11后基因组时代的生物信息学

后基因组时代的生物信息学 (生命科学学院 091 班 薛林娜 2090611127) 摘要：本文介绍生物信息学的发展历程、研究范围、研究对象，对后基 因组时代生物信息学的发展方向进行概述，并提出展望。 关键词：后基因组；生物信息学 Bioinformatics in the Post gelomic era Abstract:In this paper, the developing process,the research yield,and the research object are introduced.And the overview for the direction of the bioinformatics development in post-genomic era and its outlook are proposed. Key words: ,post-genqimc; Bioinformatiscs 生物信息学就是利用计算机科学(信息学)的技术手段来研究生物学 的数据, 如对生物数据进行获取, 存储, 传输, 计算, 分析, 模拟, 预 测等等。 20 世纪 80 年代以后，作为储存生物信息重要组成部分的生物信息 学数据库陆续建立。20 世纪 90 年代后，由美国、英国、法国、德国、 日本和我国共同参与的国际人类基因组（human genome project,HGP） 计划正式启动，旨在对人类基因精确测序，博弈全部遗传信息。 近十年来，除人类基因序列测序外, 另有上百个物种的基因序列都 基本上已经得到。其间, 不仅是序列测定, 同时进行了其他生物学, 特 别是分子生物学的研究, 获得了大量的实验生物数据。生物信息学, 作 为一门新兴学科, 便应运而生。 一、生物信息学的发展历程 生物信息学作为生命科学研究所必需的工具。在生命科学实践中越 来越显示出它的重要性，其发展历程大致经历了一下三个阶段。 （一）前基因组阶段 前基因组阶段，介于 20 世纪 50 年代末至 80 年代末( 标志是 HGP 启动) , 这一时期也是早期生物信息学研究方法逐步形成阶段，生物信 息学标志性的工作包括建立各种算法法则（如序列对比法） 、建立生物 数据库（如国际三大核酸序列数据库EMBL、GenBank 、DDBJ ） 、 以及分析 DNA 和蛋白质序列。 2 （二）基因组阶段 基因组阶段，介于20世纪80年代末( 标志是HGP 启动) 至2003年的 HGP 顺利完成, 这是生物信息学真正兴起并形成了一门多学科的交叉、 边缘学科。此阶段，生物信息学的标志性工作包括基因识别与发现、网 络数据库系统的建立和交互界面工具的开发等。人类基因组计划和各种 模式生物基因组测序的工作也进行全面开展。 （三）后基因组阶段 后基因组阶段，自 2003 年 HGP 完成开始。生物信息学在这一阶段 的主要工作是进行大规模基因组分析、蛋白质组分析以及其他各种基因 组学研究。随着人类基因组计划和各种基因组计划程序的完成，以及新 基因的发现，系统了解基因组内所有给予你生物功能成为后基因组时代 的研究重点。生物信息学进入了功能基因组时代。 二、后基因组时代生物信息学的研究范围及研究对象 （一）研究范围 后基因组时代将深入到研究单个分子的结构和运动规律结合宏观生 态学, 从大的角度来研究生命过程，着重于“序列、结构、功能、应用” 中的“功能和应用”部分，从系统角度研究生命过程的各个层次。就研 究面来说,涉及并参与各生命科学领域的研究。 （二）研究对象 在后基因组时代，生物信息学的研究对象是生物数据。其中最“经 典”的是分子生物学数据, 是基因组技术的产物DNA 序列。 1、分子与细胞生物学 以 DNA、RNA、蛋白质为对象，分析编码区和非编码区中信息结 构和编码特征以及相应的信息调节与表达规律等。 2、分子和生态进化 通从各种基因结构与成分的进化, 密码子使用的进化,到进化树的 构建,各种理论上和实验上的课题都等待生物信息学家的研究。过比较 不同生物基因组中各种结构成分的异同,可以大大加深我们对生物进化 的认识。 3、脑和神经科学 3 近年来, 神经生物学研究也取得了大量的科研成果, 但是这些 研究大多是在组织、细胞和分子水平进行的,不能很好地在系统和整体 水平上反映人脑活动的规律。随着核磁共振成像和正电子发射断层成像 的发展,应用计算机技术, 使得我们有可能在系统和整体水平上无创地 研究人脑的功能定位、功能区之间的联系以及神经递质和神经受体等。 由此产生的神经信息学研究将对我们了解脑、治疗脑和开发脑产生重大 作用。 4、生物物理学 研究的是生物的物理形态, 涉及生物能学, 细胞结构生物物理学, 电生理学等等。但这方面的生物数据获取和分析也越来越依赖于计算机 的应用了, 如模型的建立, 光谱、成像数据的分析等等。 5、医药学 在现有的基因测序的工作平台上,强化生物信息学平台的建设, 可 加快对突发性疫情,公共卫生进行监控和对制病源进行快速有效的分析 和解决。而结合生物芯片数据分析,确定药物作用靶,再利用计算机技术 进行合理的药物设计, 将是新药开发的主要途径。 6、农牧渔林学 生物信息学研究的步伐随着农业生物功能基因组和转基因动植物育 种的研究不断发展而加快。通过比较基因组学、表达分析和功能基因组 分析识别重要基因,为培育转基因动植物、改良动植物的质量和数量性 状奠定基础。 三、后基因组时代生物信息学的发展方向 步入后基因组时代，生物信息学的发展方向主要有以下 4 方面： 1.新基因 2.snp 3.比较基因 4.非编码区 5.蛋白结构 （一）各种生物基因组序列及新基因的发现 人类基因组和许多模式生物的基因组的测序已完成，接下来的工作 室对更多生物基因组的测序，获得更多物种的全部基因。从得到的基因 组序列中发现新基因是生物信息学研究的热点之一。对于从人类基因这 类复杂的基因组中发现新基因，可以利用 EST 和比较基因组学方法进行 4 研究。对于基因组小的原核生物和一些真核生物，可以通过基因组学的 理论方法预测其新基因。 （二）单核苷酸多态性性分析 单核苷酸多态性是第三代遗传标记, 在基因定位、遗传疾病和人类 起源等理论研究中具有重大意义, 在抗药性或药物过敏反应中扮演着极 其重要的角色, 正逐步成为分子诊断、临床检验、新药研发的重要手段。 SNP 在人类基因与疾病的研究中将发挥愈来愈大的作用，SNP 研究成为 生物信息学研究的热点之一。 （三）基因组非编码区信息结构与分析 在人类基因组中,编码部分只占总序列 5%，非编码区占 95%，这样 庞大复杂的非编码其必定包含这我们还不知道的与生物进化相关的信息。 分析非编码区 DNA 序列需要大胆的想象和崭新的研究思路和方法。 （四）比较基因组学与生物进化研究 在后基因时代, 随着各种后基因组计划的实施，具有完整基因组数 据的物种越来越多。比较基因组信息学的重要研究方向之一就是生物进 化，它主要通过模式生物基因组之间的比较与鉴别, 为研究和理解生物 的进化、人类遗传病候选基因的分离以及新的基因功能预测提供重要依 据。它的主要使用方法有分类方法和比对技术( 序列比较、结构比较等) 。这些方法也已渗透到蛋白质组信息学研究领域中, 近年来该方向的研 究主要侧重在对这些技术的改进提高上。序列比对广泛应用于生物信息 学的各个研究中，如数据库搜索、进化发育分析、蛋白质的同源建模等。 （五）蛋白质结构和功能的研究 蛋白质结构预测对理解蛋白质结构与功能的关系，加强蛋白质工程 及给予结构的药物分子设计具有十分重要的意义。然而依靠 X 射线晶体 学技术、多位核磁共振波谱学技术研究蛋白质三维结构的进度非常慢， 因此蛋白质空间结构的预测成为生物信息学研究的焦点之一。所谓的蛋 白质空间结构预测是指从蛋白质的氨基酸序列推测出其三维空间结构。 在利用生物信息学进行蛋白质三维结构预测方面, 总体上可分为同源建 模、 “从头预测”两大类方法。 1、同源建模类方法 同源建模类方法是通过对已知空间结构的蛋白质进行研究和分析,找出 蛋白质序列与空间结构之间的联系,总结出一定的规律，建立一些经验 规则,并将这些经验规则应用到待预测的靶序列上。同源建模类方法主 5 要包括比较建模、折叠识别以及人工神经网络、隐 Markov 建模等方法。 2、 “从头预测”方法 “从头预测”方法不依赖于已有的结构数据信息, 直接从蛋白质序 列利用分子动力学原理预测和推断结构信息。这类方法主要依据了一个 基本热力学假定: 一个蛋白质分子的溶液中的天然构象对应于热力学上 最稳定、自由能最低的构象。 四、展望 随着 HGP 胜利完成及人类基因的各种数据库的获得，人类亟需破译 基因组所蕴涵的功能信息，解密生命。面对如此巨大的数据系统，仅仅 依靠传统的实验观察手段无济于事，必需借助于高性能计算机和高效数 据处理技术, 从不同层次、全方位去处理所面对的生物分子数据系统。 因此，在后基因时代, 生物信息学的作用将更加举足轻重，它将对生物 学、医学、药学、农业、环境、信息技术和新材料研究都将起着深刻的 作用。 我国的生物信息资源非常丰富，我们应当结合自己的资源条件, 建 设自有的数据库, 如已进行的杂交水稻数据库等，在平等的基础上与国 外共享生物信息资源。在考虑社会效应的同时，不断加强基础性研究。 如我们的蛋白质组学有优势, 可以继续投人生物信息学研究力量,构建 完整而强大的科研平台，从而为我国生物产业奠定发展的基础。 参考文献： 1陶士珩编著.生物信息学.北京：科学出版社,2012（01） 2王正华,王勇献. 后基因组时代生物信息学的新进展J. 国防科技 大学学报. 2003(01) 3高媛. 后基因组时代的生物信息学发展J. 中国科技信息. 2009(10) 4钱玉梅,高贵珍,陈文觅. 后基因组时代相关概念及技术研究进展J. 宿州学院学报. 2007(04) 6 5吴昕彦,200025,张庆华,200025,陈竺. 单核苷酸多态性研究及应用 J. 中华医学遗传学杂志. 2000(01) 6唐旭清,朱平. 后基