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生物信息学教学大纲授课时间：第6学期，讲授36学时，上机实验18学时。第1章 生物信息学概论1.1 生物信息学的概念和发展历史1.1.1 生物信息学的定义1.1.2 生物信息学兴起的生物学和计算机技术背景1.1.3 国内外生物信息学发展历史1.2 生物信息学的生物学基础 1.2.1 分子生物学基础1.2.2 基因组学基础1.3 生物信息学的计算机和网络基础1.3.1 计算机硬件平台(PC、MACINTOSH、Workstation、Supercomputer)1.3.2 计算机操作系统（WINDOWS、MAS OS、UNIX/LINUX）1.3.3 数据库技术1.3.4 计算机算法1.3.5 计算机编程语言(C+, VB, PERL, HTML, XML)1.3.6 网络技术（WWW、FTP、BBS、EMAIL、）1.4 生物信息学的数学基础1.4.4 离散数学1.4.2 概率论与数理统计1.4.3 人工神经网络1.4.4 数据挖掘1.5 生物信息学的产业化1.5.1 生物信息学的产业化1.5.2 国内外生物信息学公司和著名产品简介1.6 生物信息学研究内容和发展前景展望1.6.1生物信息学的主要研究内容1.6.2 后基因组时代生物信息学的研究方向1.6.3 生物信息学的发展前景第2章 分子生物学数据库2.1 生物学数据库概述2.1.1 数据库的分类2.1.2 数据格式2.1.3数据库的冗余与偏误2.2 核苷酸序列与基因组数据库 2.2.1 GenBank数据库与ENTREZ网络服务（2.1.1 1 GenBank序列数据库简介, 一级和二级数据库, 数据库格式 数据库, 剖析GenBank Flatfile）2.2.2 EMBL核苷酸序列库与EBI网络服务2.2.3 DDBJ数据库2.2.4密码子使用与核苷酸信号数据库2.2.5基因组序列数据库GSDB2.2.6人类基因组数据库GDB2.2.7模式生物基因组数据库MGD、ECDC、NRSub2.2.8基因组的图形交互显示和检索、浏览工具资源2.3 蛋白质序列与模式、同源性数据库 2.3.1蛋白质序列数据库PIR-International2.3.2蛋白质序列数据库SWIIS-PROT2.3.3 蛋白质家族分类数据库2.3.4蛋白质基序与结构域数据库（ Prosite、Blocks、PRINTS和SBASE数据库）2.4 结构数据库2.4.1结构数据库简介2.4.2 PDB：Brookhaven国家实验室蛋白质数据库2.4.3 MMDB：NCBI的分子建模数据库2.4.4 结构文件格式2.4.5 结构信息显示2.4.6 数据库结构浏览器2.5 基因和分子的互作和代谢途径信息数据库2.5.1基因和基因组百科全书数据库KEGG2.5.2 E.coliK-12基因组和代谢途径数据库2.5.3 E.coli基因及其产物的数据库GenProtEC2.5.4果蝇的遗传和分子数据的数据库FlyBase 2.6 RNA核苷酸序列数据库2.6.1 18S RNA2.6.2 28S RNA2.6.3 5S RNA2.6.4 Mt rna2.7 线粒体DNA数据库2.7.1 MITOMAP2.7.2 MmtDB 2.8 免疫球蛋白、T细胞受体、MHC的整合数据库lMGT 2.9 突变数据库 2.10 放射杂交作图数据库Rhdb 2.11 限制酶数据库REBASE与分子探针数据库MPOB 2.12 其它遗传学与分子生物学资源2.13 数据库中存在的问题及使用注意事项第3章 序列比对与数据库检索 3.1 序列比对概述3.1.1序列比对的概念和进化理论基础3.1.2序列比对的分类(双序列比对和多序列比对)3.2 双序列比对3.2.1 Needleman-Wunsch 算法3.2.2 Smith-Waterman 算法3.2.3 Karlin-Altchul 统计方法3.2.4 替换矩阵 ( 替换矩阵的一般原理； PAM 氨基酸替换矩阵； BLOSUM 氨基酸替换矩阵； DNA 替换矩阵) 3.2.5相似性得分、取代罚分与空位（Gap）罚分3.3 比对的统计学显著性3.3.1 Monte Carlo仿真法 3.3.2 BLAST得分显著性的Karlin-Altschul公式 3.3.3局部配准的统计显著性3.3.4短序列配准的显著性评价3.3.5核酸序列比较的显著性评价3.4 多序列比对 3.4.1多序列比对的算法 3.4.2 DNA多序列比对及其常用软件 3.4.3 蛋白质多序列比对及其常用软件3.5数据库搜索 3.5.1 BLAST：核酸数据库搜索3.5.2 BLAST：蛋白质数据库搜索3.5.3 FASTA：另一种搜索策略3.5.4 有空位对准的BLAST程度与位置特异的迭代BLAST程序3.6基因组长序列比对 第3章 DNA序列的统计学与信息学分析 3.1单一序列的组成、关联性与信息学分析3.1.1 碱基组成3.1.2 碱基相邻频率3.1.3同向与反向重复序列分析3.1.4 DNA 序列的几何学分析Z 曲线3.1.5核苷酸序列的长程相关与非线性方法3.1.6长程互作对DNA的结构和可变性的作用3.1.7重复对熵的影响3.1.8编码片段的相互信息3.1.9 DNA序列的模式结构3.1.10 语言学复杂性测度3.1.11 非编码区（“Junk”DNA）基因组序列 3.2 密码子指纹与密码子使用偏好性分析3.2.1单、双核苷酸的相对丰度和基因组指纹分析3.2.2密码子频率和密码子指纹3.2.3基因间和基因类间的异质性 3.3编码DNA片段的长度与GC含量 3.4重叠基因的信息论问题3.7 功能相关基因在两个基因组间或内部的聚类关系 3.7.1基因组比较与基于功能组成的物种间的比较3.7.2两个细菌基因组间或内部的聚类关系3.8 真核生物的基因表达调控（表达促进网络）3.8.1相对同义密码子使用值与密码子适应指数3.8.2信息聚类方法与自身一致信息聚类3.8.3碱基组成及相关性与基因表达的关系 第4章 核酸序列的信号和功能识别4.1 固定序列模式检索4.2 短寡聚核苷酸序列的随机出现机率4.3 编码区DNA寡聚体出现频率4.5 蛋白质基因识别4.5.1开放阅读框架分析4.5.2编码区识别碱基组成偏歧法密码子使用法密码子偏歧法4.5.3基因识别GenLang基因识别GRAIL基因识别4.5.4基因识别的一些相关程序发现和屏蔽重复序列相似性与标纹数据库搜索整合的基因识别序列片段的编码区分析其它功能信号识别4.4 核酸序列的特殊信号检索4.4.1基准序列频率表和权值矩阵法4.4.2启动子分析4.4.3内含子/外显子剪接位点识别4.4.4 翻译起始位点和翻译终止位点识别 4.6 编码序列翻译4.7限制性酶作图4.7.1限制性酶位点寻找4.7.2 绘制限制酶作图4.8 PCR引物和寡核苷酸探针设计4.8.1 引物设计（ PCR引物的类型和一般要求; 通用 PCR引物设计方法; 特异性PCR引物设计方法; 从蛋白质序列设计简并引物; OLIGO6和PRIMER PREMIER 软件使用）4.8.2 用于检测相关基因的简并探针设计第5章 RNA序列分析与结构预测5.1 RNA标纹识别和局部结构配对5.1.1信号搜索：概率方法5.1.2信号搜集：模式匹配方法5.1.3 tRNA的二级结构预测5.1.4 RNA序列的局部结构配准 第6章 蛋白质序列分析与结构预测方法6.1 多肽理化性质计算与预测6.1.1 多肽分子量、等电点、电荷分布和酶切特征预测6.1.2 多肽亲水性/疏水性分析与制图6.1.3 多肽抗原位点分析6.1.4 多肽6.2 蛋白质家族与蛋白质分类 6.2.1蛋白质家族与超家族6.2.2 蛋白质分类的方法（ Blocks分类方法加权特征标纹分类方法 Profile方法）6.3蛋白质序列模式和结构域模式分析6.3.1基准序列（序列模式）：标纹、标志、指纹和地点6.3.2序列结构域与模式匹配方法频率表方法权值矩阵法：Profile分析6.4蛋白质结构预测与分子设计 6.4.1蛋白质结构预测6.4.2蛋白质二级结构和和折叠类预测6.4.3三级结构预测6.4.3合理药物分子设计第7章 核酸和蛋白质序列的进化分析7.1 分子系统发育概述7.2 系统发育模型的组成7.2 系统发育数据分析的一般步骤7.3 建立数据模型（比对）7.4 决定取代模型7.5 建树方法 7.5.1 距离矩阵法(UPGMA,NJ) 7.5.2 最简约法 7.5.3 极似然法7.6 进化树搜索7.7 确定树根7.8 评估进化树和数据7.9 系统发育软件(MEGA2, PAUP*, MACCLADE, PHYLIP)第8章 基因组测序与分析 8.1 DNA 测序与序列片段的拼接8.1.1 DNA 测序的一般方法8.1.2 DNA 测序策略( 从遗传图谱、物理图谱到基因组序列图谱； 鸟枪测序法（shotgun sequencing）； 引物步查法（primer walking ）； 限制性酶切-亚克隆法（restriction endonuclease digestion and subcloning）8.1.3 序列片段的拼接方法8.2 编码蛋白质基因区域的预测8.2.1 从序列中寻找基因 ( 基因及基因区域预测； 发现基因的一般过程； 解读序列)8.2.2基于编码区特性的最长ORF 法等8.2.3 数据库相似性搜索法8.2.4 神经网络法8.2.5 隐马尔可夫模型法（HMM）8.3 基因组的比较8.3.1比较基因组学8.3.2 基因组多样性8.3.3 基因组比较的方法8.4 人类基因组制图与测序 8.4.1人类基因组制图 (遗传图, 物理图, 序列图, 转录图（表达图）与cDNA文库构建)8.4.2 基因组遗传图的构建方法 (检测连锁与估计重组率, 估计相对图距和推测多位点测序, 2.2.1图距与交叉干涉, 2.2.2推测多位点测序)8.5 基因组物理图谱与测序 (克隆与克隆库, 随机克隆重叠构图)8.6锚定法作图8.7检测重叠的Bayes方法8.5.1重叠构型8.5.2重叠检测8.8由随机克隆的指纹法组装物理图8.9用YAC克隆构造人类基因组图谱的策略设计8.10采用高冗余度的亚克隆库8.11 Conting图或克隆定序8.12 直接作图法8.11有序鸟枪测序作图的仿真分析8.14定位克隆的流水线鸟枪策略8.15放射杂交作图和FISH作图 第9章 功能基因组信息学9.1功能基因组信息学概述9.2 基因表达数据分析9.3第10章