA序列的主要困难之一是碱基相邻的频率 不是独立的。碱基相邻的频率一般不等于单个碱基 频率的乘积
例： 鸡血红蛋白β链的RNA编码区的438个碱基
第四章 基因的鉴定与表达分析
灵敏度，可以检测到一些稀有转录子。
CpG岛法
CpG岛(CpG island)是基因组DNA序列中富含C、G的 DNA区域。在大规模的DNA测序中，每发现一个CG岛，意 味着在此区域有一个基因。利用CpG岛稀有酶如SacⅡ、
BssHⅢ、EagⅠ、HpaⅡ、NotⅠ识别其位点，切割基因组
DNA。CpG岛又称HIF岛，即用HpaⅡ酶将CpG岛周围的DNA 切成许多小片段，这些序列称为HIF序列。 原理： 2) 载体上要有功能强大的真核基因启动子，以获得高 效表达； 3）还要有原核生物的复制子与生长选择标记（如Amp)，
能在大肠杆菌中扩增，又要有真核生物的复制子、启动
子、加尾信号等以便在真核细胞中扩增及转录。
cDNA选择方法
基因组图谱绘制和基因定位克隆的常见问题 是大片段基因组编码DNA的鉴定。为解决此问题，
IEF)和十二烷基硫酸钠—聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDSPAGE)，把复杂的蛋白质混合物中的蛋白在二维平面上分 离展开。
基因差异表达法
---二维电泳（two-dimensional electrophoresis）技术
步骤： 样品制备→等电聚焦→平衡转移→ SDS— PAGE→斑点染色→图像捕捉和图谱结构确定
随着人类基因组计划的完成，基因的鉴定与表 达分析已经成为功能基因组研究的一个重要内容。
基因的特异性特征：
整体上的高度进化保守；
表达RNA转录物----具有可读框(ORF)；
脊椎动物-----CpG岛
一、基因的鉴定方法
常规方法
特异方法
（thern印迹杂交； 同源序列比对； 动物基因组印迹杂交；
• 主要步骤：
制备载体→将基因组片段亚克隆至表达载体中→
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引言
表达序列标签分析
序列对位排列
4.1 引言
4.1.1 为什么要分析DNA序列
序列及所代表的类群间的系统发育关系 限制性酶切（位点）图谱 通过内含子和外显子（intron/exon）预测所确 定的遗传结构
通过对可读框（open-reading frame, ORF）分析 推导蛋白质编码序列（coding sequence, CDS）
说明两条序列的相似程度 ——〉定量计算
两条序列的相似程度的定量计算 – 相似度，它是两个序列的函数，其值越大，表示 两个序列越相似 – 两个序列之间的距离。距离越大，则两个序列的 相似度就越小
距离计算的不足 字符编辑操作（Edit Operation）
字符编辑操作可将一个序列转化 为一个新序列
5、用于序列相似性打分的权值矩 阵（Weight Matrices）
表3.3 转移矩阵 A 0 5 T 5 0 C 5 1 G 1 5
C
G
0
0
0
0
1
0
0
1
C
G
-4
-4
-4
-4
5
-4
-4
5
C
G
5
1
1
5
0
5
5
0
转移矩阵表
嘌呤（腺嘌呤A，鸟嘌呤G）有两 个环，嘧啶（胞嘧啶C，胸腺嘧啶T） 只有一个环。 转换（transition），如AG、 CT。
Phrap
基于swat算法 使用全序列质量信息 全基因组、EST 通常与Phred和consed联合应用 /phredphra pconsed.html
Phrap
命令及参数 phrap lesson.seq.screen -minmatch 20 -minscore 40 -view -new_ace >phrap.out 结果
– Match（a，a）
– Delete（a，-） – Replace（a，b） – Insert（-，b）
扩展的编辑操作
ACCGACAATATGCATA ATAGGTATAACAGTCA
ACCGACAATATGCATA ACTGACAATATGGATA
不同编辑操作的代价不同
为编辑操作定义函数w，它表示“代价 （cost）”或“权重（weight）”。 对字母表中的任意字符a、b，定义 w (a, a) = 0 w (a, b) = 1 ab w (a, -) = w ( -, b) = 1
也可以使用得分（score）函数 来评价编辑操作
p (a, a) = 2 p (a, b) = -1 a b p (a, -) = w ( -, b) = -1
（ii） 氨基酸突变代价矩阵GCM （iii）疏水矩阵 （iv）PAM矩阵 （v） BLOSUM矩阵
氨基酸突变代价矩阵GCM
GCM（Genetic Code Matrix，Haig and Hurst，1991）
如果变化一个碱基使某些氨基酸的密码子改变为另一些氨基 酸的密码子，其替换代价为1；
对蛋白质的结构和功能不产生太大影响的替换较高。
这些点突变已经被进化所接受。这意味着在进化历 程上相关的蛋白质在某些位置上可以出现不同的氨 基酸。
一个PAM就是一个进化的变异单位,即1%的氨基酸改 变 PAM有一系列的替换矩阵，每个矩阵用于比较具有特 定进化距离的两个序列。例如，PAM120矩阵用于比 较相距120个PAM单位的序列。 一个PAM-N矩阵元素（i，j）的值反应两个相距N个 PAM单位的序列中第i种氨基酸替换第j种氨基酸的频 率。 将PAM1自乘N次，可以得到PAM-N。 Dayhoff等第一次使用了log-odd处理，矩阵中的取代分 值同目标频率与背景频率的比值的自然对数成比例。 Dayhoff等人只发表了PAM250，通常在较高的PAM值 处得到最佳结果，比如在PAM200到250之间，较低值 的PAM矩阵一般使用于高度相似的序列 （Altschul,1991）。
/gorf/gorf.html
4.2 表达序列标签A序列互补的DNA
双链的cDNA插入合适的分析 表达序列标签(expressed sequep）,代表特定 组织或发育阶段表达的基因。
第二条序列头尾颠倒
CTAGTCGAGGCAATCT GAACAGCTTCGTTAGT
？
3、通过点矩阵进行序列比较
“矩阵作图法” 或 “对角线作图”
4、 序列的两两比对
序列的两两比对 （Pairwise Sequence Alignment） 按字符位置重组两个序列，使得两个序列 达到一样的长度
lesson.seq.screen.contigs lesson.seq.screen.singlets lesson.seq.screen.view lesson.seq.screen.ace phrap.out
4.3 序列对位排列
序列比较的根本任务是：
发现序列之间的相似性 辨别序列之间的差异
概念： 两个序列s 和 t 的比对代价等于将s 转化为t 所 用的所有编辑操作的代价和 s 和t 的最优比对是所有可能的比对中代价最小 的一个比对 s 和 t 的真实距离应该是在代价函数w值最优时 的距离，记为dw(s,t)。 例如： s: AGCACACA t: ACACACTA cost=2
序列比对的目的是寻找一个代价最小的比对。
（1）核酸打分矩阵设DNA序列所用的字母表为 = { A，C，G，T }
a. 等价矩阵 b. BLAST矩阵 c. 转移矩阵表
表3.1 等价矩阵表 A A T 1 0 T 0 1 C 0 0 G 0 0 A T 表3.2 BLAST矩阵 A 5 -4 T -4 5 C -4 -4 G -4 -4 A T
颠换（transversion），如AC、 AT 转换发生的频率远比颠换高
A A T C G 0 5 5 1 T 5 0 1 5 C 5 1 0 5 G 1 5 5 0
（2）蛋白质打分矩阵
（i）等价矩阵
1 i j Rij 0 i j
其中Rij代表打分矩阵元素 i、j分别代表字母表第i和第j个字符。
PAM1矩阵
A RA N
R N D C Q E G H I L K M F P S T W Y
D
C
Q
E
G
H
I
L
K
M
F
P
S
T
W
PAM250矩阵
A RA N
R N D C Q E G H I L K M F P S T W Y
D
C
Q
E
G
H
I
L
K
M
F
P
S
T
W
BLOSUM矩阵
BLOSUM矩阵是由Henikoff首先提出的另一种 氨基酸替换矩阵（Henikoff，1992），采用与 PAM同样的方式可以建立BLOSUM替换矩阵 BLOSUM矩阵则是从蛋白质序列块（短序列） 比对而推导出来的。 基本数据来源于BLOCKS数据库，其中包括了 局部多重比对（包含较远的相关序列，同在 PAM中使用较近的相关序列相反）。 通过直接观察获得数据而不是通过外推获得。 同PAM模型一样，也有许多编号的BLOSUM矩 阵。
结果
可读框：一个起始密码子（ATG)和终止密码
子（ TAA ,TAG,TGA ）之间的序列
一般是从DNA序列而非RNA序列来判断可读
框的存在
一个双链的DNA有6个潜在的可读框
原核生物的编码区是一个单独的ORF，真核
生物编码区含有内含子，要分析真核基因的编 码区还必须识别出内含子和外显子的边界，不 过若使用cDNA序列，则问题可大大简化。
目的：
相似序列 相似的结构，相似的功能 判别序列之间的同源性 推测序列之间的进化关系
序列比较的基本操作是比对（Alignment）
– 两个序列的比对是指这两个序列中各个字符
的一种一一对应关系，或字符的对比排列 。
设有两个序列： GACGGATTAG，GATCGGAATAG Alignment1: GACGGATTAG || | GATCGGAATAG Alignment2: GA-CGGATTAG || |||||||| GATCGGAATAG
4.1.2
5’ 5’UTR
基因结构与DNA序列分析
3’ 外显子 内含子
外显子
内含子
外显子
3’UTR
单链基因组DNA
转录
5’UTR mRNA 翻译 蛋白质 CDS 3’UTR
非翻译区:
在DNA和RNA中均有，位于 CDS两侧，在3’端的UTR是高度特异的。 概念性翻译： 六框翻译（six-frame translation）
EST与cDNA的关系
5’
3’
EST CDS UTR
4.2.2 EST数据库: EMBL, GenBank(dbEST)
4.2.3
EST分析
序列相似性查询 序列组装 序列聚类
4.2.4
电子克隆cDNA全长序列
根据大量EST具有相互重叠的性质，由一个查询 序列开始，依靠EST数据库在计算机上对EST进行 两短延伸，从而获得全长的cDNA序列
疏水矩阵
该矩阵是根据氨基酸残基替换前后疏水
性的变化而得到得分矩阵。
若一次氨基酸替换疏水特性不发生太大
的变化，则这种替换得分高，否则替换 得分低。
PAM矩阵
PAM矩阵是建立在进化的点突变模型PAM（Point Accepted Mutation，Dayhoff et al.,1978）基础上。 Dayhoff等研究了71个相关蛋白质家族的1572个突变， 发现氨基酸的替换并不是随机的，一些氨基酸的替 换比其它替换更容易发生