1、计算生物学概述,主讲人：刘振栋 Email: 计算机科学与技术学院,课时安排,共计32学时1-16周理论课无实验总成绩：平时占 10%、作业20%、考试70%,关于教材,计算生物学导论-图谱、序列和基因组 M.S. Waterman （美）著 黄国泰、王天明 译 科学出版社，2009年8月,第一讲 计算生物学概述,重点 1、计算生物学的发展历史 2、计算生物学的概念 3、计算生物学研究范畴 4、分子生物学初步难点：计算生物学的概念,计算生物学是一门发展中的新兴科学,伴随生命科学“后基因组(post-genome)”时代的到来,一门新兴、充满活力的交叉学科计算生物学应运而生,1986 年诺贝尔奖
2、获得者R.Dulbecco（杜尔贝科）提出人类基因组计划测出人类全套基因组的30亿个DNA碱基对（3 X 109bp ）。,随着21世纪初人类基因组测序的完成，如何破译大量基因信息，获知生物分子的生物学功能就成为后基因时代的重要任务。,计算生物学是一门新兴交叉学科,1、学科的交叉更有利于学科的发展2、计算生物学是计算机科学、数学、生物学相互融合渗透的交叉学科,1、计算生物学的产生 Introduction to Computational Biology,传统认为：数学、计算机科学、生物学等认定是独立的学科，但在20世纪后半叶开始，这些学科间相互渗透，许多边缘学科的产生，各学科之间的分界已渐渐
3、变得模糊,计算生物学的产生,数学与计算机科学逐渐形成生物现象建模、模式识别的工具特别是在分析人类基因组拥有大量数据的研究中，计算机科学与数学成为必不可少的工具,计算生物学的产生,计算机科学与数学对生命科学的渗透使生物系统的刻画越来越精细生物系统的数学建模正在演变成生物实验中必不可少的组成部分,2004年，美国Science杂志推出了一期特辑，题为“ 科学下一个浪潮生物数学” （计算生物学）英国皇家学会院士Lan Stewart教授预测：21世纪最令人兴奋、最有进展的科学领域之一必将是“ 生物数学” （计算生物学）,2、计算生物学的概念,计算生物学是指开发和应用数据分析及理论的方法、把数学建模和
4、计算机仿真技术用于生物学研究的一门学科,2、计算生物学的概念,计算生物学（computational biology）是一门典型的交叉学科，涉及的学科包括生物学、计算机科学、数学、统计学、化学、物理学等。,3、计算生物学研究范畴,计算生物学最终是以生命科学中的现象和规律作为研究对象，以解决生物学问题为最终目标，计算机和数学仅仅是解决问题的工具和手段。计算生物学主要侧重于利用数学模型和计算机仿真技术对生物学问题进行研究,计算生物学研究范畴,是应用数学理论与计算机技术研究生命科学中数量性质、空间结构形式、分析复杂的生物系统的内在特性，揭示在大量生物实验数据中所隐含的生物信息。,DNA的双螺旋结构的
5、发现,1953年4月25日，年仅25岁沃森(Watson)（美）与同在剑桥大学的合作伙伴弗朗西斯克里克(Crick)（英）一起，在英国自然（Nature）杂志上发表了一篇仅两页的论文，提出了DNA的双螺旋结构和自我复制机制。这篇论文被普遍视作分子生物学时代的开端。,DNA的双螺旋结构简图,4、分子生物学基本知识,（1）生物学最基本问题之一是理解遗传（2）遗传的基本单位是基因（3）基因是由DNA构成（1944年）（4）生物大分子有三种类型：DNA、RNA和蛋白质,DNA是遗传物质的基础,1、DNA-脱氧核糖核酸：核苷酸 的小分子生成的聚合物（核苷酸是核酸最小的活性分子 ）2、核苷酸有四种（DNA
6、）：腺嘌呤脱氧核糖核苷酸(A)、胞嘧啶核苷酸（C）、鸟嘌呤核苷酸（G）、 胸腺嘧啶核苷酸（T）,DNA是遗传物质的基础,DNA分子两条链之间的距离是一定的，为2nm 嘌呤和嘧啶的分子结构不同，嘌呤是双环化合物，嘧啶是单环化合物,DNA是遗传物质的基础,若两条链上对应的碱基都是嘌呤环，则所占的空间太大；若两条链上相对应的碱基都是嘧啶环，则相聚距离太远，不能形成氢键。只能是一个嘌呤与一个嘧啶配成碱基对，其长才为2nm,RNA-核糖核酸,RNA-核糖核酸腺嘌呤(A)、胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（G）、 尿嘧啶（U）RNA存在时间很短，一般小于30分钟，有的仅存在几秒钟,嘌呤和嘧啶,嘌呤是双环、嘧啶是单环嘌
7、呤只能与嘧啶配对，嘌呤之间或嘧啶之间不能配对 A-T配对通过2个氢键链接；G-C配对通过3个氢键链接,碱基配对,DNA : A-T（配对）,T-A, G-C, C-GRNA：A-G （配对）,G-A, G-C, C-G,G-U（错配）,U-G（错配）,蛋白质、氨基酸、核酸与核苷酸,氨基酸是构成蛋白质的基本单位氨基酸通过脱水缩合成肽，经过折叠加工等过程形成蛋白质3个核酸确定一个氨基酸核苷酸是核酸的基本单位,1200个左右碱基能确定一个基因,RNA基本知识,RNA核糖核酸RNA是单链结构转录是在原核和真核细胞中以DNA为模板合成RNA的过程,RNA基本知识,在原核和真核生物中，DNA转录RNA过程
8、是相似的。DNA变性，RNA聚合酶结合在单链DNA上以53方向合成RNA分子。双链中只有一条链作为转录模板，合成单链RNA分子。,RNA功能的多样性,1、控制蛋白质合成 2、作用于RNA转录后加工与修饰 3、基因表达与细胞功能调节 4、生物催化与其他细胞抽象功能 5、遗传信息加工与进化,病毒RNA,病毒RNA是上述功能RNA的游离成分病毒只含DNA或只含RNA，未见两者兼有病毒,RNA的分类,mRNA(信使RNA)：是蛋白质合成（翻译）过程中的模版， 蛋白质 分子中 氨基酸的排列顺序，就是由mRNA 上每3个相邻的核苷酸形成的密码子的排列顺序决定的；tRNA(转运RNA): 是在蛋白质的合成过
9、程中 转运氨基酸，为蛋白质的合成提供原料；并可准确识别 其所转运的氨基酸在mRNA 上的密码子；,RNA的分类,rRNA(装配RNA)：约占RNA总量82% 主要是和一些蛋白质 组装成 一类重要的细胞器核糖体，而核糖体 就是蛋白质合成的场所“装配车间”；,复制机制是现代遗传学的基础,我们提出的特定的配对直接蕴涵遗传物质可能的复制机制-James Watson &Francis Crick,中心 定理,一旦“信息”传入蛋白，它就不能出来。信息由一个核酸传给另一个核酸，也可能从核酸传给蛋白。但是，不可能由蛋白质传给核酸。此外，信息意味着准确确定的序列，或者是核酸中的基序列，或者是蛋白质中的氨基酸序列。-Francis Crick,中心定理模式,DNA RNA 蛋白质,计算生物学基本知识,限制图谱 多重图谱 求解DDP的算法 克隆与克隆文库 基因组图谱 序列装配,计算生物学基本知识,数据库与快速装配 动态规划、两个序列比对 多重序列比对 RNA二级结构、三级结构 树和序列,思考题和作业,1、什么是计算生物学？2、DNA和RNA的四种碱基各是什么？3、你是如何理解计算生物学的？,
