西北工业大学课程设计(初模版)

本科课程设计论文基于3D 引擎的生物基因的三维重构技术专业名称：自动化学生姓名：许庆丰指导教师：杨宁课程任务书一、题目基于3D引擎的生物基因的三维重构技术二、指导思想和目的要求熟悉3D引擎、生物基因的基本原理；对基于3D引擎的3D重构方法进行综述；阅读最新国内外参考文献8篇以上。

两周完成设计任务，提交5000字以上的小论文。

附参考文献并在论文上相应位置进行标注三、主要技术指标1.3D引擎技术2.ChIA-PET技术3.遗传算法原理学生___________ 指导教师___________ 系主任___________摘要通过查找资料文献，了解3D引擎技术的基本含义及内容，了解生物基因的结构及原理。

了解了通过ChIA-PET技术可以探知基因的相互作用及结构。

了解了遗传算法的原理及基本应用配对末端标签测序分析染色质相互作用(ChIA-PET)技术是一项在全基因组范围内分析远程染色质相互作用的新技术。

它把染色质免疫沉淀(ChIP)技术、染色质邻近式连接技术、配对末端标签( PET)技术和新一代测序技术融为一体，在基因组三维折叠和套环状态下分析基因表达和调控。

ChIA-PET技术已用于确定人乳腺腺癌细胞内雌激素受体 a 的结合位点之间的相互作用。

随着更多蛋白质因子的发现及其抗体的应用，该技术可实时捕获全基因组范围内参与复制、转录过程的蛋白质因子结合位点以及结合位点间的相互作用，这对于阐明基因调控和疾病发生机制具有重大意义。

关键词：染色体，基因，三维结构，ChIA-PET技术AbstractBy looking up information literature, understand the basic meaning and content of 3 d engine technology, understand the structure and principle of the biological gene. Learned by ChIA PET technology can detect gene interactions and structure.Understanding the principle of genetic algorithm and the basic application Chromatin interaction analysis by paired-end tag sequencing (ChIA-PET) is a whole-genome approach for long-distance chromatin interaction analysis. It is a technique that incorporates chromatin immunoprecipitation, chromatin prox-imity ligation, paired-end tag, and next-generation sequencing to study gene expression and regulation in the genome’s three-dimensional folding and looping state. ChIA-PET has been applied to the identification of the estrogen-receptor-a-binding sitesand the interactions among the binding sites in human breast adenocarcinoma cells. With more protein factors being found andtheir antibodies being used, it will allow real-time and whole-genome identification of the DNA replication and transcription-involved protein factor-binding sites and the interactions among the binding sites, which has a great significance to reveal themechanisms of gene regulation and the pathogenesis of diseases.Key words：hromosomes；genes；three-dimensional structure；ChIA-PET目录第一章基本概念介绍 (6)1.1 3D引擎简介 (6)1.2 生物基因简介 (7)第二章相关技术算法介绍 (10)2.1 前言 (10)2.2 ChIA-PET技术 (11)2.2.1 ChIA-PET技术的原理与方法 (12)2.2.2 ChIA-PET技术的优、缺点 (15)2.2.3 总结 (16)2.3 遗传算法 (16)2.3.1 引言 (16)2.3.2 遗传算法的原理及特点 (17)2.3.3 结束语 (21)参考文献 (22)课程设计小结及致谢 (23)第1章基本概念介绍1.1 3d引擎简介1.1.1定义3D引擎是将现实中的物质抽象为多边形或者各种曲线等表现形式，在计算机中进行相关计算并输出最终图像的算法实现的集合。

3D引擎就像是在计算机内建立一个“真实的世界”3D引擎作为一个名词已经存在了很多年，但即使是一些专业的引擎设计师，也很难就它的定义达成一个共识。

通常来说，3D引擎作为一种底层工具支持着高层的图形软件开发。

你可以把它看成是对3D API的封装，对一些图形通用算法的封装，对一些底层工具的封装。

我无法准确的定义3D引擎的含义和作用，因为针对不同的用户和开发项目，3D引擎完成的功能可能都有不同。

因此，我将从功能的角度来定义3D引擎，这种定义法也许能更确切的表达出一个3D引擎的真实含义。

1.1.2功能3D引擎最基本的功能应该包括：①数据管理：包括场景管理，对象系统，序列化，数据与外部工具的交互，底层3维数据的组织和表示。

②渲染器是：3D引擎的核心部分，它完成将3D物体绘制到屏幕上的任务。

渲染器分为硬件渲染器和软件渲染器。

之所以要说是合理的渲染器，是因为一个引擎的渲染能力是由多方面决定的。

比如一款以实时游戏作为目标的游戏，会选择基于光栅化的渲染算法。

在这种设计前提下，几何体一级的数据不会过于详细，例如物体表面的BRDF，折射率，纹理坐标空间的变化率，切线空间的变化率（当然随着硬件能力的提升和Shader能力的发展，这些数据也会出现在一些比较高级的游戏引擎中），这时候即使你在设计初期就考虑到这些数据需求，并将它们表现在了Render中，最后也不会有任何意义。

③交互能力：简单的说，就是开发工具。

任何一款3D引擎如果没有开发工具都不能称为是完整的。

这些开发工具可能是一些文件转换器，场景编辑器，脚本编辑器，粒子编辑器....有了上面3种功能，就可以称为3D引擎了。

3d引擎1.2 生物基因简介DNA的三级结构与功能（一）DNA超螺旋双螺旋DNA进一步扭曲盘绕则形成其三级结构，超螺旋是DNA三级结构的主要形式。

自从1965年Vinograd等人发现多瘤病毒的环形DNA的超螺旋以来，现已知道绝大多数原核生物都是共价封闭环分子，这种双螺旋环状分子再度螺旋化成为超螺旋结构。

有些单链环形染色体（如φ×174）或双链线形染色体（如噬菌体入），在其生活周期的某一阶段，也必将其染色体变为超螺旋形式。

对于真核生物来说，虽然其染色体多为线形分子但其DNA均与蛋白质相结合，两个结合点之间的DNA形成一个突环结构，类似于CCC分子，同样具有超螺旋形式。

超螺旋按其方向分为正超螺旋和负超螺旋两种。

真核生物中，DNA与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺旋。

研究发现，所有的DNA超螺旋都是由DNA拓扑异构酶产生的。

（二）染色质和核小体1.染色质真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都是以染色质的形式存在的。

染色质是一种纤维状结构，叫做染色质丝，它是由最基本的单位棗核小体成串排列而成的。

DNA是染色体的主要化学成分，也是遗传信息的载体，约占染色体全部成分的27%，另外组蛋白和非组蛋白占66%，RNA占6%.组蛋白是一种碱性蛋白质，等电点一般在PH10.0以上，其特点是富含二种碱性氨基酸（赖氨酸和精氨酸），根据这两种氨基酸在蛋白质分子中的相对比例，将组蛋白分为五种类型（表1）。

表1 五种组蛋白分子的基本参数*现已证明：H1是与核小体的核心颗粒相当靠近的，认为它位于连接DNA上，只是一种习惯说法。

五种组蛋白在同一生物的不同组织中完全一样，在不同的真核生物中也很相似。

组蛋白对染色体中DNA的包装有十分重要的作用。

2.核小体核小体是构成染色质的基本结构单位，使得染色质中DNA、RNA和蛋白质组织成为一种致密的结构形式。

核小体由核心颗粒和连接区DNA二部分组成，在电镜下可见其成捻珠状，前者包括组蛋白H2A，H2B，H3和H4各两分子构成的致密八聚体（又称核心组蛋白），以及缠绕其上一又四分之三圈长度为146bp的DNA 链；后者包括两相邻核心颗粒间约60bp的连接DNA和位于连接区DNA上的组蛋白H1，连接区使染色质纤维获得弹性。

核小体是DNA紧缩的第一阶段，在此基础上，DNA链进一步折叠成每圈六个核小体，直径30nm的纤维状结构，这种30nm 纤维再扭曲成襻，许多襻环绕染色体骨架形成棒状的染色体，最终压缩将近一万倍。

这样，才使每个染色体中几厘米长（如人染色体的DNA分子平均长度为4cm）的DNA分子容纳在直径数微米（如人细胞核的直径为6－7μm）的细胞核中。

核小体的形成以及DNA超螺旋结构与功能的关系还不十分清楚，可能与基因的转录调节控制有关。

第2章相关技术算法介绍2.1 前言如果将人的所有染色体相连并充分伸展的话，其长度可达2米左右，如此庞大的DNA链要全部储存在直径约10微米的细胞核中。

此外，基因及其调控元件需要交流，染色质必须打开，允许转录和复制。

因此，人们常常提出这样的疑问：“基因的线性顺序与空间排布如何关联?”“基因如何被遥远的元件所调控?”。

阐明染色质复杂结构的技术有染色质构象捕获及更高通量的衍生技术4C、5C，这些提供了长距离的染色质相互作用，但不能扩展到整个染色质相互反应组。

在2009年末，两种新方法的迸发，有望绘出全基因组范围的相互作用图谱。

马萨诸塞大学的Job Dekker和Broad研究院的Eric Lander开发出了Hi-C技术，能捕获全基因组范围的相互作用1。