《生物信息學(xué)》課程教學(xué)大綱

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1、《生物信息學(xué)》課程教學(xué)大綱 適用對(duì)象：生物工程、生物技術(shù)等專業(yè)學(xué)生 （學(xué)分： 2 學(xué)分 學(xué)時(shí)： 36） 一、課程的性質(zhì)和任務(wù) 生物學(xué)與信息科學(xué)是當(dāng)今世界上發(fā)展最迅速、影響最大的兩門科學(xué)。而這兩門科 學(xué)的交叉融合形成了廣義的生物信息學(xué)， 正以嶄新的理念吸引著科學(xué)家的注意。 生物 信息學(xué) （Bioinformatics） 是生命科學(xué)領(lǐng)域中的新興學(xué)科，面對(duì)人類基因組計(jì)劃所產(chǎn)生的 龐大的分子生物學(xué)信息， 生物信息學(xué)的重要性將越來越突出， 它無(wú)疑將會(huì)為生命科學(xué) 的研究帶來革命性的變革。它是綜合利用生物學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、信息科學(xué)以及計(jì)算 機(jī)科學(xué)等諸多學(xué)科的理論方法的嶄新交叉學(xué)科。 本課

2、程主要講授生物信息學(xué)的基本概念和研究?jī)?nèi)容、方法及其應(yīng)用等的基本知 識(shí)，學(xué)習(xí)從 Internet 如何獲取、處理、存儲(chǔ)、分配和解釋基因組信息，并應(yīng)用計(jì)算 機(jī)軟件進(jìn)行蛋白空間結(jié)構(gòu)模擬和預(yù)測(cè)， 以便發(fā)掘和造就學(xué)生跨學(xué)科學(xué)習(xí)的本領(lǐng)。 生物 信息學(xué)已成為整個(gè)生命科學(xué)發(fā)展的重要組成部分，成為生命科學(xué)研究的前沿。 生物信息學(xué)是生物工程和生物技術(shù)專業(yè)的選修課程，適宜于已有生物化學(xué)和分子 生物學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)生。本課程以多媒體教學(xué)為主，課堂輔助答疑為輔；結(jié)合網(wǎng)上資源和 課程軟件，基本上實(shí)現(xiàn)學(xué)生不限時(shí)段的網(wǎng)上學(xué)習(xí)、在線交流等功能。 二、教學(xué)內(nèi)容和要求 緒論 目的 ：了解本課程的研究對(duì)象、內(nèi)容和方法以及

3、國(guó)內(nèi)研究的領(lǐng)軍人物。 內(nèi)容 ： 本課程的研究對(duì)象和內(nèi)容； 學(xué)科發(fā)展史； 主要研究方法； 國(guó)內(nèi)研究的領(lǐng)軍人物。 要求 ： 1 了解本課程研究對(duì)象、內(nèi)容和學(xué)科發(fā)展史； 2 理解本課程的主要研究方法； 3 對(duì)國(guó)內(nèi)的一些研究團(tuán)體和領(lǐng)軍任務(wù)有所了解。 第一章 生物信息學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí) 目的： 掌握生物信息學(xué)所需的生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和網(wǎng)絡(luò)知識(shí)。 內(nèi)容 ：生物學(xué)知識(shí)包括： 細(xì)胞的分類和亞結(jié)構(gòu)、中心法則、基因和基因組、蛋白質(zhì) 的結(jié)構(gòu)層次（從一級(jí)結(jié)構(gòu)到無(wú)級(jí)結(jié)構(gòu)） 、蛋白質(zhì)組學(xué)、核酸的結(jié)構(gòu)和功能、密 碼子的特征；計(jì)算機(jī)知識(shí)主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)的基本知識(shí)、網(wǎng)絡(luò)的域名、 Ftp 服務(wù) 以及生物信息學(xué)常見的一些

4、 ftp 服務(wù)。 要求 ： 1 了解細(xì)胞的分類和亞結(jié)構(gòu)、 中心法則、 基因和基因組、 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次 （從 一級(jí)結(jié)構(gòu)到五級(jí)結(jié)構(gòu)） 、蛋白質(zhì)組學(xué)、核酸的結(jié)構(gòu)和功能、密碼子的特征等生 物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)； 2 理解這些生物學(xué)知識(shí)在生物信息學(xué)中的重要性； 3 理解數(shù)據(jù) 庫(kù)的基本知識(shí)、 網(wǎng)絡(luò)的域名、 Ftp 服務(wù)以及生物信息學(xué)常見的一些 ftp 服務(wù)； 4 熟 練掌握利用數(shù)據(jù)庫(kù)資源進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索和查詢。 第二章 生物信息學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)資源介紹 目的 ：了解生物信息學(xué)常見的數(shù)據(jù)庫(kù)資源，掌握 NCBI 等重要網(wǎng)站的使用。 內(nèi)容 ： 核酸及其相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù) （序列數(shù)據(jù)庫(kù)、 基因組相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)、 核酸三維結(jié)構(gòu)

5、數(shù)據(jù)庫(kù)、 其他） ；蛋白質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)（序列數(shù)據(jù)庫(kù)、蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)、蛋白質(zhì)組 數(shù)據(jù)庫(kù)（二維凝膠電泳數(shù)據(jù)庫(kù)） 、信號(hào)傳導(dǎo)及蛋白質(zhì) -蛋白質(zhì)相互作用相關(guān)數(shù)據(jù) 庫(kù)、 DNA 和蛋白質(zhì)相互作用數(shù)據(jù)庫(kù)） ；基因或蛋白質(zhì)一些特定數(shù)據(jù)庫(kù)；糖類及 其相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)；蛋白質(zhì)翻譯后修飾相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)；基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)；人類基因突 變及疾病相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)； 進(jìn)化相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)及資源專利數(shù)據(jù)庫(kù)； 資源目錄服務(wù)器或 網(wǎng)頁(yè)。 要求 ： 1 了解數(shù)據(jù)庫(kù)的分類以及各級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)的特種和優(yōu)缺點(diǎn)； 2 理解核酸及相關(guān)數(shù)據(jù) 庫(kù)的特點(diǎn)及其應(yīng)用； 3 理解蛋白質(zhì)及相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的特點(diǎn)及應(yīng)用； 4 熟練掌握 NCBI/EMBL/DDBJ/S

6、WISS-PROT 等常見數(shù)據(jù)庫(kù)的使用； 5 了解其它類型的數(shù) 據(jù)庫(kù)的一些基本網(wǎng)址； 6 了解常見序列的 ftp 下載的地址及方法。 第三章 序列比對(duì) 目的 ：掌握雙序列必對(duì)、多序列必對(duì)的軟件操作方法及結(jié)果的評(píng)估。 內(nèi)容 ： 在生物學(xué)研究中， 將未知序列同已知序列進(jìn)行比較分析已經(jīng)成為一種強(qiáng)有力的 研究手段 ，生物學(xué)領(lǐng)域中絕大部分問題在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中主要體現(xiàn)為序列或字符 串的問題，雙序列比對(duì)（ Pairwise Sequence Alignment ） 、多序列比對(duì)（ Multiple Anlignment ）的定義、計(jì)算方法以及常用實(shí)現(xiàn)序列必對(duì)的軟件使用方法以及核酸序 列的分

7、析。 要求 ： 1 了解序列必對(duì)的定義、計(jì)算方法以及用途； 2 掌握 CLUSTALW 等軟件的使 用方法； 3 掌握基于雙序列必對(duì)的 BLAST/FASTA 等網(wǎng)絡(luò)搜索工具的使用。 4 了解 BLAST/FASTA 等網(wǎng)絡(luò)搜索結(jié)果的評(píng)估； 5 理解調(diào)和序列的定義以及調(diào)和序列產(chǎn)生的 依據(jù)； 6 掌握核酸序列分析常見的方法及手段； 8 了解部分基因組數(shù)據(jù)庫(kù)的使用及功 能基因組的生物信息學(xué)分析。 第四章 系統(tǒng)發(fā)育分析 目的： 了解系統(tǒng)發(fā)育分析的原理和應(yīng)用以及常用軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)的使用。 內(nèi)容 ：系統(tǒng)發(fā)育分析的理論基礎(chǔ)及基本概念，系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建方法，常見系統(tǒng)發(fā)育軟 件及使用。 要求

8、： 1 了解進(jìn)化、分子鐘假說和中性進(jìn)化理論，了解相似性、同源性和同一性的含 義； 2 了解系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建的幾種方法； 3 掌握 PHYLIP 等常用軟件的使用方 法。 第五章 基于細(xì)菌 16S rDNAs 系統(tǒng)發(fā)育分析及系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建 目的： 掌握基于細(xì)菌 16S rDNAs 系統(tǒng)發(fā)育分析及系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建的方法及策略。 內(nèi)容 ： 16S rDNA 的 PCR 擴(kuò)增的方法， 用于系統(tǒng)發(fā)育分析的免費(fèi)軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)， 利用 RDP 網(wǎng)站和 phylip 程序構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。 要求：1理解16S rRNA在用于細(xì)菌鑒定中的重要作用；2理解PCR擴(kuò)增的原理和過 程； 3 熟悉用于系統(tǒng)發(fā)育分析

9、的免費(fèi)軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)的使用和查詢； 4 掌握利用 RDP （小核糖體網(wǎng)站）進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析的操作方法， 5.掌握利用PHYLIP 程序構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹的過程以及在用于其它分子進(jìn)化分析中的應(yīng)用。 第六章 蛋白質(zhì)序列分析 目的： 掌握蛋白質(zhì)序列分析的流程以及策略和常用軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)的使用。 內(nèi)容 ：蛋白質(zhì)序列分析的意義和目的；蛋白質(zhì)基本性質(zhì)預(yù)測(cè)；蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)； 蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)；蛋白質(zhì)功能預(yù)測(cè)。 要求 ： 1 了解蛋白質(zhì)序列分析的意義和目的； 2 熟練掌握蛋白質(zhì)基本性質(zhì)和二級(jí)結(jié)構(gòu) 的預(yù)測(cè)； 3 掌握蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的流程以及常見的預(yù)測(cè)方法； 4 了解蛋白質(zhì)功能 預(yù)測(cè)的一般步驟的策

10、略。 第七章 蛋白質(zhì)序列分析實(shí)例 目的： 以 1,3－丙二醇脫氫酶結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)及分子進(jìn)化分析說明蛋白質(zhì)分析的一般流程和 方法。 內(nèi)容 ： 1,3－丙二醇脫氫酶的重要作用；該酶氨基酸序列的獲得和基本性質(zhì)的預(yù)測(cè)、 二級(jí)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)、分子進(jìn)化分析、三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)及功能預(yù)測(cè)。 要求： 1 了解 1,3－丙二醇脫氫酶的重要作用； 2 了解蛋白質(zhì)的氨基酸序列的獲取方 法； 3 掌握蛋白基本性質(zhì)、二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)； 4 了解蛋白質(zhì)功能預(yù) 測(cè)的策略和流程。 第八章 生物芯片 目的： 使學(xué)生了解生物芯片的制作原理、 數(shù)據(jù)采集和解析以及在現(xiàn)代生物學(xué)中的應(yīng)用。 內(nèi)容 ：分子雜交的基礎(chǔ)知識(shí)；生物

11、芯片的定義和制作；生物芯片數(shù)據(jù)分析；生物芯片 的用途。 要求 ： 1 理解分子雜交的基本知識(shí)。 2 掌握生物芯片的定義和制作的過程。 3 理解生 物芯片數(shù)據(jù)分析的方法及儀器。 4 了解生物芯片在現(xiàn)代生物學(xué)中的應(yīng)用前景及領(lǐng)域。 第九章 生物信息學(xué)與藥物設(shè)計(jì) 目的： 了解藥物設(shè)計(jì)的基本原理和生物信息學(xué)在藥物設(shè)計(jì)中的重要作用。 內(nèi)容 ：藥物設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)；已知受體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)；未知受體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)； 藥物設(shè)計(jì)與組合化學(xué)的關(guān)系，藥物設(shè)計(jì)和生物信息學(xué)的關(guān)系。 要求 ： 1 了解藥物設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。 2 掌握已知受體結(jié)構(gòu)和未知受體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì) 的不同策略。 3 了解結(jié)構(gòu)信息學(xué)進(jìn)行藥

12、物設(shè)計(jì)的一般過程。 4 了解生物信息學(xué) 在藥物設(shè)計(jì)中的巨大作用。 三、課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)： 重點(diǎn)：從總體上講，本課程的重點(diǎn)章節(jié)為：生物信息學(xué)的網(wǎng)絡(luò)資源、序列比對(duì)、系統(tǒng) 發(fā)育分析以及蛋白質(zhì)序列分析。 難點(diǎn)：從總體上講，蛋白質(zhì)序列分析這一章是本課程的難點(diǎn)，這一章除了要求學(xué)生有 較強(qiáng)的生物化學(xué)和分子生物學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)外，還要對(duì)整個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能預(yù) 測(cè)的整個(gè)流程有一個(gè)整體的概念，而且在結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的方法上非常繁多，如何選 擇合適的預(yù)測(cè)方法和計(jì)算方法將是讓學(xué)生非常頭痛的問題， 而且各種方法所得 到的結(jié)果之間如何進(jìn)行比較和評(píng)估也是一個(gè)難以解決的問題， 因此在授課的過 程中，首先要對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能預(yù)測(cè)的

13、流程進(jìn)行詳細(xì)的解說， 使學(xué)生有一個(gè) 整體上的了解，然后分別介紹各種方法的算法和優(yōu)缺點(diǎn)以及一些常用的評(píng)估指 標(biāo)，使學(xué)生有一個(gè)明確的目的，然后鼓勵(lì)學(xué)生多上網(wǎng)進(jìn)行蛋白質(zhì)序列分析的實(shí) 例分析，以加強(qiáng)對(duì)整個(gè)過程的了解。另外，本章還涉及到許多程序的使用，尤 其是用來顯示蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的一些程序，這些程序之間不能互相轉(zhuǎn)換，文件 格格式不能同一，也是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程碰到的一個(gè)難點(diǎn)。 四、參考性教學(xué)時(shí)間安排 教學(xué)內(nèi)容 36學(xué)時(shí)授課學(xué)時(shí) 緒 論 2 第一章生物信息學(xué)基礎(chǔ)知識(shí) 2 第二章生物信息學(xué)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)資源 4 第三章序列比對(duì) 4 第四章系統(tǒng)發(fā)育分析 4 第五章基于細(xì)菌16S rDN

14、As系統(tǒng)發(fā)育分析及系統(tǒng)發(fā)育樹 構(gòu)建 勺 2 第六章蛋白質(zhì)序列分析 4 第七章蛋白質(zhì)序列分析實(shí)例 2 第八章生物芯片 6 第九章生物信息學(xué)與藥物設(shè)計(jì) 4 習(xí)題復(fù)習(xí) 2 五、教材與主要參考書： 教材：鐘揚(yáng)等《簡(jiǎn)明生物信息學(xué)教程》、高等教育出版社，2001 主要參考書：1）張成崗 等，《生物信息學(xué)方法與實(shí)踐》、科學(xué)出版社，2002 2）趙國(guó)屏等，《生物信息學(xué)》，科學(xué)出版社，2002 3) 趙衍達(dá) 等， 《生物信息學(xué)， 蛋白質(zhì)和核酸分析實(shí)驗(yàn)指南》 ， 清華大學(xué)出版社， 2000 4) 羅遼復(fù)， 《生命進(jìn)化的物理觀》 ，上海科學(xué)技術(shù)出版社， 2000 。 5) D.R.Wedthead 等， Bioinformatics, 科學(xué)出版社， 2003 注：教材可每年根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整一下。 4