1、Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTC第七章第七章 基因組分析基因組分析Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTC基因組基因組 轉(zhuǎn)錄組轉(zhuǎn)錄組蛋白質(zhì)組蛋白質(zhì)組化學(xué)生物

2、學(xué)化學(xué)生物學(xué)Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCr 1. 基因組的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容基因組的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容r 2. 基因組注釋基因組注釋r 3. 比較基因組學(xué)比較基因組學(xué)r 4. 基因基因/蛋白質(zhì)的功能預(yù)測蛋白質(zhì)的功能預(yù)測Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCr (1) 基因的結(jié)構(gòu)基因的結(jié)構(gòu)r (2) mRNA：可變剪切：可變剪切r (3)

3、 蛋白質(zhì)：翻譯后修飾蛋白質(zhì)：翻譯后修飾r (4) 相互作用網(wǎng)絡(luò)：基因、蛋白質(zhì)、小分子之間相互作用網(wǎng)絡(luò)：基因、蛋白質(zhì)、小分子之間的相互作用的相互作用r (5) 非編碼區(qū)非編碼區(qū)| a. 功能元件功能元件: 轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點；啟動子轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點；啟動子| b. Non-coding RNA: MicroRNA| c. 轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子| d. 重復(fù)片段重復(fù)片段| e. 偽基因偽基因 (Pseudogene)Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformat

4、ics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTC基因組大小基因組大小 & 基因數(shù)基因數(shù)Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCr 1. 基因數(shù)量的變化，無法解釋生物學(xué)功能、調(diào)控機基因數(shù)量的變化，無法解釋生物學(xué)功能、調(diào)控機理以及物種多樣性和復(fù)雜性的巨大變化理以及物種多樣性和復(fù)雜性的巨大變化r 2. 當前解釋：蛋白質(zhì)組的多樣性和復(fù)雜性當前解釋：蛋白質(zhì)組的多樣性

5、和復(fù)雜性 - 物種的物種的多樣性和復(fù)雜性；多樣性和復(fù)雜性；10,000,000種蛋白質(zhì)分子種蛋白質(zhì)分子r 3. 兩種觀點：兩種觀點：| a. 轉(zhuǎn)錄后層面，轉(zhuǎn)錄后層面，mRNA剪切，產(chǎn)生拼接異構(gòu)體剪切，產(chǎn)生拼接異構(gòu)體| b. 蛋白質(zhì)層面，蛋白質(zhì)序列上一個或多個位點上發(fā)生的蛋白質(zhì)層面，蛋白質(zhì)序列上一個或多個位點上發(fā)生的翻譯后修飾翻譯后修飾Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBio

6、informatics, 2008-2009, Semester 1, USTCisoform 1isoform 2isoform 3mRNA Splicing轉(zhuǎn)錄后層面：轉(zhuǎn)錄后層面：mRNA SplicingBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCPhosphorylationSumoylationPalmitoylationAcetylationUbiquitination蛋白質(zhì)層面：翻譯后修飾蛋白質(zhì)層面：翻譯后修飾Bioinformatics, 2008-2

7、009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTC蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)-蛋白蛋白質(zhì)相互作用質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCG1/S檢驗點：檢驗點：有調(diào)控方向有調(diào)控方向Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCr a. 功能元件功能元件: 轉(zhuǎn)錄

8、因子結(jié)合位點；啟動轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點；啟動子子r b. Non-coding RNA: MicroRNAr c. 轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子r d. 重復(fù)片段重復(fù)片段r e. 偽基因偽基因 (Pseudogene)Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCCRM: cis-regulatory modulesBi

9、oinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCGal4pKruppelBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCr Exon splicing enhancer (ESE) and silencer (ESS) r Intron splicing enhancer (ISE) and silencer (ISS)Bioinformatics, 2

10、008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCr 1. 不翻譯成蛋白質(zhì)，具有重要的調(diào)控功能不翻譯成蛋白質(zhì)，具有重要的調(diào)控功能r 2. 分類：分類：|a. transfer RNA (tRNA) |b. ribosomal RNA (rRNA)|c. snoRNAs, |d. microRNAs, |e. siRNAs|f. piRNAs: 與與piwi相互作用的相互作用的RNA |g. long ncRNAs: Xist|Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, US

11、TCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCr snoRNAs: Small nucleolar RNAs; 介導(dǎo)介導(dǎo)其他其他RNA分子的化學(xué)修飾，例如甲基化分子的化學(xué)修飾，例如甲基化Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCr 1. 長度長度21-2

12、3bpr 2. 調(diào)控基因的表達調(diào)控基因的表達r 3. pre-miRNA: 70bpBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCr 轉(zhuǎn)座子：在基因組中能夠移動位置的轉(zhuǎn)座子：在基因組中能夠移動位置的DNA序列序列Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCr (1) 基因組序列的拼裝基因組序列的拼裝r (2) 基因預(yù)測基因預(yù)測r (3) 可變剪

13、切的預(yù)測可變剪切的預(yù)測r (4) 非編碼的功能元件的預(yù)測非編碼的功能元件的預(yù)測Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBio

14、informatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCr 直接的，序列高度匹配直接的，序列高度匹配|同一或近緣物種中，與同一或近緣物種中，與EST，cDNA, 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)等序列完美或近似完美的匹配等序列完美或近似完美的匹配r 間接的，基于統(tǒng)計學(xué)的間接的，基于統(tǒng)計學(xué)的a.序列比對序列比對 (Homology)b.從頭預(yù)測從頭預(yù)測(ab initio)c.以上兩種方法的結(jié)合以上兩種方法的結(jié)合Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioin

15、formatics, 2008-2009, Semester 1, USTC5335 1-100 Mbp 5335 1-1000 kbp exons (cds & utr) / introns( 102-103 bp) ( 102-105 bp)Polyadenylation sitepromoter (103 bp)enhancers (101-102 bp)other regulatory sequences ( 101-102 bp)Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Seme

16、ster 1, USTCr 1. ORF (Open Reading Frame): 從從AUG開始，至開始，至stop codon終止終止r 2. Codon Usage: CAI r Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCKulp, D., PhD Thesis, UCSC 2003Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCr 將

17、將EST, cDNA序列比對到基因組上序列比對到基因組上Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCr (1) 有功能的通常保守有功能的通常保守r (2) 例：例：SUMO底物的預(yù)測：底物的預(yù)測：|a. SUMO化位點存在化位點存在-K-X-E模體模體|b. 核定位信號核定位信號 (NLS)|c.

18、人和小鼠中，人和小鼠中，SUMO化位點應(yīng)當保守化位點應(yīng)當保守|d. 功能分析：功能分析：Gene Ontologyr (3) 分析結(jié)果：分析結(jié)果：|a. 2,683個人個人-小鼠保守的小鼠保守的SUMO化底物化底物|b. SUMO化的功能：參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等化的功能：參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCr 1. 描述基因描述基因/蛋白質(zhì)的功能蛋白質(zhì)的功能r 2. 三類術(shù)語三類術(shù)語(Term):|a. Cellular compon

19、ent: 在哪里？在哪里？|b. Biological process: 干什么？干什么？ |c. Molecular function：我是誰？：我是誰？Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinfo

20、rmatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCr In human proteome: r DNA binding (GO:0003677): 2, 255 r Transcription factor activity (GO:

21、0003700): 1, 102 r regulation of transcription, DNA-dependent (GO:0006355): 2, 174r In SUMO Substrates: r DNA binding (GO:0003677): 530 r Transcription factor activity (GO:0003700): 304 r regulation of transcription, DNA-dependent (GO:0006355): 510r 因此，可以估計因此，可以估計1/4 1/3的轉(zhuǎn)錄因子受到的轉(zhuǎn)錄因子受到SUMO化的調(diào)控化的調(diào)控Bio

22、informatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCr (1) 一級序列的比較：相似的序列具有相似一級序列的比較：相似的序列具有相似的功能的功能r (2) 保守的功能結(jié)構(gòu)域：保守的功能保守的功能結(jié)構(gòu)域：保守的功能r (3) 三級結(jié)構(gòu)的比較：相似的結(jié)構(gòu)具有相似三級結(jié)構(gòu)的比較：相似的結(jié)構(gòu)具有相似的功能的功能r (4) 蛋白質(zhì)相互作用的預(yù)測蛋白質(zhì)相互作用的預(yù)測Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2

23、009, Semester 1, USTCr 1. 同源物的鑒定：不同物種中的直系、旁系同源物的鑒定：不同物種中的直系、旁系同源物的預(yù)測同源物的預(yù)測r 2. 主要工具：主要工具：BLASTBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCr 1. 保守的功能結(jié)構(gòu)域：保守的功能保守的功能結(jié)構(gòu)域：保守的功能r 2. 常用工具：常用工具：工具工具網(wǎng)址網(wǎng)址Interprohttp:/www.ebi.ac.uk/interpro/Pfamhttp:/pfam.sanger.ac.uk

24、/SMARThttp:/smart.embl.de/PROSITE/prosite/ProDomhttp:/prodom.prabi.fr/prodom/current/html/home.phpCDD/Structure/cdd/wrpsb.cgiBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTC

25、Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCr 1. Ubiquitin: 泛素，主要負責蛋白質(zhì)的降解泛素，主要負責蛋白質(zhì)的降解r 2. SUMO：小的類泛素蛋白質(zhì)，基因轉(zhuǎn)錄：小的類泛素蛋白質(zhì)，基因轉(zhuǎn)錄 & 信號通路信號通路r 3. 催化反應(yīng)通路的分子機制相似催化反應(yīng)通路的分子機制相似r 4. 序列相似性：不顯著！序列相似性：不顯著！Bioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-

26、2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCSUMOUbiquitinBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCr 1. 基因組信息基因組信息 (Genomic information)|A. Gene fusi

27、on and fission|B. Conservation of gene order/bidirectional pairs|C. Phylogenetic profiler 2. 關(guān)聯(lián)的序列特征關(guān)聯(lián)的序列特征 (Correlated sequence signatures)r 3. mRNA co-expressionr 4. Literature miningBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCABABQuery proteinLinked proteinRosetta proteinMarcotte EM et al., Science 1999, 285:751-753; Enright AJ et al., Nature, 1999, 402:86-90Genome AGenome BBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCBioinformatics, 2008-2009, Semester 1, USTCGene order pairsBidirectional transcribed gene pairsDan