实习2-真核生物基因结构的预测分析
生物信息学中的基因组结构与功能预测
生物信息学中的基因组结构与功能预测第一章：基因组结构的概念与研究方法（200字）基因组是指生物体中的全部遗传信息的总和，包括基因序列、非编码DNA序列以及调控元件等。
研究基因组结构的目的是理解基因组的组织方式和基因之间的相互关系，以便深入探究基因功能的机制。
基因组结构与功能预测是生物信息学领域的重要研究课题，涉及到多种研究方法和技术。
第二章：基因组序列的特征与分析方法（400字）基因组序列是指一个生物体的全部DNA序列，它包含了基因以及其他非编码的DNA序列。
基因组序列的特征与分析方法是研究基因组结构的基础。
通过分析基因组序列，可以识别基因、预测基因的结构和功能，揭示基因组中的重要调控元件等。
基因识别是通过计算机算法和统计学方法来识别基因序列的起始位点和终止位点。
常用的基因识别方法包括基于序列比对的方法、基于统计模型的方法和基于机器学习的方法等。
此外，通过分析基因组序列的保守性、剪接位点和调控序列等特征，还可以预测基因的剪接事件和调控机制。
第三章：蛋白质编码基因的结构和功能预测（400字）蛋白质编码基因是基因组中的一类特殊基因，其编码产物是蛋白质。
对于蛋白质编码基因的结构和功能预测是生物信息学中的重要任务之一。
基因结构预测可以通过比对序列数据库、分析保守性和寻找编码框架等方法来实现。
功能预测则是通过比对已知蛋白质数据库、分析蛋白质结构、进行功能域和结构域的预测等来实现。
基于序列比对的方法和结构预测算法是较为常用的方法。
其中，比对方法可以通过相似性比对算法（如BLAST、Smith-Waterman算法）来进行。
蛋白质功能预测则可以通过预测功能域、分析结构、比对已知功能蛋白质等方法来实现。
第四章：非编码DNA的结构和功能研究（400字）非编码DNA是指基因组中不具有编码蛋白质的DNA序列。
尽管不编码蛋白质，但非编码DNA在调控基因表达、维持基因组稳定性等方面发挥着重要的功能。
对非编码DNA的结构和功能进行研究，可以深入理解生物体的基因组以及调控机制。
真核生物的基因组结构与功能分析
真核生物的基因组结构与功能分析真核生物是指在生命进化过程中逐渐形成的一类生物，其基本特征之一是存在真核细胞核。
真核生物的基因组结构较为复杂，包含多个线性染色体和一些质粒。
对基因组结构的分析与理解，对于揭示其生物功能和进化机制是至关重要的。
一、真核生物的基因组结构真核生物的基因组大小较大，同一物种不同个体之间的基因组大小存在较大的差异。
基因组大小与细胞大小和复杂度之间存在着类似关联性。
人类基因组大小约为3亿个碱基对，其中蛋白编码基因仅占大约2%。
真核生物的基因组在基本结构上与细菌大相径庭，主要包括以下几个方面。
1. 染色体染色体是真核生物中最重要、最基本的遗传物质，是基因在生物体内的物质传递介质，是遗传信息的载体。
在精细结构上，真核细胞中存在很多复杂的染色体结构，如核小体、类固醇激素受体、平衡染色体等。
2. 基因组复制真核生物的基因组复制主要包括原核生物和真核生物的不同模式，其中原核生物中存在着DNA单线复制机制，而真核生物则采用DNA复制机器进行自我复制。
与原核生物不同的是，真核生物的DNA复制机器必须满足染色体的线性特性和复杂的三维结构，包括多个酶和蛋白质。
3. 基因只读基因只读是指通过读取基因组中的基因序列，进而达到生物高效功能表达和调节的过程。
真核生物基因组的序列阅读具有高度异质性，不同物种、不同个体之间存在大量的序列差异，这在一定程度上阻碍了对真核生物的功能研究。
二、真核生物的基因组功能分析真核生物的基因组分析主要包括以下几个方面。
1. 蛋白编码基因预测蛋白编码基因是真核生物基因组的重要组成部分，对真核生物的基因组进行蛋白编码基因预测，可以揭示其生物功能和进化机制。
目前，已经建立了多种基于序列、结构、相对位置等的蛋白编码基因预测算法与工具，如Glimmer、InterProScan、Pfam等。
2. 生物信息分析真核生物的基因组分析需要大量的计算资源和分析工具，这就需要借助生物信息学的手段来实现。
蛋白质结构与功能分析
三、真核生物基因结构的预测分析1、蛋白质理化性质分析蛋白质理化性质是蛋白质研究的基础，分析包括分子质量、理论等电点（pI值）、氨基酸组成、原子组成、呈色反应、胶体沉淀、蛋白质的变形和复性、消光系数、半衰期、不稳定系数、脂肪系数和总平均疏水性等分析工具：ProtParam 工具/tools/protparam.htmlProtParam是基于蛋白质序列的组分分析，氨基酸亲疏水性等分析为高级结构预测提供参考分析方法（1）查找蛋白质的Swiss-Prot/TrEMBL AC号蛋白质的Swiss-Prot/TrEMBL AC号可以在UniProt（ /uniprot/index.html）中查找。
UniProt是欧洲生物信息学研究所EBI 将3个蛋白质数据库（即PIR 、SWISS-PROT和TrEMBL）统一起来而建立了一个蛋白质数据仓库在搜索框输入蛋白质名称（如Pichia pastoris Agglutinin-like protein 3）→Find（2）如果需要分析的蛋白是SWISS-PROT和TrEMBL数据库中已收录的蛋白质，则在输入蛋白质的Swiss-Prot/TrEMBL AC号(accession number)→点击“Compute parameters”（3）如果需要分析的是未知序列，则需在搜索框中粘贴氨基酸序列，返回结果即可得出结果分析：2、跨膜区分析使用工具：TMpredTMpred，它依靠一个跨膜蛋白数据库Tmbase（Hofmann和Stoffel，1993）。
Tmbase来源与Swiss-Prot库，并包含了每个序列的一些附加信息：跨膜结构区域的数量、跨膜结构域的位置及其侧翼序列的情况。
Tmpred利用这些信息并与若干加权矩阵结合来进行预测。
分析方法Tmpred的Web界面十分简明。
用户将单字符序列输入查询序列文本框，并可以指定预测时采用的跨膜螺旋疏水区的最小长度和最大长度。
真核生物结构基因
真核生物结构基因真核生物是指细胞核内含有真正的染色体，其中包含着基因，这些基因是决定生物遗传性状的基本单位。
基因是由DNA序列编码的，它们携带着生命信息。
基因的结构和组成对于生命的运作和表达起着至关重要的作用。
基因的结构基因通常由三个部分组成：启动子、编码区和终止子。
启动子位于基因的起始位置，是一段DNA序列，它可以激活基因的转录，从而将基因转录成mRNA。
编码区位于启动子的下游区域，它是一个由多个外显子和内含子组成的序列，编码区的序列决定了基因所编码的蛋白质的氨基酸序列。
终止子位于编码区的下游，它是基因转录终止的信号，从而完成mRNA的合成。
基因的组成基因由DNA序列编码，DNA序列是由四种不同的核苷酸组成的碱基序列，即腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）。
这四种碱基按照一定的顺序组成了DNA序列，而DNA序列又组成了基因序列。
基因序列是一段由多个碱基组成的DNA序列，这些碱基按照一定的顺序编码了蛋白质的氨基酸序列，从而决定了蛋白质的形状和功能。
基因的表达基因的表达是指基因信息从DNA转化为蛋白质的过程。
基因的表达受到多种因素的调控，其中包括启动子、转录因子和表观遗传学等。
启动子可以激活基因的转录，从而将基因转录成mRNA。
转录因子是一种特殊的蛋白质，它能够结合到启动子上，从而调控基因的转录。
表观遗传学是指与DNA序列无关的遗传学变化，如DNA 甲基化和组蛋白修饰等，这些变化会影响基因的表达。
总结基因作为生命的基本单位，决定了生物的遗传性状。
基因的结构和组成对于生命的运作和表达起着至关重要的作用。
基因由DNA序列编码，DNA序列是由四种不同的核苷酸组成的碱基序列组成的，而DNA序列又组成了基因序列。
基因的表达是指基因信息从DNA 转化为蛋白质的过程，受到多种因素的调控。
深入理解基因的结构和组成以及基因的表达，对于生命科学的研究和应用具有重要意义。
基因预测和蛋白质结构预测
实习五基因预测和蛋白质结构预测一、实习目的掌握对给定核酸/蛋白质序列的基因和结果的预测方法二、实习内容1、基因预测基因预测，一般是指预测DNA 序列中编码蛋白质的部分，即外显子部分。
目前基因区域的预测已从单纯外显子预测发展到整个基因结构的预测。
这些预测综合各种外显子预测的算法和人们对基因结构信号（如TATA BOX等）的认识，预测出可能的完整基因。
⏹GENSCANGENSCAN是一个使用HMM模型的基因识别程序。
GENSCAN有几个明显的特点：它能在基因组DNA序列中找出一个完整的外显子—内含子结构，具有在给定的DNA序列中识别多个基因的能力，还可以同时处理正、反两条链。
⏹GENEMARK/genemark/GENEMARK是一个免费的基因识别软件，它由多个软件组成，分别适用于细菌和原核生物（GeneMark-P）、真核生物（GeneMark-E）以及病毒和噬菌体（GeneMark-S）等。
根据自己的序列所属的物种，选用合适的软件进行分析。
⏹其它基因预测相关网站基因预测专业网站：/software.html GRAIL-利用人工神经网络进行预测/grailexp/geneidhttp://genome.imim.es/software/geneid/GLIMMER 利用HMM模型进行基因识别/software/glimmer/FGENESH/berry.phtml?topic=index&group=programs&subgroup=gfind2、蛋白质结构预测SWISS-PROT曾是最重要的蛋白质数据库之一，现在它已经与trEMBL合并，组成一个新的蛋白质数据库UniProt。
在SWISS-PROT网站上有大量的蛋白质分析工具的链接，/tools/，在这个页面上包括Protein identification and characterization，DNA -> Protein，Similarity searches，Pattern and profile searches，secondary structure prediction，Tertiary structure, Sequence alignment等14类蛋白质分析工具。
实验2真核生物基因.组DNA的提取、电泳
8-羟基喹啉： 0.1% 黄色酚相指示剂 抗氧化剂
6、酚/氯仿
氯仿作用： a. 氯仿的变性作用不如酚好， 但与酚共同/交替使用可增强去蛋白效果； b. 氯仿有加速有机相和水相的分离、 去除植物色素和蔗糖、抑制核酸酶活性；
7、氯仿/异戊醇 ( 24 : 1)
氯仿的作用： 去除DNA水溶液中残留的微量酚。 异戊醇的作用：减少操作过程中气泡的产生。
• BSA ：100-200ug/ml，保护酶蛋白不失活。 • 内切酶：含50%甘油，-20℃保存。 • 反应体积：一般根据底物DNA的量来计算。反应体系中甘油浓 度应<5%。
提取模板DNA的常见目的
1. Southern blot
DNA水平基因结构分析的重要策略之一. 基因组DNA酶切电泳后可以直接用于Southern blot 转膜。
电泳样品载体琼脂糖是一种线性多糖聚合物， 煮沸冷却后形成网格样结构，电泳中起分子筛作 用。通常情况下，分子量大的DNA电泳过程中由于 受到的阻力较大，泳动速率较慢，反之，分子量 较小的DNA片段跑在前面。
二、 琼脂糖凝胶电泳的实验操作 1. 制备1%琼脂糖凝胶
2. 样品准备及上样 每组两份样品： 样品1：8l基因组DNA + 1 l 10×上样液，混匀。 样品2：10l酶切产物 + 1 l 10×上样液，混匀。
2.0
思考： 凝胶的浓度不合适时电泳会出现什么现象？
五、 电泳仪的使用方法
稳压: 电流旋钮调到最大，再根据需要调节电压。 如箭头所示。
六、预期结果
用内切酶酶切基因组，电泳结果
可出现连续的、弥漫云雾状带， 称 Smear 带。
识别 6bp序列的内切酶，平 均每4096 bp长度出现一次切割 概率。
遗传学知识：基因功能结构的预测
遗传学知识：基因功能结构的预测基因是生命体中最基本的遗传单位，它由遗传物质DNA编码，决定了生命体的遗传特征和生物功能。
研究基因的功能结构具有极其重要的意义，因为这有助于我们更好地理解生物学中的一些重要现象，如遗传性疾病、癌症等。
本文将重点介绍基因功能结构的预测方法。
基因功能结构的预测是指对基因编码蛋白质的功能和结构进行预测的工作。
目前，这一领域已经涌现出许多不同的预测方法。
其中，最常用的方法是“同源性比对法”和“基于机器学习的方法”。
同源性比对法是通过比较序列中已知功能的蛋白质与待确定的蛋白质序列之间的相似性，从而预测其功能。
这种方法的优点在于，它可以通过利用已知的基因功能信息来快速而准确地预测目标基因的功能。
但是，这种方法也有局限性，因为如果已知的蛋白质序列与待比对的蛋白质序列相差太大，或者存在大量的突变，那么预测的准确性就会降低。
与同源性比对法不同的是，基于机器学习的方法是通过构建模型来进行基因功能结构的预测。
这种方法需要大量的训练数据和算法，以便可以从海量数据中找到准确的模型。
它的优点在于，它可以很好地应对突变和借鉴其他物种基因的功能。
但这种方法也有一些缺点，比如需要大量的计算和存储资源，且需要人为处理大量的数据。
对于基因功能结构的预测，目前广泛采用的是“拟态模型”。
该模型是通过检测已知基因的序列和结构来预测未知基因的功能。
当我们发现两个基因在结构或序列上具有极度的相似性时，我们就可以将它们归为同一类，然后预测它们可能具有相同的功能。
这种方法可以提高我们对基因序列和结构功能的理解，并有助于我们发现许多可能有用的基因，帮助生物科学家更好地理解和探索生命体系。
总之，基因功能结构的预测是生物学研究的重要领域之一。
通过对基因编码蛋白质的功能和结构进行预测，我们可以更好地理解遗传性疾病、癌症等重要的生物学现象。
不同的预测方法有各自的优点和限制，科学家们需要在选用方法上做出权衡并结合实际情况来选择适合自己的方法。
基因二级结构的预测与设计
基因二级结构的预测与设计随着基因工程技术的发展，基因二级结构的预测与设计已经成为了重要的领域之一。
基因二级结构是指DNA分子在空间上的结构形态，它对于基因的表达和功能起着关键的作用。
在研究基因的过程中，预测和设计其二级结构已成为了必要的工具。
基因二级结构的预测是指通过计算机模拟或实验方法，得出基因的二级结构形态。
通过这种方式，可以预测DNA分子中的局部和全局结构，从而更好的研究其生物学性质和功能。
预测基因结构的方法主要包括三种：纯理论方法、实验方法和混合方法。
纯理论方法主要是通过计算机模拟的方式，预测基因的二级结构。
其中最常用的方法是基于自发折叠模型的动力学模拟法。
这种方法通过模拟DNA分子的动力学过程，推断出最可能的二级结构形态。
纯理论方法的好处是速度快，不受实验条件影响，但是预测的准确度有限。
实验方法是指通过实验手段，观察和测量基因分子的各种性质，从而预测其二级结构。
实验方法主要包括核磁共振法、X射线衍射法、质谱法等。
实验方法的优点在于可以得到高精度的结果，但是需要较高的技术和设备条件，费用也较高。
混合方法是指将纯理论方法和实验方法结合起来，以提高预测准确度。
混合方法包括动力学模拟法和核磁共振法的结合、动力学模拟法和X射线衍射法的结合等。
混合方法的优点在于准确度高，但是计算量较大，需要较长时间的计算。
基因二级结构的预测对于研究基因的结构和功能非常重要。
通过预测基因结构，可以发现新的基因功能，并解释许多生命现象的原理。
例如，预测肽链的二级结构可以预测其功能和性质；预测RNA分子的二级结构可以帮助我们理解RNA调节信号和基因表达的机制。
基因二级结构的设计是指通过改变基因序列，使其形成特定的二级结构。
基因二级结构的设计需要满足一系列的条件，如稳定性、可控性、特异性等。
基因二级结构的设计方法主要包括两种：靶向结合法和基于物理化学的设计法。
靶向结合法是指在已知目标分子的基础上设计序列，以达到特定的二级结构形态。
基因结构及基因预测
§6.1
高等真核生物 基因结构与基因预测简介
§6.1.1 真核生物的基因结构
1 基因(gene)的概念
基因的概念随着科学的发展而不断发展，迄今为止，仍有各种 说法。
Today when we speak of a gene for some malady, a regulatory gene, a structural gene, or a gene frequency, it is entirely possible that we are deploying different gene concepts even though we are using the same term.
人类结构基因的结构示意图
人类结构基因的结构示意图
Contig 3 of Ch21
(Total length: 3,450,497 Bp)
Intergenic region Gene Exon Intron
Gene:“TRPC7” (Total length: 62,668 Bp)
Coding: 3,345 bp (1,115 AA)
人（Homo sapiens）的基因组：
平均每个基因包含内含子4.0个（最多的是116个），外显子5.0 个，每1kb的CDS平均含有5.3个内含子，是这10种真核生物中 内含子数目最多、长度最大的。内含子的平均长度为3413.1bp， 其中大多数为75～150bp，已知最长的内含子要大于100kb。 每1kb的CDS所包含的内含子长度为6825bp。同样地，人类基 因组外显子长度的概率分布要比内含子的概率分布要紧凑得多。
6 与转录有关的调控信号
(1)、启动子（promoter） (2)、增强子（enhancer） (3)、负性调节元件 (4)、LCR（Locus control regions）（基因座调控区） (5)、转录因子 (6)、与转录终止有关的序列： (7)、mRNA的剪接
简述真核生物基因的结构特点
简述真核生物基因的结构特点真核生物基因的结构特点包括以下几个方面:1. 真核生物基因位于染色体上，是真核生物细胞中的核心结构。
染色体是由 DNA 和蛋白质组成的复合物，是在细胞分裂时传递遗传信息的基本单位。
真核生物基因组的 DNA 与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内。
除配子细胞外，体细胞内的基因组是双份的 (即双倍体，diploid),即有两份同源的基因组。
2. 真核细胞基因转录产物为单顺反子 (monocistron),即一个结构基因转录、翻译成一个 mRNA 分子，一条多肽链。
真核生物的基因转录是在 DNA 模板上以 RNA 为模板进行转录，产生的 mRNA 是单链，在细胞质中由核糖体(ribosome) 进行翻译。
3. 真核生物基因组中存在大量重复序列，包括高度重复序列和中度重复序列。
高度重复序列重复频率可达 106 次，包括卫星 DNA、反向重复序列和较复杂的重复单位组成的重复序列;中度重复序列可达 103～104 次，如为数众多的Alu 家族序列，KpnI 家族，Hinf 家族序列，以及一些编码区序列如 rRNA 基因、tRNA 基因、组蛋白基因等。
4. 真核生物基因是不连续的，在真核生物结构基因的内部存在许多不编码蛋白质的间隔序列 (interveningsequences),称为内含子 (intron),编码区则称为外显子 (exon)。
内含子与外显子相间排列，转录时一起被转录下来，然后RNA 中的内含子被切掉，外显子连接在一起成为成熟的 mRNA，作为指导蛋白质合成的模板。
5. 真核生物基因组远大于原核生物的基因组，具有许多复制起点，而每个复制子的长度较小。
真核生物基因组 DNA 与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内。
除配子细胞外，体细胞内的基因组是双份的 (即双倍体，diploid),即有两份同源的基因组。
真核生物基因组-2
真核生物基因组-2（二）中度重复序列中度重复序列是指在真核基因组中重复数十至数万次（<105）的重复序列。
其复性速度快于单拷贝顺序，但慢于高度重复序列。
少数在基因组中成串排列在一个区域，大多数与单拷贝基因间隔排列。
依据重复序列的长度，中度重复序列可分为两种类型。
1．短分散片段（short interspersed repeated segments，SINES）重复序列的平均长度为300bp（一般<500bp），与平均长度为1000bp左右的单拷贝序列间隔排列，拷贝数可达10万左右。
如Alu家族、Hinf家族等属于这种类型的中度重复序列。
Alu家族是哺乳动物基因组中含量最丰富的一种中度重复顺序家族，约占人类基因组的3%~6％。
Alu家族每个成员的长度约300bp，每个单位长度中有一个限制性内切酶Alu的切点（AG↓CT），Alu可将其切成两段，130bp和170bp，因而定名为Alu序列（或Alu家族）。
Alu序列分散在基因组中，在间隔区DNA，内含子中都发现有Alu序列。
Alu序列具有种特异性，以人的Alu序列制备的探针只能用于检测人的基因组中的Alu序列，由于在大多数的含有人的DNA的克隆中都含有Alu 序列，因此，可用以人的Alu序列制备的探针与克隆杂交来进行筛选。
2．长分散片段（long interspersed repeated segments，LINES）重复序列的长度大于1000bp，平均长度为3500~5000bp，如KpnⅠ家族等。
中度重复序列在基因组中所占比例在不同种属之间差异很大，在人类基因组中约为12％。
中度重复序列大多不编码蛋白质。
其功能可能类似于高度重复序列。
有些中度重复序列则是编码蛋白质或rRNA的结构基因，如HLA基因、rRNA基因、tRNA基因、组蛋白基因、免疫球蛋白基因等。
中度重复序列可存在于结构基因之间、基因簇之中，甚至存在于内含子内部等。
中度重复序列一般具有种属特异性，因此在适当的情况下，可以应用它们作为探针以区分不同种属哺乳动物细胞来源的DNA。
真核生物基因组结构
真核生物DNA 复性曲线的模 式图
复性反应分为 三P相74，图每－相16代 表不同复杂长 度的序列类型
大部分结构基因 位于非重复的 DNA序列内
第二节 断裂基因（split gene）
不连续基因（interrupted gene）
编码某一RNA的基因中有些序列并不出现在成熟 的RNA序列中，成熟RNA的序列在基因中被其他的 序列隔开。
因家族, 一般往往以基因家族的形式存在。
Alu family（Alu 家族）：
•长约300bp的片段，大多数片段含有一个限制性内切 酶AluⅠ的酶切位点（AGCT）; • 均匀分散在整个基因组中的非重复序列间; • 在人类基在103mol.s/L以上，复性速度极慢， 在一个基因组中只有一个拷贝或2~3个拷贝，也 称非重复序列（单一序列、单拷贝序列）。 结构基因 (蛋白质基因)大多是单拷贝序列。
人类珠蛋白基因家族－－－典型的基因家族
珠蛋白 血红蛋白
血红素
α2β2 不同的亚基由各自的基因编 码
血红蛋白（ Hb ）
发育过程中的珠蛋白的亚基组成
类α链
α2γ2
2% 97% 1%
类β链
两种亚基的编码基因分别形成两个不同的基因簇, 并存在于不同的染色体上。
每个基因簇中的基因按其在发育过程中的表达次序从 5’→3’排列在编码链上(其中包括有功能的基因和假基 因)
1）零时复性序列：
具有反向重复结构（也称回文结构），可在 同一条链内形成双链区，变性后再复性时，在链 间复性之前就已发生链内复性，因此不遵循二级 反应动力学方程。由于这种序列的复性速度非常 快，在动力学上称为零时（或瞬时）复性序列。
DNA复性后可出现发卡形结构。这种序列常 常是DNA复制酶、转录酶以及特异蛋白质的结合 部位。
实验二 核酸序列分析
实验二核酸序列分析【实验目的】1、掌握已知或未知序列接受号的核酸序列检索的基本步骤；2、掌握使用BioEdit软件进行核酸序列的基本分析；1、熟悉基于核酸序列比对分析的真核基因结构分析（内含子/外显子分析）；2、了解基因的电子表达谱分析。
【实验原理】针对核酸序列的分析就是在核酸序列中寻找基因，找出基因的位置和功能位点的位置，以及标记已知的序列模式等过程。
在此过程中，确认一段DNA序列是一个基因需要有多个证据的支持。
一般而言，在重复片段频繁出现的区域里，基因编码区和调控区不太可能出现；如果某段DNA片段的假想产物与某个已知的蛋白质或其它基因的产物具有较高序列相似性的话，那么这个DNA片段就非常可能属于外显子片段；在一段DNA序列上出现统计上的规律性，即所谓的“密码子偏好性”，也是说明这段DNA是蛋白质编码区的有力证据；其它的证据包括与“模板”序列的模式相匹配、简单序列模式如TATA Box等相匹配等。
一般而言，确定基因的位置和结构需要多个方法综合运用，而且需要遵循一定的规则：对于真核生物序列，在进行预测之前先要进行重复序列分析，把重复序列标记出来并除去；选用预测程序时要注意程序的物种特异性；要弄清程序适用的是基因组序列还是cDNA序列；很多程序对序列长度也有要求，有的程序只适用于长序列，而对EST这类残缺的序列则不适用。
1. 重复序列分析对于真核生物的核酸序列而言，在进行基因辨识之前都应该把简单的大量的重复序列标记出来并除去，因为很多情况下重复序列会对预测程序产生很大的扰乱，尤其是涉及数据库搜索的程序。
2. 数据库搜索把未知核酸序列作为查询序列，在数据库里搜索与之相似的已有序列是序列分析预测的有效手段。
在理论课中已经专门介绍了序列比对和搜索的原理和技术。
但值得注意的是，由相似性分析作出的结论可能导致错误的流传；有一定比例的序列很难在数据库里找到合适的同源伙伴。
对于EST序列而言，序列搜索将是非常有效的预测手段。
真核生物染色体基因组的结构和功能
真核生物染色体基因组的结构和功能∙真核生物基因组特点∙高度重复序列o反向重复序列o卫星DNAo较复杂的重复单位组成的重复顺序o高度重复序列的功能∙中度重复顺序o Alu家族o KpnⅠ家族o Hinf家族o rRNA基因o多聚dＴ－dＧ家族o组蛋白基因∙单拷贝顺序（低度重复顺序）∙多基因家族与假基因∙自私DNA(selfish DNA)真核生物的基因组一般比较庞大，例如人的单倍体基因组由3×106 bp硷基组成，按1000个碱基编码一种蛋白质计，理论上可有300万个基因。
但实际上，人细胞中所含基因总数大概会超过10万个。
这就说明在人细胞基因组中有许多DNA序列并不转录成mRNA用于指导蛋白质的合成。
DNA的复性动力学研究发现这些非编码区往往都是一些大量的重复序列，这些重复序列或集中成簇，或分散在基因之间。
在基因内部也有许多能转录但不翻译的间隔序列（内含子）。
因此，在人细胞的整个基因组当中只有很少一部份（约占2-3％）的DNA 序列用以编码蛋白质。
真核生物基因组有以下特点。
1.真核生物基因组DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内，除配子细胞外，体细胞内的基因的基因组是双份的（即双倍体,diploid），即有两份同源的基因组。
2.真核细胞基因转录产物为单顺反子。
一个结构基因经过转录和翻译生成一个mRNA 分子和一条多肽链。
3.存在重复序列，重复次数可达百万次以上。
4.基因组中不编码的区域多于编码区域。
5.大部分基因含有内含子，因此，基因是不连续的。
6.基因组远远大于原核生物的基因组，具有许多复制起点，而每个复制子的长度较小。
高度重复序列：高度重复序列在基因组中重复频率高，可达百万(106)以上，因此复性速度很快。
在基因组中所占比例随种属而异，约占10-60％，在人基因组中约占20％。
高度重复顺序又按其结构特点分为三种。
（1）倒位（反向）重复序列这种重复顺序复性速度极快，即使在极稀的DNA浓度下，也能很快复性，因此又称零时复性部分，约占人基因组的5％。
真核生物基因结构的预测分析
翻译
编码区预测
基因结构分析
蛋白质序列
蛋白质理化性质 二级结构预测 结构域分析 重要信号位点分析 三级结构预测
Codon bias 选择性剪切 GC Content 转录调控因子 限制性酶切位点
序列比对 功能注释 KEGG GO 系统发育树
3
真核生物基因的主要结构
4
基因结构分析常用软件
密码子表的选择
计算所有指数 27
CodonW结果界面
各项指数输出结果
密码子使用频率
28
• CAI (Codon Adaptation Index)密码子适应指数
目标基因与高表达基因的密码子偏好性的相似程度 （1完全相同，0完全不相同，本例为0.173）
• CBI (Condon Bias Index)密码子偏好指标
24
基因密码子偏好性
25
1.研究蛋白质结 构功能中的作用 2.在表达外源基 因方面的作用 3.在生物信息学 研究中的作用
26
基因密码子偏好性: CodonW
http://mobyle.pasteur.fr/cgi-bin/portal.py?form=codonw#forms::codonw
粘帖目的序列
BLAST比对到的三条mRNA序列
36
输入基因组序列或序列数据库号
输入相似性序列
判断用于分析的序列间的 差异，并调整比对参数 比对阈值
不受默认内含子长度限 制， 默认长度：内部内含子 为35kb, 末端内含子为 100kb 输出格式选择
选择物种
37
Spidey输出结果
第一条蓝色序列 为基因组序列， 橘黄色为外显子 外显子对应于 外显子对应于 基因组上的 mRNA/cDNA上的 起始/结束位置 起始/结束位置 供体、受体位点
真核生物结构基因
真核生物结构基因真核生物是指细胞内有核和其他细胞器的生物，包括动物、植物、真菌和原生动植物等。
结构基因是指编码蛋白质的基因。
在真核生物中，结构基因是生命活动的重要组成部分，控制着细胞的生长和分化等重要生物过程。
真核生物的细胞结构真核生物的细胞结构主要包括细胞核、线粒体、内质网、高尔基体、溶酶体等。
其中，细胞核是真核细胞的重要特征，包含了细胞的遗传信息和控制蛋白质合成的核糖核酸。
线粒体是细胞内的能量中心，参与了细胞的呼吸作用。
内质网则参与了蛋白质的合成和运输等活动。
高尔基体则负责将蛋白质及其他分子送达其它细胞器或细胞外。
溶酶体则起到了消化细胞外物质和细胞内垃圾的作用。
真核生物的基因结构真核生物的基因结构主要包括启动子、外显子和内含子等。
启动子是基因的起始点，其中包含有调控基因转录的序列。
外显子则编码了蛋白质所需要的信息。
内含子则是指在基因转录过程中，需要被剪切掉的无用序列。
另外，真核生物的基因还包括了转录因子和RNA剪接因子等，这些因子参与了基因的表达和调控过程。
真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控非常复杂，包括转录起始、RNA加工、转运和翻译等多个环节。
其中，转录因子的作用非常重要，它们可以结合到启动子上，激活或抑制基因的转录过程。
此外，RNA剪接也是基因表达的重要调控机制，它可以选择性地剪切内含子，从而调节外显子的组合方式，影响蛋白质的翻译过程。
真核生物的基因编辑技术近年来，CRISPR/Cas9等基因编辑技术的出现，使得真核生物的基因编辑变得更加方便和高效。
通过这些技术，可以对真核生物的基因进行精准的编辑和修改，从而实现对基因表达和调控的精确控制。
这些技术的出现为真核生物研究提供了新的思路和手段，也为人类疾病的治疗和基因工程的发展提供了新的可能性。
真核生物结构基因是生命活动的重要组成部分，对于真核生物的生长、分化和遗传等方面都有着重要的作用。
随着基因编辑技术的不断发展，相信我们对于真核生物结构基因的了解和应用将会更加深入和广泛。
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输入相似性序列
判断用于分析的序列间的 差异，并调整比对参数 比对阈值
不受默认内含子长度限 制， 默认长度：内部内含子 为35kb, 末端内含子为 100kb 输出格式选择
选择物种
40
Spidey输出结果
第一条蓝色序列 为基因组序列， 橘黄色为外显子 外显子对应于 外显子对应于 基因组上的 mRNA/cDNA上的 起始/结束位置 起始/结束位置 供体、受体位点
13
课堂练习
• 1使用GENESCAN预测序列中可能的ORF。 • 2使用GENOMESCAN预测序列中可能的 ORF。
• 练习用的序列文件在c:\zcni\shixi2文件下， 名字为clone.fasta，使用写字板打开查看。
14
转录调控序列分析
CpG岛、转录终止信号和启动子区域的预测
15
CpG岛的预测
提交序列 提交序列文件
21
POLYAH输出结果
GENESCAN预测结果 PolyA位点52490bp
polyA位置
22
启动子区结构
启动子（Promoter）
位于结构基因5’端上游，能活化RNA聚合酶，使之与模板 DNA结合并具有转录起始的特异性。 转录起始位点(Transcription start site, TSS)
/~mfrith/cister.shtml
Web
Web
25
启动子预测：PromoterScan
/molbio/proscan/
提交序列
26
PromoterScan输出结果
找到的TATA box和转录起始位点
Fgenes FgeneSV Generation FGENESB GenomeScan GeneWise2
Softberry Softberry ORNL Softberry MIT EBI
人（基因结构） 病毒 原核 细菌（基因结构） 脊椎、拟南芥、玉米 人 7 人、小鼠、拟南芥、果蝇
GRAIL
/grailexp/
29
基因密码子偏好性: CodonW
粘帖目的序列
密码子表的选择 如需计算FOP/CBI 选择相应物种 如需计算CAI选择 相应物种 输出格式(默认不选) 汇总所有基因的信息 30
参数选择
计算所有指数
选择导入对应物种 CAI FOP CBI数据 计算有效密码子数 计算GC含量 计算GC3s含量
计算同义密码子 第三位碱基组成
序列联配结果
外显子 序号
外显子 一致性 长度 百分比
错配和gap
41
课堂练习
• 1 练习两种预测剪切位点的软件的使用， NetGene2和Spidey。
参数选项
提交序列
提交序列文件
GENESCAN 预测结果
起始为532bp 终止于51783bp
19
转录终止信号
上游作用元件：AAUAAA
mRNA前体 5’ AAUAAA CA GU 3’
成熟mRNA
5’
AAUAAA
CAAAAAAAAAAAAA
3’
下游作用元件：GC rich二重对称区、UUUUUU
实习二 真核生物基因结构的预 测分析
浙江加州国际纳米技术研究院 2010年11月
苏锟楷 楼小燕 韩序 蒋 琰
1
课程内容
实习一 实习二 基因组数据注释和功能分析 真核生物基因结构的预测分析
基因组学 系 统 生 物 学
实习三
实习四 实习五 实习六
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
转录物组学
蛋白质组学
系统生物学软件实习
2
基因组功能分析
基因组序列 cDNA序列
翻译
编码区预测
基因结构分析
蛋白质序列
蛋白质理化性质 二级结构预测 结构域分析 重要信号位点分析 三级结构预测
Codon bias 选择性剪切 GC Content 转录调控因子 限制性酶切位点
序列比对 功能注释 KEGG GO 系统发育树
开放读码框的识别
• 开放读码框（open reading frame, ORF) 是一段起始密码子和终止密码子之间的碱基序列 • ORF 是潜在的蛋白质编码区
6
基因开放阅读框/基因结构分析识别工具
ORF Finder BestORF GENSCAN Gene Finder FGENESH GeneMark GLIMMER /gorf/gorf.html /berry.phtml?topic=bestorf& group=programs&subgroup=gfind /GENSCAN.html /tools/genefinder/ /berry.phtml?topic=fgenesh &group=programs&subgroup=gfind /GeneMark/eukhmm.cgi /genomes/MICROBES/gli mmer_3.cgi /software/glimmer /berry.phtml?topic=fgenes& group=programs&subgroup=gfind /berry.phtml?topic=virus&gr oup=programs&subgroup=gfindv /generation/ /berry.phtml?topic=fgenesb &group=programs&subgroup=gfindb /genomescan.html /Wise2/ NCBI Softberry MIT Zhang lab Softberry GIT Maryland 通用 真核 脊椎、拟南芥、玉米 人、小鼠、拟南芥、酵母 真核(基因结构) 原核 原核
CpG岛
常位于真核生物基因转录起始位点，GC含>50% ， 长度>200bp的一段DNA序列。
16
CpG Island 分析常用软件
CpG Island /cpgislands2/cpg.asp Web x /emboss/cpgplot/index. Web html /berry.phtml?topic=c pgfinder&group=programs&subgroup=pro Web moter /CpG130.do web
计算同义密码子数量 密码子总数
31
CodonW结果界面
各项指数输出结果
密码子使用频率
32
课堂练习
• 使用CodonW分析基因的密码子使用偏好， 了解密码子偏好分析中各指数的含义。
33
内含子/外显子剪切位点识别
如何分析核酸序列中的外显子组成？
通过对特征序列(GT-AG)的分析进行直 接的预测基因预测软件（NetGene2）
MatInspector
/berry.phtml?topic=ind ex&group=programs&subgroup=promoter
http://www.gene-regulation.de/
Web
Web
RSAT
Cister
http://rsat.ulb.ac.be/rsat/
与相应的基因组序列
35
剪切位点识别：NetGene2
http://www.cbs.dtu.dk/services/NetGene2/
选择物种
提交序列
36
NetGene2输出结果
相位 供体位点 可信度
受体位点
37
mRNA剪切位点识别：Spidey
RNA 5’
UUUUUUUUU C-G C-G G-C G-C U-A G-C G-C C-G G-C
3’
20
转录终止信号预测：POLYAH
/berry.phtml?topic=polyah&group=programs &subgroup=promoter
预测可能的转录因子
转录因子在提交序列中的位置
27
课堂练习
• 1 使用CpG Plot预测基因的CpG island位 置。 • 2 使用PolyAH预测基因可能的转录终止 的位置。 • 3 使用PromotorScan寻找基因上游序列 里可能的转录因子调控区域。
28
基因密码子偏好性
1.研究蛋白质结 构功能中的作用 2.在表达外源基 因方面的作用 3.在生物信息学 研究中的作用
3
真核生物基因的主要结构
4
基因结构分析常用软件
GENSCAN 开放读码框 GENOMESCAN CpG岛 转录终止信号 CpGPlot POLYAH PromoterScan CodonW NETGENE2 mRNA剪切位点 Spidey 选择性剪切 ASTD
5
基因结构分析
启动子/转录起始位点 密码子偏好分析
/spidey
• NCBI开发的在线预测程序 • 用于mRNA序列同基因组序列比对分析
38
Spidey同源序列的获得:序列比对
• 通过BLAST进行序列比对，找到可能同源 的相似性好的一系列mRNA序列。
BLAST比对到的三条mRNA序列
39
输入基因组序列或序列数据库号
PYCAPY（嘧啶）
核心启动子元件(Core promoter element) TATA box，Pribnow box （TATAA)
上游启动子元件(Upstream promoter element，UPE)
CAAT box，GC box，SP1，Otc
增强子(Enhancer)
23
CpGPlot
CpG finder CpGi130
CpGproD
http://pbil.univlyon1.fr/software/cpgprod_query.html