生物信息学简介、应用与展望

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1、生物信息学简介、应用与展望摘要生物信息学作为一门新兴的交叉学科，有其独特的优势及发展空间，在今后的一段时间会更好的利用及发展。关键词生物信息学应用发展展望生物信息学简介生物信息学生物信息学（Bioinformatics）是在生命科学、计算机科学和数学的基础上逐步发展而形成的一门新兴交叉学科，是为理解各种数据的生物学意义，运用数学与计算机科学手段进行生物信息的收集、加工、存储、传播、分析与解析的科学。生物信息学是当今最具发展前途的学科之一，它缘于近10年来生物学相关信息量的“革命性爆炸”，又得益于近10

2、年来信息技术的“革命性发展”。生物信息学的出现极大地推动了分子生物学的发展。生物信息学已经成为生物医学、农学、遗传学、细胞生物学等学科发展的强大推动力量，也是药物设计、环境监测的重要组成部分。生物信息学在基因的功能发现、疾病基因诊断、蛋白质结构预测、基于结构的药物设计、药物合成和制药工业中起着极其重要的作用，生物信息学的应用大大加快了药物的研究开发进程。生物信息学的产生生物信息学的产生最早可以上溯到1956年在美国田纳西州的Gatlinburg召开的首次“生物学中的信息理论讨论会”[5]。美籍学者Hw

3、aA.Lim首先创造并使用了“bioinformatics”这个名词。生物信息学是20世纪80年代末随着人类基因组计划的启动而兴起的。美国政府于1990年10月正式启动的人类基因组计划(HumanGenomeProject，HGP)[6]，是一项耗资30亿美元的15年计划，预期到2005年弄清人类基因组大约30亿个碱基的全序列，被称为生命科学“登月计划”。随着人类基因组计划的实施，通过基因测序、蛋白质序列测定和结构分析实验，获得了大量不连续的数据，需要利用现代计算机网络技术对这些原始数据进行收集、存储

4、、处理，以便于检索使用；而且为了解释和理解这些数据，还需要对数据进行对比、分析，建立计算模型，进行仿真、预测与验证。美国在最初提出人类基因组计划时就成立了一个由42位专家组成的生物信息研究小组。人类基因组计划的实施，生物学的快速发展以及数学、物理、计算机科学、信息科学的渗入，使生物信息学逐渐发展成为一门独立的学科并将其推上了生物科学发展的最前沿。生物信息学的发展阶段及各阶段的主要研究内容生物信息学是一个建立在对DNA和蛋白质序列比较基础上的学科，目的是发现进化关联，并由此进行功能比较。生物信息学自产生

5、以来，大致经历了前基因组时代、基因组时代和后基因组时代三个发展阶段[5]。前基因组时代的标志性工作包括生物数据库的建立、检索工具的开发以及DNA和蛋白质序列分析等；基因组时代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；后基因组时代的研究重点主要体现在基因组学（Genomics）、比较基因组学（Comparativegenomics）和蛋白质组学（Proteomics）等方面，标志则是大规模基因组分析、蛋白质组分析以及各种数据的比较与整合，具体说就是在基因组和蛋白质组水平

6、上，从核酸和蛋白质序列、表达谱数据出发，分析序列中表达的结构与功能、基因调控网络、生化代谢途径的生物信息。这三个阶段虽无明显的界限，但反映出整个研究重心的转移变化情况。目前，生物信息学的主要研究内容已经从对DNA和蛋白质序列比较、编码区分析、分子进化转移到大规模的数据整合、可视化；转移到比较基因组学、代谢网络分析、基因表达谱网络分析、蛋白质组技术数据分析处理，蛋白质结构与功能分析以及药物靶点筛选等。在后基因组时代，生物信息学分别与功能基因组、蛋白质组、结构基因组等领域相互配合、紧密相关，成为目前极其热

7、门的系统生物学研究的重要基石。生物信息学的应用核酸序列分析核酸序列分析是生物信息学应用中的一个重要方面。基于已有知识所形成的核酸序列数据库以及在此基础上所形成的二级数据库对未知核酸序列的分析及功能预测具有重要的参考价值。在从事分子生物学研究的几乎所有实验室中，对所获得核酸序列进行生物信息学分析已经成为进行下一步实验之前的一个标准操作。在很多时候，往往通过一个简单序列相似性的比较就可以对未知序列进行初步的功能预测，为后续实验确定初步的研究方向。具体包括以下内容：核酸序列的基本分析、基因结构与DNA序列分

8、析、表达序列标签分析、电子克隆cDNA全长序列。蛋白质序列分析蛋白质序列的基本性质分析是蛋白质序列分析的基本方面，一般包括蛋白质的氨基酸组成、分子质量、等电点（pI）、亲水性和疏水性、信号肽、跨膜区及结构功能域的分析等。蛋白质的很多功能牲可直接由分析其序列而获得。蛋白质功能预测，一般说来，对于蛋白质功能预测分析而言，最为重要的莫过于分析目的蛋白质是否和功能已知的蛋白质相似。其中主要有两个策略进行：同源序列分析和功能区相关的保守序列特点分析。蛋白质分子进化