基因组序列注释的方法.
真核生物基因组注释的主要步骤及方法
真核生物基因组注释的主要步骤及方法孙千代徐杰英（北京市第九中学100041)摘要本文简要介绍了真核生物基因组注释的主要内容尧步骤及方法。
关键词真核生物基因组测序注释随着基因组测序技术的不断发展以及测序成本的 不断降低，越来越多的真核生物基因组被测序。
然而，基因组序列本身只是一串串由A、T、C、G四个字母所 组成的、枯燥难懂的字符，只有当这些字符串的生物学 意义被解读了，即基因组序列被注释了，人们才能够有 效地使用基因组序列。
由此，在基因组测序完成之后，要做的第一件事就是进行基因组注释（genomeannota-tion)。
1基因组组装质量的评估由于基因组组装得好坏直接决定了基因组注释的 质量，所以在进行基因组注释之前，先要评估一下基因 组组装的质量。
目前有许多评价指标可以用来描述基 因组组装的完整性以及连续性，其中应用得最为广泛 的就是N50数值（整个基因组序列长度的50%是由长 度大于或者等于某个长度的序列所构成的，这个长度 即为N50)。
一般来说，N50越长，表示组装的结果越 好。
当一个基因组组装的N50长度大于或等于这一物 种基因的平均长度，那么表示基因组组装的质量不错，可以进行后续的注释工作。
此外，有一些软件（如 BUSC0)采用与N50指标互补的方法来评价基因组组 装的质量。
它把基因组组装后的序列与谱系特异性的 一套单拷贝基因进行对比，来确定这些单拷贝基因完 整地出现在一条序列上的百分比，借此来评价基因组 组装的完整性以及连续性。
如果一个基因组组装得不 太完整或者N50太短，则需要额外加测一些序列来提 高基因组组装的结果，以便于对基因组进行注释[1]。
2基因组重复序列的鉴定真核生物的基因组里面有着大量的重复序列。
例 如，人类的基因组里有大约47豫甚至更多的重复序列。
重复序列的存在使基因组注释复杂化，并且会使的蔬菜栽培及加工处理的校本教材，后续学生的实践 活动可以在此基础上进行或进一步完善与拓展。
基因组序列注释
氨基酸的同源性比DNA更为可靠，因为绝大多数
同源基因在功能上具有相似性，这种相似性体
现在关键的氨基酸通常占据相同的位置。
整理课件
10
现有基因注释软件的特点
1)目前基因注释程序的编写主要依据两种信息内涵:
1.signal terms (信号指令), 如起始密码, 终止密码, 终止信号, 剪接受体位与供体位顺序, 多聚嘧啶顺序等 保守的顺序组成;
4) 相似性(similarity)系指同源蛋白质的氨基酸顺序中一 致性氨基酸和可取代氨基酸所占的比例. 可取代氨基酸 系指具有相同性质如极性氨基酸或非极性氨基酸的成 员, 它们之间的代换不影响蛋白质(或酶)的生物学功能.
整理课件
7
相似性与一致性
249 MFN-MAI PFGAGAYAQALNQQQAALMASVAQGG 232 I LTSL TLPFS AGAYAQALNQQQTTV I S - -T S GS 注: 红色为一致性氨基酸, 蓝色为可取代氨基酸, 白色为趋
第5章 基因组序列注释
1) 搜寻基因 2) 基因功能预测 3) 基因功能检测 4) 功能基因组研究
整理课件
1
5.1 搜寻基因
基因注释的依据 1) 根据基因结构特征搜寻基因 2) 同源基因查询 3) 因结构特征搜寻基因
开放读框（open reading frame) - 随机碱基排列的ORF长度预计不超过50个密码子 - 基因的ORF一般多于100个密码子 内含子与外显子
基因注释与功能分类
基因注释与功能分类基因注释是对基因组序列进行理解、解释和分析的过程，这有助于确定基因的功能、调控和表达方式，并为研究人员提供了更深入地了解基因的机制和功能的工具。
一、基因注释方法1.基于序列比对的注释方法：通过将未知基因的序列与已知序列的数据比对，来预测基因的功能。
2.基于结构注释方法：通过预测基因在基因组中的位置、开放阅读框（ORF）和蛋白质编码区域等结构特征，来注释基因的功能。
3.基于表达谱注释方法：通过分析基因在不同组织和条件下的表达谱，来推断基因可能的功能。
4.基于进化注释方法：通过比较不同物种的基因组序列，来推断基因在进化过程中可能的功能。
5.基于蛋白质相互作用网络注释方法：通过分析蛋白质与其他蛋白质之间的相互作用网络，来确定基因的功能和参与的生物过程。
二、基因功能分类基因可以根据其功能进行分类，常见的基因功能分类如下：1.结构基因：指编码细胞结构蛋白质的基因，如胶原蛋白基因和钙蛋白基因等。
2.酶基因：指编码酶的基因，如DNA聚合酶基因和蛋白酶基因等。
3.转运基因：指编码膜通道和转运蛋白质的基因，如葡萄糖转运蛋白基因和钠离子通道基因等。
4.调控基因：指编码转录因子和调节蛋白质等，控制基因表达的基因，如转录因子基因和RNA结合蛋白基因等。
5.受体基因：指编码细胞表面受体蛋白质的基因，如光感受器基因和荷尔蒙受体基因等。
6.信号传导基因：指编码信号转导蛋白质的基因，如酪氨酸激酶基因和G蛋白基因等。
7.免疫基因：指编码相关免疫分子和蛋白质的基因，如抗体基因和组织相容性复合体基因等。
8.肿瘤抑制基因：指编码抑制细胞增殖和肿瘤发展的基因，如p53基因和BRCA1基因等。
9.突变基因：指发生突变导致疾病的基因，如单基因遗传病的突变基因等。
10.育种相关基因：指控制植物遗传性状和农艺性状的基因，如水稻品质相关基因和果树品种改良基因等。
基因注释与功能分类是理解和研究基因组的重要工具和方法。
通过对基因的注释和分类，可以更好地了解基因的功能和机制，并为进一步研究基因的调控和表达提供了基础。
基因组序列注释的方法
（2）ATG的5’端约15bp范围的侧翼序列内不含碱基T；
（3）在-3，-6和-9位置，G是偏好碱基； （4）除-3，-6和-9位，在整个侧翼序列区，C是偏好 碱基
2）终止密码子 ：
终止密码子: TAA, TAG,TGA GC% = 50% 终止密码子每 64 bp出现一次； GC% > 50% 终止密码子每100－200 bp 出现一 次；
谢谢！
由于多数基因ORF均多于50个密码子，因此最可能 的选择应该是ORF选择不少于100个密码子。
细菌基因组的ORF阅读相对比较简单，错误的概率较少， 但单纯的ORF扫描对高等真核生物DNA效果不佳。
内含子使ORF扫描复杂化
对ORF扫描的基本程序的编写要 考虑以下几个问题：
a、密码子偏倚
编码同一氨基酸的不同密码子称为同义密码， 其差别仅在密码子的第3位碱基不同。
吉姆工程成果 吉姆工程耗时两年复查6次，通过 所提取的沃森血样，454生命科学公司 在两年时间里逐个识别沃森基因的30 亿个碱基对，并用67天时间为这些碱 基对排序，从而绘制了沃森的基因组 图谱。
吉姆工程的意义
个人基因组图谱隐藏的遗传信息好似“生命 密码”，如果破译，可以自人们出生之日起就采 取相应对策，减少患上特定疾病的风险，防患于 未然。 沃森举例说，如果一个孩子的基因组图谱显 示，这个孩子患上糖尿病的风险较高，那么就应 该严格控制这个孩子的体重。这样一来，在这个 孩子学会走路之前，他患上糖尿病的风险已经大 大降低。还有不少科学家认为，绘制出个人基因 组图谱，意义不仅在于降低患病风险，还可以铲 除疾病根源。
特定生物体的基因中并不是所有密码子的使用 频率都是平等的。 如Leu的密码子有6个（TTA、TTG、CTT、CTC、 CTA、CTG），在人类基因中，绝大多数Leu都是由 CTG编码的，而且几乎不由CTA和TTA编码。 特定种属有特征性的密码子偏爱，这些序列在 编码区常常出现，非编码区只保持平均的碱基分 布水平。
基因组组装注释的方法
基因组组装注释的方法基因组组装注释是一项复杂的任务，需要利用不同的方法和工具来完成。
以下是一些常用的基因组组装注释方法：1. 基因预测基因预测是基因组组装注释的关键步骤之一。
它涉及到利用不同的基因预测软件（如GeneMark、Augustus、GlimmerHMM等）来预测基因的位置、结构和功能。
这些软件使用不同的算法和模型来识别基因，一般会综合考虑基因的开放阅读框架（ORF）、启动子、终止子和剪接位点等信息。
2. 同源比对同源比对是比较两个或多个生物体基因组序列之间的相似性的一种方法。
在基因组组装注释中，同源比对可以用来预测新基因的位置和功能，并找到与其相似的已知序列。
常用的同源比对软件包括BLAST、HMMER和MAFFT等。
3. RNA-seq数据分析RNA-seq是一种利用高通量测序技术对RNA转录本进行定量分析的方法。
RNA-seq可以帮助确定基因的表达量、剪接变异、外显子和内含子边界等信息。
这些信息可以用来优化基因预测结果，提高注释的准确度和完整性。
RNA-seq数据的处理和分析需要使用不同的软件和工具，如TopHat、Cufflinks和DESeq等。
4. 功能注释基因组组装注释后，需要对注释结果进行功能上的解释和注释。
这通常需要使用不同的功能注释数据库和软件，如Gene Ontology、KEGG 和InterProScan等。
这些工具可以帮助将基因注释结果与生物学过程、代谢通路、蛋白质结构和功能等信息进行关联，并提供更深入的功能分析。
5. 基因组数据库基因组组装注释后，可以将注释结果上传到专门设计的基因组数据库中。
这些数据库包括NCBI、Ensembl、UCSC Genome Browser和JGI Genome Portal等。
这些数据库可以帮助研究者在全球范围内共享、查询和下载注释的基因组数据和相关信息。
总之，基因组组装注释是一项复杂的任务，需要多种不同的方法和工具来完成。
生物信息学中的基因组注释方法介绍
生物信息学中的基因组注释方法介绍随着基因组测序技术的快速发展，生物信息学在基因组研究中的应用越来越广泛。
基因组注释是基因组研究的重要环节，它可以帮助我们理解基因的功能和调控机制。
本文将介绍生物信息学中常用的基因组注释方法。
1. 基因预测基因预测是基因组注释的第一步。
它通过分析基因组序列中的开放阅读框（ORF）来预测潜在的基因。
常用的基因预测软件包括GeneMark、Glimmer和Augustus等。
这些软件根据基因的编码特征、保守序列和启动子等信息来预测基因的存在和位置。
2. 基因结构注释基因结构注释是对基因的内部结构进行注释，包括外显子、内含子和剪接变异等信息。
这可以通过比对已知基因组和转录本序列来实现。
常用的基因结构注释工具有BLAST、BLAT和Exonerate等。
这些工具可以将基因组序列与已知基因组或转录本序列进行比对，以识别外显子和内含子的位置。
3. 功能注释功能注释是对基因的功能进行注释，包括基因的功能分类、蛋白质结构域和功能区域等信息。
功能注释可以通过比对已知蛋白质数据库，如Swiss-Prot和TrEMBL，来实现。
常用的功能注释工具有BLAST、InterProScan和Pfam等。
这些工具可以将基因的编码蛋白质序列与已知蛋白质序列进行比对，并通过功能域和保守序列的分析来注释基因的功能。
4. 转录本组装转录本组装是对基因组中的转录本进行注释，包括外显子和内含子的组装以及剪接变异的分析。
常用的转录本组装工具有Cufflinks、StringTie和Trinity等。
这些工具可以根据RNA测序数据将转录本的外显子和内含子进行组装，并通过比对转录本序列与基因组序列来分析剪接变异。
5. 转录因子结合位点预测转录因子结合位点是转录因子与DNA结合的特定区域，它在基因调控中起着重要的作用。
转录因子结合位点预测可以通过比对转录因子结合位点数据库，如JASPAR和TRANSFAC，来实现。
生物信息学中的基因组注释方法
生物信息学中的基因组注释方法基因组注释是生物信息学研究中的一个重要分支，它旨在识别和解释基因组序列中的基因、非编码区域及其功能。
基因组注释方法是指通过一系列的计算和实验技术，将基因组序列与已知的生物学功能联系起来，从而提供对基因组中的基因、启动子、剪接变异等元素的识别、定位和功能注释。
在生物信息学领域，常用的基因组注释方法包括结构预测、同源比对、功能预测等。
首先，结构预测是基因组注释中的重要一环。
它通过比对基因组序列和已知基因组数据库中的基因等功能区域，利用计算机算法预测出相应的结构特征，包括基因的起始和终止位点、外显子和内含子等。
结构预测通常包括寻找开放阅读框（Open Reading Frame，ORF）、编码氨基酸序列和剪接位点。
利用启动子和转录因子结合位点的预测方法，可以实现基因的启动子注释。
其次，同源比对也是基因组注释的重要手段之一。
通过将待注释基因与已知基因组数据库中的同源序列进行比对，可以预测基因的可变剪接、保守区域等信息。
同源比对可以基于蛋白质序列或者核苷酸序列进行，其中蛋白质序列比对更加准确，但核苷酸序列比对更加快速。
同源比对方法包括基于局部序列相似性的BLAST比对、全局比对的Needleman-Wunsch和Smith-Waterman算法等。
此外，功能预测也是基因组注释的关键环节。
它旨在根据基因组序列的结构和同源比对的结果，推断基因的功能和生物学特性。
功能预测的方法包括Motif搜索和分析、蛋白质域注释、基因本体（Gene Ontology）注释等。
Motif搜索和分析可以通过寻找保守序列模式，推断出调控元件、结构域等与基因功能相关的特征。
蛋白质域注释是通过比对蛋白质序列与已知功能的数据库，识别蛋白质中的保守结构域，从而预测蛋白质的功能。
基因本体注释是通过将基因与已知的基因本体数据库进行比对，将基因和相关功能进行关联，以实现基因的功能注释。
此外，随着高通量测序技术的发展，RNA测序（RNA-seq）作为基因组注释的重要方法逐渐流行起来。
细菌基因组注释
细菌基因组注释一、概述细菌基因组注释是指对细菌基因组序列进行解读，确定其中的基因和其功能。
在基因组学领域中，注释是一个非常重要的步骤，它能够帮助研究人员理解基因组的结构和功能，并进一步探究生物学、生物技术等领域。
二、注释方法1. 基于比对的注释方法这种方法是指将已知的蛋白质序列与待注释的细菌基因组序列进行比对，从而确定其中相似性较高的区域，并预测这些区域可能存在的开放阅读框（ORF）。
然后再通过一系列的分析和验证，确定这些ORF 是否为真正存在的基因。
2. 基于统计学模型的注释方法这种方法是指利用统计学模型来预测细菌基因组中可能存在的ORF，并进一步根据这些ORF所属类别、长度等信息来判断其是否为真正存在的基因。
其中比较常用的统计学模型包括隐马尔可夫模型（HMM）和人工神经网络（ANN）等。
3. 基于实验验证的注释方法这种方法是指通过实验手段来验证细菌基因组中可能存在的基因。
比如，可以通过RT-PCR、Northern blot等技术来检测基因的转录情况，通过Western blot、质谱等技术来检测基因的表达情况，从而确定这些ORF是否为真正存在的基因。
三、注释内容1. 基因定位在注释过程中，需要确定每个基因在细菌基因组中的位置。
这可以通过比对已知序列和细菌基因组序列来实现。
2. 开放阅读框（ORF）预测开放阅读框是指DNA序列中可能编码蛋白质的区域。
在注释过程中，需要预测出细菌基因组中所有可能存在的ORF，并进一步判断其是否为真正存在的基因。
3. 基因功能预测在注释过程中，需要对每个已知或预测出的基因进行功能预测。
这可以通过比对已知蛋白质序列数据库（如Swiss-Prot、TrEMBL等）来实现。
此外，还可以利用一些功能预测软件（如InterProScan、BLAST等）来进行功能注释。
4. 基因调控元件预测除了编码区域外，细菌基因组还包含许多非编码区域，其中可能存在一些重要的调控元件（如启动子、转录因子结合位点等）。
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特定生物体的基因中并不是所有密码子的使用 频率都是平等的。 如Leu的密码子有6个（TTA、TTG、CTT、CTC、 CTA、CTG），在人类基因中，绝大多数Leu都是由 CTG编码的，而且几乎不由CTA和TTA编码。 特定种属有特征性的密码子偏爱，这些序列在 编码区常常出现，非编码区只保持平均的碱基分 布水平。
谢谢！
吉姆工程成果 吉姆工程耗时两年复查6次，通过 所提取的沃森血样，454生命科学公司 在两年时间里逐个识别沃森基因的30 亿个碱基对，并用67天时间为这些碱 基对排序，从而绘制了沃森的基因组 图谱。
吉姆工程的意义
个人基因组图谱隐藏的遗传信息好似“生命 密码”，如果破译，可以自人们出生之日起就采 取相应对策，减少患上特定疾病的风险，防患于 未然。 沃森举例说，如果一个孩子的基因组图谱显 示，这个孩子患上糖尿病的风险较高，那么就应 该严格控制这个孩子的体重。这样一来，在这个 孩子学会走路之前，他患上糖尿病的风险已经大 大降低。还有不少科学家认为，绘制出个人基因 组图谱，意义不仅在于降低患病风险，还可以铲 除疾病根源。
OR
通过物种已建立的遗传图和物理图来 确定基因的位置
三、基因组序列注释的应用
1、Jim工程
吉姆工程是美国454生命 科学公司（基因技术公司）在 2005年前给“DNA之父”称誉 的美国科学家詹姆斯·沃森绘 制完整的个人基因组图谱的工 作，美国这家基因技术公司将 相关工作所以命名为“吉姆工 程”是因为沃森名字“詹姆斯” 昵称“吉姆”。“DNA之父” 沃森的个人基因组图谱于2007 年05月31日首次向全世界公开， 成为世界首份个人基因组图谱； 将来普通人只需1000美元就可 掌握自己的“生命天书”。
（2）ATG的5’端约15bp范围的侧翼序列内不含碱基T；
（3）在-3，-6和-9位置，G是偏好碱基； （4）除-3，-6和-9位，在整个侧翼序列区，C是偏好 碱基
2）终止密码子 ：
终止密码子: TAA, TAG,TGA GC% = 50% 终止密码子每 64 bp出现一次； GC% > 50% 终止密码子每100－200 bp 出现一 次；
ENCODE计划成果
4年来，通过建立一个目录，详尽地描述1％ 人类基因组的全部生理功能基础。该结果 高度肯定了鉴定和归类人类基因组功能元 件的工程的成功，并且由于几项新技术的 兴起，大量关于功能元件的数据被获得， 这标志着技术发展阶段也获得了成功。
ENCODE计划的意义 ENCODE计划首次系统地研究了所有 类型的功能元件的位点和组织方式， 对基因组计划的实际应用具有划时代 的意义，为未来进一步认识整个人类 基因组的功能蓝图开辟了道路。
c、上游调控顺序
几乎所有基因（或操纵子）上游都有调控 序列，它们与DNA结合蛋白作用，控制基因 表达，通过同源性比较来预测mRNA的5’端， 最常用的与转录起始位点相关的数据库是 真核启动子数据库 (The TRADAT Project , Eukaryotic Promoter Database, EPD. http://www.epd.unil.ch/ )。 另外个别基因组特有组成也可作为判别依 据，如脊椎动物基因组许多基因的上游都 有大约1kb长的CpG岛。
由于多数基因ORF均多于50个密码子，因此最可能 的选择应该是ORF选择不少于100个密码子。
细菌基因组的ORF阅读相对比较简单，错误的概率较少， 但单纯的ORF扫描对高等真核生物DNA效果不佳。
内含子使ORF扫描复杂化
对ORF扫描的基本程序的编写要 考虑以下几个问题：
a、密码子偏倚
编码同一氨基酸的不同密码子称为同义密码， 其差别仅在密码子的第3位碱基不同。
2、ENCODE计划
The Encyclopedia of DNA Elements Project ：即 “DNA元件百科全书计划”，简称ENCODE计划。2003年9月 由美国国立人类基因组研究所（National Human Genome Research Institute）组织的又一个重大的国际合作计划。 其目的是解码基因组的蓝图，鉴定人类基因组中包括基因、 启动子、增强子、抑制子/沉默子、内含子等已知的和还 不知功能的多个物种的保守序列等在内的所有功能元件。 ENCODE计划中提出的每一类元件都是已经被发现过的，所 不同的是现在要在全基因组的范围内进行系统的研究。
b、外显子－内含子边界
外显子和内含子的边界有一些明显的特征如：
内含子的5’端常见的顺序为 5’-AG↓GTTAAGT-3’；
3’端多为5‘PyPyPyPyPyPyCAG3’(“Py”嘧啶核苷酸，T或C)；
上游外显子 -内含子边 界的共有序 列在真正基 因中发现的 真实序列之 间的关系。
运用外显子－内含子边界特殊 序列的方法来注释基因的成功率不 高。
这些结果均可作为基因判定的指标，可单独用， 也可综合用。
基因注释软件
1)目前基因注释程序的编写主要依据两种信息内涵: 1.signal terms ( 信号指令 ), 如起始密码 , 终止密码 , 终止信号,多聚嘧啶顺序,分支点等保守的顺序组成; 2.content terms (内容指令), 如密码子使用偏好. 对结构紧凑的小基因组上述注释软件效果不错,但对大基因 组特别是超长基因的注释有很大困难 . 在一个长度数十或 数百kb的内含子中, 存在许多可能误判的信号指令. 2)常用的注释软如GenScan主要偏重于内容指令, 而FgeneSH 则着重于信号指令 . 由于每种生物都有种属专一性的密码 子偏好 , 也存在某些非保守的信号指令 , 因此在超长基因 注释中常出现正向错误(false-positive, 多注释)或负向 错误(false-negetive, 少注释).
2、同源查询
利用已存入数据库中的 基因序列与待查基因组序列 进行比较，从中查找可与之 匹配的碱基序列及相同； B. 开放阅读框排列类似； C. 开放阅读框翻译成的氨基酸序列的相同； D. 模拟多肽高级结构相似。
一般认为，氨基酸序列的相似性在25%以上可视 为同源基因。
引自: Nature reviews genetics, 4:741-749,2003.
3、通过实验确认基因
a、确认基因的存在： 通过Northern杂交确定DNA片段是表达 序列； 由EST或cDNA指认基因。EST和cDNA是 基因转录加工后的产物，可以确切无疑的 代表相应基因成员的存在。
b、确定基因的位置： 获取基因全长cDNA序列。 根据已知片段设计引物，通过RACE技 术得到基因的全长cDNA序列; 确定DNA顺序中基因的位置。 通过对全长cDNA序列的测序，并与基 因组DNA的比较，确定基因所在的区域；
基因组序列注释的方法
一、基因组序列注释
以基因组序列为基础，确定全基因 序列中基因的确切位置
二、注释的方法
1、根据开放阅读框（ORF）预测
1）起始密码子ATG： 第一个ATG的确定依据Kozak规则，所谓 Kozak规则，即第一个ATG侧翼序列的碱基 分布所满足的统计规律：
若将第一个ATG中的碱基A，T，G分别标为1，2， 3位，则Kozak规则可描述如下： （1）第4位的偏好碱基为G；