生物信息学在生物研究中的应用

生物信息学在生物学研究中的应用

(四川大学生命科学学院生物学基地班 )

摘要：生物信息学（Bioinformatics）是80年代兴起的一门新的交叉学科，随即在基因组学研究、蛋白质组学研究及相关领域广泛应用。生物信息学对生物数据进行收集、整理与服务，并从中发现规律指导研究，是当今生物学研究不可或缺的重要工具。

关键词：生物信息学；基因组学；蛋白质组学；生物学研究生物信息学是20世纪80年代末伴随着基因组测序数据的迅猛增长而逐渐兴起的一门新兴科学，是当今世界的研究热点。了解生物信息学的定义、研究内容及其在生物学上的应用，对于生命科学领域的研究具有重大意义。

1.生物信息学的定义和研究内容

1.1生物信息学定义

由于生物信息学是一门新兴的、正在迅速发展的交叉学科，目前国内外对生物信息学的定义众说纷纭，没有形成统一认识。概括来说，现代生物信息学是采用计算机技术和信息论方法研究蛋白质及核酸序列等各种生物信息的采集、储存、传递、检索、分析和解读的科学，是现代生命科学与信息科学、计算机科学、数学、统计学、物理学和化学等学科相互渗透而形成的交叉学科。

1.2生物信息学的研究内容

目前，国际上公认的生物信息学的主要研究内容大致包括以下方面：①生物信息的收集、储存、分析、管理和提供；②基因组序列信

息的提取和分析；③功能基因组相关信息分析；④生物大分子结构模拟和药物设计；⑤生物信息分析的技术与方法研究；⑥应用与发展研究。

2．生物信息在生物学研究上的应用

2.1 基因组学研究

基因组（genome）表示一个生物体所有的遗传信息的总和。一个生物体基因所包含的信息决定了该生物体的生长、发育、繁殖和消亡等所有生命现象。有关基因组的研究称为基因组学(Genomics)，基因组学根据研究重点的不同分为序列基因组学(Sequence genomics)、结构基因组学(Structural genomics)、功能基因组学(Functional genomics)与比较基因组学(Comparative genomics)。

结构基因组学的研究：结构基因组学(Structural genomics)是基于基因组学的一个重要组成部分和研究领域，它是一门通过基因作图、核苷酸序列分析确定基因组成、基因定位的科学口。生物信息学在结构基因组学中的应用主要在于：基因组作图、核苷酸序列信息分析、基因定位、新基因的发现和鉴定等方面。

比较基因组学的研究：借助生物信息学的手段对不同生物基因组的比较、分析，可以进行生物进化等方面的研究。

功能基因组学的研究：功能基因组学(Functional genomics)是指在全基因组序列测定的基础上，从整体水平研究基因及其产物在不同时空、条件下的结构与功能关系及活动规律的学科。功能基因组的研究是后基因组时代的关键点，它将借助生物信息学的技术平台，利用

先进的基因表达技术及庞大的生物功能检测体系，从浩瀚无垠的基因库筛选并确知某一特定基因的功能，并通过比较分析基因及其表达的状态，确定出基因的功能内涵，揭示生命奥秘，甚至开发出基因产品。

2.2 蛋白质组学的研究

蛋白质组(proteome)是指一个基因组，一种生物或一种组织／细胞所表达的全套蛋白质，蛋白质组学(proteomics)是以蛋白质组为研究对象的新的研究领域，主要研究细胞内蛋白质的组成及其活动规律，建立完整的蛋白质文库。现有的蛋白质研究方法。如双向电泳等电聚焦(2一D)，色谱分析，质谱分析等，都需要特殊设备且价格昂贵；体外翻译表达系统可研究蛋白质的加工，释放和亚细胞定位，但操作烦琐，而生物信息学为我们提供了一条可以直接由基因或蛋白质序列进行

蛋白质功能预测和结构分析的捷径。生物信息学在蛋白质组学方面的研究主要在于以下两个方面：

蛋白质的结构与功能的研究：现有的研究结果表明，蛋白质的结构与功能有着密切的关系，尤其是蛋白质的三维结构。通过研究蛋白质三维结构可以预测其特定的功能。通过计算机辅助预测将序列、结构与功能分析等方法联系起来，可克服同源建模、折叠识别、threading 以及聚类分析法等方法的不足。生物信息学在蛋白质结构研究中的应用主要有：(1)靶点的选择；（2)同源性模拟；(3)基于结构基础上的功能的研究等。

蛋白质分子相互作用及其作用途径的研究：检测蛋白质分子间相互作用的方法，一是通过实验。另一种是通过计算机法，如启动子分析

技术。该技术的理论基础是，共调节基因的产物通常处于同一代谢通路中，而且，共表达意味着拥有共同的启动子或增强子。通过已知基因的作用途径来预测其相关基因的作用途径。但是，由于目前没法获得足够的参考数据，所以，对预测蛋白质分子间的相互作用及其作用途径的方法还很难进行评估。试验方法获得的有关蛋白质间的作用的数据主要来自于酵母双杂交实验，用这种方法得到的有关蛋白质间相互作用的方式只是结构域间的作用，并不代表完整蛋白分子间的作用方式，且作用的时间和地点也都发生了改变。因此，通过计算机技术模拟生物大分子的相互作用是一条比较理想的研究途径。

结语

生物信息学的发展将给生命科学研究带来革命性的变革，将帮助人类认识生命的起源、进化、遗传和发育的本质，揭示人体生理和病理过程的分子基础，为人类疾病的预测、诊断、预防和治疗提供合理和有效的方法或途径，同时还将对医药、卫生、食品、农业等产业产生巨大的推动作用，甚至可能引发新的产业革命。21世纪是生命科学的时代，生物信息学为生命科学的发展提供了便利和强有利的技术支持，推动着生命科学的迅速发展。