何謂生物資訊學 - 微生物學系

許多應用在生物學的研究、藥物的設計和醫學上。

Bioinformatics Allied 協同領域. Biotechnology 生物技術學. Computer simulations in biology 生物的電腦模擬. Genetics, ... 課程的介紹 何謂生物資訊學 生物資訊學課程 何謂生物資訊學？ What isBioinformatics? Theseteachingmaterialsweredeveloped byDr.R.L.BernsteinofSanFranciscoStateUniversitywhileonsabbaticalat SWBICandwillbepresentedinhisbioinformaticscourseatSFSU.Thecontents aretranslatedintoChineseandlinkeddirectlytotheoriginalwebsites.I thankforthepermissiontousethesematerialsbyDr.R.L.Bernstein( http://www.swbic.org/education/bioinfo/biointro.html). 生物資訊學特點 　 Study ofbiologicalinformation生物資訊的研究 Interface ofbiologyandcomputers生物和電腦的界面 Computational molecularbiology計算分子生物學 Includes genomics包含基因體學 Subfields:  DNAinformatics,proteininformatics,proteomics 次領域︰DNA資訊學、蛋白質資訊學、蛋白體學 Person is“bioinformaticist” Sometimes “bioinformatician,”“bioinformatist” 工作者稱為︰生物資訊學家、生物資訊人、生物資訊者　 　 生物資訊學定義 A narrowerdefinition嚴謹定義: The useofcomputertoolstostore,access,andanalyzenucleicacid andaminoacidsequencedataandproteinstructuraldata. 應用電腦工具貯存、採用、分析核酸和胺基酸序列數據和蛋白質結構數據 　 A broaderdefinition寬鬆定義: The useofcomputertoolstostore,access,andanalyzealltypesof biologicaldata,includingtextdata,phylogenetictrees, metabolicmaps. 應用電腦工具貯存、採用、分析所有的生物數據，包含文字數據、血緣分類樹、代謝圖等 　 Many applicationsinbiologicalresearch,drugdesign,medicine. 許多應用在生物學的研究、藥物的設計和醫學上。

　 　 Bioinformatics Allied協同領域 Biotechnology 生物技術學 Computer simulationsinbiology生物的電腦模擬 Genetics, biochemistry,cellbiology遺傳學、生化、細胞學 Structural biology結構生物學 Phylogenetics andtaxonomy血緣分類學和分類學 Quantitative biology,mathematicalbiology,theoreticalbiology 數量生物學、數學生物學、理論生物學 Epidemiology 流行病學 Medical informatics醫學資訊學 Drug design藥物設計 　 A BitofHistory簡史 　 First proteinaminoacidsequencedatabasesinmid-1960’s. 第一個蛋白質序列資料庫在1960年代中期。

Researchers developingalgorithmstoanalyzethesedataforindividual researchprojectsinthe1960’sand1970’s. 在60和70年代中，研究者發展數學模式分析個別研究計畫的數據 　 GenBank andotherpublicdatabaseswithfreelyavailableanalysistoolsin the1980’s. 在80年代，基因銀行（美國的基因資訊資料庫）和其他公共的資料庫提供免費的分析工具。

　 Enormous growthofGenBankandPDBin1990’s. 在90年代 GenBank和PDB非常巨量的成長 　 Recent TrendsinResearch最新研究趨向 　 A greatsurgeingenomics:The HumanGenomeProject 偉大的研究浪潮︰人類基因體計畫 　 　 Genome projectsfor~400organisms 約400種生物的基因體計畫 >70 completedpublishedgenomes(includingchromosomesofhigher eukaryotes) 超過70種生物的基因體分析已經完成（包括高等真核生物的染色體） http://wit.integratedgenomics.com/GOLD/ 　 　 Recent advancesinmoleculargeneticstechnologies,especially microarrays. 最新的分子遺傳技術的發展，特別是 microarrays晶片 　 Push toanalyzegenesandgeneproducts,andtodetermineprotein structure/functionrelationships. 推進基因和基因產品的分析、決定蛋白質的結構和功能的關係 　 　 　 　 Data Explosion資訊爆炸 These researchtrends,especiallythesequencingprojects,haveresulted inhugeamountsofrawdatathatmustbestored,manipulated,and analyzed. 研究的潮流，特別是序列分析的計畫，獲得了大量的原始數據，這需要貯存、處理和分析。

Computer informationtechnologyhasalsoadvancedveryrapidlyandhas providedthemeansforhandlingthisdataexplosion. 電腦資訊的技術快速地增進，使得有辦法可以處理這些數據爆炸。

　 插圖  fromDr.R.L.Bernstein  http://www.swbic.org/education/bioinfo/biointro.html 　 Bioinfo Tools&Services生物資訊學的工具和服務 Databases: text,sequence,structure 資料庫︰文字、序列、結構等資料 　 Database annotationtextsearches 資料庫文字註解的找尋 　 Sequence similaritysearchtools 序列相似性尋找工具 　 Sequence andstructureanalysistools 序列和結構分析工具 　 3D structureanalysis,visualizationtools 立體結構分析、顯像工具 　 Structure predictiontools 結構預測工具 　 Phylogenetic analysistools 血緣分類分析工具 　 Metabolic analysistools 代謝分析工具　 　 Comprehensive Servers完整的伺服器 　 NCBI -TheNationalCenterforBiotechnologyInformation 美國國家生物技術資訊中心 EMBL -TheEuropeanMolecularBiologyLaboratory 歐洲分子生物實驗室 ExPASy, atSwissInstituteofBioinformatics 瑞士生物資訊研究所 BCM SearchLauncher,atBaylorCollegeofMedicine PDB: ProteinDataBank 蛋白質機料庫 SCOP:  StructuralClassificationofProteins 蛋白質結構分類 　 NCBI Website:  http://ncbi.nlm.nih.gov 　 New Biology?新的生物學？ 插圖 fromDr.R.L.Bernstein  http://www.swbic.org/education/bioinfo/biointro.html 　 Flow ofGeneticInformation基因資訊的流動 　 DNA, toRNA(messenger),toprotein 　 Natural processinallcells 所有細胞中天然的過程 　 Explains howgenotype(DNA)createsphenotype(protein)oforganisms. 解釋基因型如何創造表現型　 DNA bpsequenceofeachgene,expressedintoaa-sequenceofunique protein. 基因DNA核酸的序列表現成獨特的胺基酸序列 “Horizontal” transmissionofgeneticinfo 遺傳資訊的水平轉移 Regulation ofgeneexpression 基因表現的調控 　 Transmission ofGeneticInformation Flow ofGeneticInformation遺傳訊息的傳遞 　 DNA (chromosome)replicatesDNA. 染色體核酸複製核酸　 Natural processinallcells 所有細胞中天然的過程 Explains howgenotype(DNA)ispassedontodaughtercells. 解釋基因型如何傳遞到子代 DNA bpsequenceofparentdsDNA,makestwodsDNAproductmolecules. 親代雙股DNA序列製造出雙股的核酸分子 “Vertical” transmissionofgeneticinfo 　垂直的遺傳訊息轉移 　 Transmission ofGeneticInformation遺傳訊息的轉移 　 In allformsoflife,includingviruses.. 在所有形式的生命中發生，包括病毒　 Cellular apparatusisextensive. 在細胞內的設施很普遍 　 Protein synthesisismajorprocessincells. 在細胞內蛋白質合成是主要的過程 Many differentproteinsineachcell. 在細胞內有許多不同的蛋白質 　 Proteins determinedifferentiatedproperties. 蛋白質決定分化的特性 　 Bioinformatics identifiesgenesandproteins,oftenfromDNAsequenceonly. 生物資訊學確認基因和蛋白質，常從只有核酸序列中得知 　 插圖 fromDr.R.L.Bernstein  http://www.swbic.org/education/bioinfo/biointro.html 　 　 Structural Genomics結構基因體學 　 Genetic maps:locationsofgenes 基因圖譜︰基因所在的位置 　 Physical maps:eg.restrictionsites 物理圖譜︰舉例而言限制脢的切點 　 DNA sequence:ultimatemap DNA核酸序列︰終極圖譜 　 Major genomicsprojects主要的基因體計畫 dsDNA representedasssDNAindatabases 雙股DNA在資料庫中是以單股表達 “forward” and“reverse”strands "前進” 和“回返”股 “plus” and“minus”strands,+/- “Watson” and“Crick”strands 　 Absolutely complementarytoeachother. 都是絕對彼此互補的 　 　 Genome Example: Helicobacterpylori     基因體舉例︰幽門桿菌 　 Helicobacter pylori,theulcerbug幽門桿菌-潰瘍蠹蟲 Causes ulcers,alsogastriccancer導致潰瘍，含有胃癌 Complete genome: 1.6MbofDNA 整個基因體︰1.6Mb Circular chromosome,about1600genes環型染色體，約1600基因 Genes forpathogenicity,genesfordetectionbyPCR,genesastargets  of drugs,genesforsyntheticvaccines 致病性基因、使用PCR偵測的基因、藥物目標的基因、合成疫苗的基因等 　 Two differentisolatessequenced,onebydrugcompany. 兩種不同菌株序列分析，一種為藥廠者　 　 Recently CompletedGenomesofPathogens     最近完成的病原菌基因體 　 Mycobacterium tuberculosis:tuberculosis肺結核 Neisseria meningitidis:bacterialmeningitis腦膜炎菌 Treponema pallidum:syphilis梅毒菌 Campylobacter jejuni:foodborneillness彎曲桿菌-食品中毒菌 Listeria monocytogenes:foodbornegastroenteritis李斯特單胞菌 Vibrio cholerae: cholera 霍亂菌 Streptococcus pneumoniae:pneumonia肺炎菌 插圖 23 插圖 24 插圖 25 fromDr.R.L.Bernstein  http://www.swbic.org/education/bioinfo/biointro.html 　 　 Web SitesforMicrobialGenomes      微生物基因體網站 http://wit.integratedgenomics.com/GOLD Best genomesummarylist最佳的基因體摘要表 http://www.tigr.org The InstituteforGenomicResearch基因體研究所 http://www-fp.mcs.anl.gov/~gaasterland/genomes.htm Useful microbialgenomeslist有用的微生物基因體列表 http://www.genetics.wisc.edu/ E. colisequencingproject大腸桿菌列序計畫 http://ncbi.nlm.nih.gov  haslinks有其他的連結 National CenterforBiotechnologyInformation 國家生物技術資訊中心 　 Bioinformatics 範圍 DNA informatics:DNAsequenceanalysis,geneticcode,gene-finding, ORFs. DNA資訊學︰DNA序列分析、遺傳密碼、基因找尋、ORFs Genomics: completegenomeDNAsequences,discovergenesandproteins. 基因體學︰完整的基因體核酸序列、發現基因和蛋白質 Protein informatics:sequenceandstructure,leadtofunction. 蛋白質資訊學︰序列和結構，導引至功能分析 Proteomics: wholecellularsetsofproteins,proteomecorrespondstogenome, inprinciplecanexplainallpropertiesofcellsandorganisms. 蛋白質體學︰細胞的整體蛋白質，蛋白質體對應至基因體，原理上可解釋所有細胞和個體的特質 Genomics AreasofInterest基因體研究興趣範圍 Structural genomics結構基因體學 Functional genomics功能基因體學 Comparative genomics,evolutionarygenomics  比較基因體學，演化基因體學 Pharmacogenomics 藥用基因體學 Genome, totranscriptome,toproteome,tometabolome,tospecific propertieslikepathogenicity. 基因體，至轉譯體，至蛋白體，至代謝體，至特定的特質如致病性 　 　 Genome Sizes基因體大小 Bacteria smallest細菌最小 Eukaryotic microbesnext原核微生物次之 Higher plantsandanimalshavecomplexgenomes. 高等植物和動物最具複雜的基因體 　 Bacteria typically0.5-5Mb細菌典型0.5-5Mb Eukaryotes havewiderange.真核生物範圍廣 Mammals have   3Gb =3000Mb(haploidamount). 脯乳動物 單套體有3Gb =3000Mb 1000X bacterialgenomes是細菌的一千倍 　 Functional Genomics功能性基因體 ORFs codeforproteins,butwhatfunctions? ORFs 密碼蛋白質，但是甚麼功能呢？ Identify byaa-sequencematchindatabases 使用胺基酸序列在資料庫中鑑定符合者 conserved sequence,similarfunction 保守的序列者具有相似的功能 Many proteinsnotfoundindatabases. 許多蛋白質在資料庫中未發現 Examine expressionpatterns檢驗表現的方式 DNA microarrays,“DNAchips”DNA晶片 　 　 DNA Microarrays 插圖 54 fromDr.R.L.Bernstein  http://www.swbic.org/education/bioinfo/biointro.html 　 　 　 Summary 結論 The recentenormousincreaseinbiologicaldatahasmadeitnecessary tousecomputerinformationtechnologytocollect,organize, maintain,access,andanalyzethedata. 最近極大幅地增加生物的數據已經使得需要用到電腦資訊的技術進行蒐集、組織、維護、存取和分析。

Computer speed,memory,exchangeofinformationovertheInternethas greatlyfacilitatedbioinformatics. 電腦的速度、記憶體、與在網路上的交換益發有助於生物資訊學 The bioinformaticstoolsavailableovertheInternetareaccessible, welldeveloped,fairlycomprehensive,andrelativelyeasytouse. 生物資訊學的工具在網路上可以獲得、良好的發展、相當完整、相對地容易使用 　 　 參考資料 　 http://www.swbic.org/education/bioinfo/ 生物資訊學課程