生物信息学研究进展_孙敏

第27卷第1期家畜生态学报Vo l.27No.1 2006年1月Acta Ecolog iae Animalis Dom astici Jan2006y

生物信息学研究进展

孙敏1,2,马月辉1*,叶绍辉2

(1.中国农业科学院畜牧研究所,北京100094; 2.云南农业大学动物科学技术学院,云南昆明650201)

[摘要]随着计算机科学和生物科学的迅猛发展,由此而诞生的生物信息学逐渐发展成为

一门独立的学科。它将会成为21世纪生命科学中的重要研究领域之一。本文简单介绍了生

物信息学的产生,发展,研究内容,应用及未来的发展方向等。

[关键词]生物信息学;基因组学;蛋白质组学;算法问题;数据预测分析模型

[中图分类号]S811.5[文献标识码]A[文章编号]1004-5228(2006)01-0006-05

生物信息学(Bio inform atics)是由生物科学,计算机科学,信息科学,应用数学,统计学等多门学科相互交叉而形成的一门新兴学科。它以计算机为主要工具,开发各种软件,对日益增长的DNA和蛋白质的序列和结构等相关信息进行收集、储存、发行、提取、加工、分析和研究,同时建立理论模型,指导实验研究,它由数据库、计算机网络和应用软件三大部分构成[1]。它包含了两个方面:一是对海量数据的收集,整理与服务;另一方面是从中发现新的规律。生物信息学不只是一门为了建立、更新生物数据库及获取生物数据而联合使用多项计算机科学技术的应用性学科,也不仅仅是只限于生物信息学这一概念的理论性学科。事实上,它是一门理论概念与实践应用并重的学科。它不仅具有重要的学术价值,还有很大的商业价值,有着远大的发展前景。随着后基因组时代的到来,它将发挥着越来越不可替代的作用。可以毫不夸张地说,生物信息学将是21世纪生物科学发展的核心领域。

1生物信息学的产生和发展

1.1生物信息学的产生

生物信息学这一词出现已经很久,早在1956年美国田纳西州盖特林堡召开的首次/生物学中的信息理论研讨会0上便产生了生物信息学的概念[2]。但是在最近20年左右,随着人类基因组计划(H GP)的迅猛发展,核酸序列的海量增加,才逐渐发展成为一门独立的学科。

1.2生物信息学的发展

生物信息学是伴随着人类基因组计划的实施逐渐发展壮大起来的,其发展历程大致经历了三个阶段[3],前基因组时代:这一阶段生物信息学的主要工作包括生物数据库的建立,检索工具的开发以及DNA和蛋白质序列分析。基因组时代:这一阶段生物信息学的主要工作是大量核苷酸序列测定、分析、新基因寻找和识别,以因特网为基础的网络数据库系统的建立和交互界面的开发以及基因组序列信息的提取分析等。后基因组时代:这一阶段生物信息学的主要研究工作将包括蛋白质组学研究及人类基因组注释。

现在世界上已有4个比较权威的生物信息学中心。他们分别是:美国国家生物技术信息中心(NC-BI)、基因组序列数据库中心(GSDB)、欧洲生物信息学研究所(EBI)和日本信息生物学中心(CIB)[4,5]。由于生物信息学是一门新兴的学科,这一领域的人才队伍奇缺。因此,现在许多国家开始设置专门的生物信息学专业,学习有关计算机、生物学、统计学等方面的知识,培养专门人才;同时,鼓励并支持数学、物理、化学和计算机科学技术工作者,学习有关的生物学知识,开展生物信息学方面的研究。此外,也要求生命科学家学习计算机知识,以满足未来生物学发展的需要[6,7]。在我国,生物信息学随着人类基因组研究的展开才刚刚起步,但已显

y[收稿日期]2005-04-18

[基金项目]国家自然科学基金(30371026)和国家科技基础条件平台工作项目(2003DEA3NO29)。

[作者简介]孙敏(1975-),女,山西吉林伊通人,在读硕士生,研究方向:动物遗传育种学。

*[通讯作者]马月辉(1964-),男,吉林伊通人,研究员,博士生导师,主要研究方向:畜禽遗传资源。

露出蓬勃发展的势头。许多科研单位已经开始或准备开始从事这方面的研究工作。北京大学研究建立起一个EM BL的镜像数据库(即完整地将EM BL 的数据库移植过来),并提供部分的检索服务。在复旦大学遗传学研究所,为克隆新基因而建立的一整套生物信息系统也已初具规模。中科院上海生化所、生物物理所等单位在结构生物学和基因预测研究方面也有相当的基础。国内一些综合性大学,如北京大学,浙江大学,武汉大学等也开始设置了专门的生物信息学专业,为我国生物信息学的发展提供足够的人才贮备。

2生物信息学的研究内容

总的来说,生物信息学的研究内容主要包括基因组学和蛋白质组学这两方面的研究。

2.1基因组学的研究

基因组(Genome)一词是1920年Winkles从Genes和Chrom oso mes组成的[8,9]。一个物种全部遗传信息的总和称为基因组,可以指一套染色体,也可指其中全部核苷酸序列。1986年美国著名科学家Thom as Roderick提出了基因组学(Genom ics),指对一个物种的所有基因进行基因组作图(包括遗传图、物理图谱、转录图谱),核苷酸序列分析,基因定位和基因功能分析的一门学科[8,10]。基因组学研究主要包括以下几方面的内容:以全基因组测序为目标的结构基因组学(Structur al Genom ics)和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学(Functio nal Ge-nom ics)以及以基因组比较为基础研究生物进化为目标的比较基因组学(Com parativ e Genomics)等。现在,从基因组研究角度出发的技术开发的发展和公共资源数据体系的大规模建立,为生物学和生物医学研究指引重要的新方向。基因组序列这一指导生物发育和发挥功能的信息综合体,是当今生命科学革命的核心。简单来讲,基因组学已经成为生物学和医学研究的核心和不可分割的学科。

2.1.1结构基因组学的研究结构基因组学(structural g enom ics)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[11]。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。

2.1.2比较基因组学的研究该领域的研究通过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。如通过对河豚鱼基因组与人的基因组的比较研究,发现其基因组与人类基因组序列有很高的同源性。河豚鱼拥有人类大部分的结构基因,缺少的只是人类基因组中的内含子部分。

2.1.3功能基因组学的研究功能基因组学(Functional g enom ics)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[12,13]。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。

2.1.4药物基因组学的研究药物基因组学(phar mico-genomics)以提高药物疗效与安全性为目的,研究影响药物作用,药物吸收、转运、代谢、清除等过程中基因差异,通过对疾病相关基因,药物作用靶点、药物代谢酶谱,药物转运蛋白基因多态性等方面研究,寻找新的药物先导物和新的给药方式,并指导临床用药[14]。尽管药物基因组学还是一门相当年轻的学科,与医疗实践还有很大一段距离,但人们对其前景充满信心。

2.1.5环境基因组学的研究环境基因组学( Envirom entalGeno mics),是专门鉴定机体暴露在特定环境下的那些显示易感或抵抗性基因的DNA多态性。对环境较敏感的基因有DNA修复基因、细胞周期相磁基因、激素代谢基因、受体基因、参与免疫和感染反应的基因和信号传导基因等等。

2.2蛋白质组学的研究

蛋白质组(pro teom e)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[14,15],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。它分为三个主要的领域:(1)规模化的蛋白质微量鉴定和他们的翻译后修饰分析,双相凝胶电泳分离蛋白质谱的应用引起蛋白质生化和功能分析方法的复兴;(2)/差异显示0蛋白质组学及其在医学研究中的应用;(3)应用质谱技术或酵母双杂交方法研究蛋白质与蛋白质的相互作用,蛋白质组学将能提供一个蛋白质相互作用的数据库。由于蛋白质比基因更靠近功能一步,所以,对它的研究可更直接导致生物学的新发现。随着后基因组时代的到来,蛋白质组学的深入研究将带来巨大的经济和社会效益。

现有的蛋白质研究方法。如双向电泳等电聚焦(2-D),色谱分析,质谱分析等,都需要特殊设备且价

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