实验二-核酸及蛋白质序列的比对教学教材
核酸蛋白序列比对分析
核酸\蛋白序列比对分析生物技术02级021402198 曾彪摘要生物信息学——是一门新兴的交叉学科，是采用计算机技术和信息论方法研究蛋白质及核酸序列等各种生物信息的采集、存储、传递、检索、分析和解读的科学，是现代生命科学与计算机科学、数学、统计学、物理学和化学等学科相互渗透而形成的交叉学科。
核酸与蛋白质序列分析是生物信息学的基本研究方法。
核酸与蛋白质序列分析是生物信息学的基本研究方法。
关键词核酸/蛋白质序列分析生物信息数据与查询序列比较DNA芯片质谱隐马尔可夫模型正文人类基因组计划完成了人类基因组的测序与分析工作，也积累了大量的核酸和蛋白质序列数据，从而导致了分子数据库的建立。
分子生物学家在此基础上依靠计算机进行核酸和蛋白质序列分析。
大量生物学实验的数据积累，形成了当前数以百计的生物信息数据库。
它们各自按一定的目标收集和整理生物学实验数据，并提供相关的数据查询、数据处理。
这些生物信息数据库可以分为一级数据库和二级数据库。
一级数据库的数据都直接来源于实验获得的原始数据，只经过简单的归类整理和注释；二级数据库是在一级数据库、实验数据和理论分析的基础上针对特定目标衍生而来，是对生物学知识和信息的进一步整理。
国际上著名的一级核酸数据库有Genbank数据库、EMBL核酸库和DDBJ库等；蛋白质序列数据库有SWISS-PROT、PIR等；蛋白质结构库有PDB等。
国际上二级生物学数据库非常多，它们因针对不同的研究内容和需要而各具特色，如人类基因组图谱库GDB、转录因子和结合位点库TRANSFAC、蛋白质结构家族分类库SCOP等等。
要在如此庞大的数据库中找到所需要的目标序列，必须建立数据库查询系统。
数据库查询（也称为数据库检索）是指对序列、结构以及各种二次数据库中的注释信息进行关键词匹配查找。
常用的数据库查询系统有Entrez, SRS等。
数据库搜索是指通过特定的序列相似性比对算法，找出核酸或蛋白质序列数据库中与检测序列具有一定程度相似性的序列。
核酸与蛋白质序列分析
光学测序技术利用光信号的变化来检测DNA或RNA序列， 具有高分辨率和高灵敏度等优点，是未来测序技术的重要 发展方向。
人工智能在序列分析中的应用
序列比对
人工智能算法能够快速准确地比对新序列与已知序列之间的相似 性和差异性，有助于发现新的基因和变异。
结构预测
人工智能可以预测蛋白质的三维结构，有助于理解蛋白质的功能和 相互作用机制Maxam-Gilbert和Sanger的DNA测序方法，以及 primer extension method等。这些方法可以提供核酸序列 的精确信息，但通量较低。
下一代测序（NGS）
随着技术的发展，出现了高通量的下一代测序技术，如 Illumina、SOLiD、Ion Torrent和PacBio等。这些技术可以 同时测定大量核酸序列，大大提高了测序速度和通量。
诊断标志物筛选
基于蛋白质序列分析，筛选与疾病相关的生物标志物，用于疾病的早期诊断和预后评估。
04
序列分析的挑战与未来发展
高通量测序技术的局限性
成本高昂
01
尽管高通量测序技术已经显著降低了测序成本，但仍相对昂贵，
限制了其在某些领域的应用。
数据解读难度大
02
高通量测序产生的数据量庞大，需要专业的生物信息学分析方
顺序。
酶降解法
利用特定的酶将蛋白质分解为肽段， 再测定各肽段的氨基酸序列。
自动测序法
利用特定的仪器自动进行蛋白质的 测序，如质谱仪和液相色谱仪等。
蛋白质的变异与修饰
基因突变
由于基因突变导致蛋白质合成过程中出现氨基酸 替换或缺失，从而影响蛋白质的功能。
磷酸化
蛋白质上的特定氨基酸残基被磷酸化，影响蛋白 质的活性、定位和稳定性。
实验二 双序列比对分析
实验三双序列比对分析一．实验目的Tay-Sachs是一种常染色体隐性遗传疾病，它的起因是第15号染色体的等位基因HEXA突变。
人类的HEXA基因在GenBank中的编号为“NM_000520”，小鼠的HEXA 基因在GenBank中的编号为“AK080777”，它们是核苷酸序列，以这两条序列为例，学习双序列比对分析。
1．学习和掌握在MATLAB平台上应用Bioinformatics工具包有关核苷酸和蛋白质双序列比对的命令和功能。
2．学习和掌握在MATLAB平台上应用Bioinformatics工具包访问GenBank，并提取核苷酸和蛋白质序列数据的方法。
3．学习和掌握在MATLAB平台上应用Bioinformatics工具包制作核苷酸或蛋白质两条序列比对的点阵图的方法。
4．学习和掌握在MATLAB平台上应用Bioinformatics工具包进行核苷酸或蛋白质双序列的局部比对和全局比对的方法。
二．实验内容1．在MATLAB平台上应用Bioinformatics工具包访问GenBank，提取核苷酸序列并转换为蛋白质序列。
①用“web”命令在MATLAB平台上打开NCBI网页。
web('/')web('/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowSection&rid=gnd')②用“getgenbank”功能从GenBank中读序列信息到MARLABhumanHEXA = getgenbank('NM_000520')mouseHEXA = getgenbank('AK080777')在MATLAB的workshop打开humanHEXA 和mouseHEXA查看其内容。
③从GenBank中提取2条核苷酸序列后，首先要做的是用全局比对来寻找两条序列中的相似序列。
因为进行蛋白质序列的比对更能体现其生物学本质，所以常常进行蛋白质序列的比对。
蛋白质和核酸序列比对的基础和应用
蛋白质和核酸序列比对的基础和应用序列比对是生物信息学中的基本问题之一。
生物学中，各种生物体的遗传材料都是由由核酸序列组成的基因组。
这些核酸序列对于生物的基因表达和功能非常重要，但是它们的信息密度比较低，很难从中获得有意义的信息内容。
因此，生物学家们研究出了一种对这些序列进行分析的办法，称之为序列比对。
这种方法通过比较不同样本的序列，从中发现这些序列之间的共性和差异，进而推断出生物之间的关系，以及各种基因的功能和特征。
序列比对的基础序列比对的基本思路是将两个或多个序列进行比较，从中寻找相同的部分。
根据两条序列中相同碱基的数量以及它们的位置关系，我们可以推断出这些序列之间的相似程度。
然而，由于生物的基因组非常复杂，以及数据量过大，使得这种序列比对方式很难通过简单的手工方法进行。
因此，生物学家们研究出了一系列的比对算法，用于通过计算机程序实现。
目前，序列比对算法主要分为两类，即全局比对和局部比对。
全局比对是将两条或多条序列的全部碱基进行比较，通常用于比较两个相似的序列，以确定它们之间的相同区域。
而局部比对则是通过寻找两条序列之间的局部匹配来发现它们之间的相似之处。
在处理大量的生物序列时，局部比对比全局比对更加高效。
应用序列比对在生物研究中有着广泛的应用。
首先，它可以揭示不同生物之间的遗传关系。
通过比较物种之间的基因组，我们可以推断出它们之间的相似性和差异性，从而建立起一种生物分类的方法。
其次，序列比对也可以用于研究个体之间的遗传关系。
通过比较不同个体的基因组，我们可以了解它们之间的遗传距离，从而推断出不同个体之间的亲缘关系，或者是寻找其它与生物体性状相关的基因。
此外，序列比对还可以用于研究蛋白质的结构和功能。
蛋白质是生命体中最基本的组成成分之一，其结构和功能非常复杂。
通过对蛋白质的序列进行比对，我们可以发现它们之间的共同特征，从而了解蛋白质的折叠结构和功能。
总结序列比对是生物信息学中的一个非常重要的分支。
高中生物《细胞中的蛋白质和核酸》教案
《高中生物细胞中的蛋白质和核酸》教案教学目标1.知识与技能：o理解蛋白质和核酸的基本结构和功能。
o掌握蛋白质和核酸在细胞中的重要作用。
o能够识别并区分不同类型的蛋白质和核酸。
2.过程与方法：o通过实验操作和观察，培养学生的实验能力和科学探究精神。
o通过小组讨论和案例分析，培养学生的合作学习和问题解决能力。
3.情感态度与价值观：o激发学生对蛋白质和核酸等生物大分子的兴趣。
o培养学生的实验安全意识和对科学实验的尊重。
教学重难点•重点：蛋白质和核酸的结构与功能，它们在细胞中的作用。
•难点：蛋白质的结构多样性和功能的复杂性，核酸的遗传信息存储和表达过程。
教学准备•细胞结构模型、蛋白质和核酸的结构模型。
•多媒体课件，包含蛋白质和核酸的结构示意图、动画演示等。
•实验材料：o蛋白质电泳实验材料（如蛋白质样品、电泳缓冲液、凝胶电泳设备等）。
o DNA提取实验材料（如植物叶片、洗涤液、乙醇、离心管等）。
o安全防护用品（如实验服、手套、护目镜等）。
教学过程一、导入新课•通过展示细胞结构模型，引导学生回顾细胞的基本组成，并引出本节课的主题——蛋白质和核酸。
二、新课讲解1.蛋白质的结构与功能o介绍氨基酸的基本结构和性质，解释肽键的形成和蛋白质的多肽链结构。
o介绍蛋白质的一级、二级、三级和四级结构，并通过模型展示不同结构层次的特点。
o阐述蛋白质在细胞中的多种功能，如酶、结构蛋白、运输蛋白等。
2.核酸的结构与功能o介绍核苷酸的组成和连接方式，解释DNA和RNA的结构差异。
o通过图示和动画演示，介绍DNA的双螺旋结构和RNA的链状结构。
o阐述核酸在遗传信息存储、复制和表达过程中的作用，包括DNA的复制、转录和翻译等。
三、实验操作1.蛋白质电泳实验o学生分组进行蛋白质电泳实验，观察不同蛋白质在电场作用下的迁移速度和位置。
o通过实验结果分析，理解蛋白质大小和电荷对迁移的影响，进而理解蛋白质的电泳分离原理。
2.DNA提取实验o学生使用植物叶片等材料进行DNA提取实验，通过洗涤、离心等步骤分离并提取DNA。
生物信息学实验指导书_新版本
生物信息学实验指导书重庆邮电大学生物信息学实验指导书生物信息教学部谭军编重庆邮电大学生物信息学院前言生物信息学是上世纪90年代初人类基因组计划(HGP)依赖，随着基因组学、蛋白组学等新兴学科的建立，逐渐发展起来的生物学、数学和计算机信息科学的一门交叉应用学科。
目前生物信息学的研究领域主要包括基于生物序列数据的整理和注释、生物信息挖掘工具开发及利用这些工具揭示生物学基础理论知识等领域。
生物信息学作为新型交叉应用学科，可以依托本校已有的计算机科学、信息学、生物学和数学等学科优势，充分展现投入少、见效快、起点高的特色，推动学校学科建设和本科教学水平。
本实验指导书中的8个实验均设计为综合性开发实验，面向生物信息学院全体本科学生和研究生，以及全校对生物信息学感兴趣的其他专业学生开放。
生物信息学实验室将提供系统的保障，包括采用mail服务器和linux帐号管理等进行实验过程管理和支持。
限选《生物信息学及实验》的生物技术专业本科生至少选择其中5个实验，并不少于8个学时，即为课程要求的0.5个学分。
其他选修者按照课时和学校相关规定计算创新学分。
实验一熟悉生物信息学网站及其数据的生物学意义实验目的：培养学生利用互联网资源获取生物信息学研究前沿和相关数据的能力，熟悉生物信息学相关的一些重要国内外网站，及其核酸序列、蛋白质序列及代谢途径等功能相关数据库，学会下载生物相关的信息数据，了解不同的数据文件格式和其中重要的生物学意义。
实验原理：利用互联网资源检索相关的国内外生物信息学相关网站，如：NCBI、SANGER、TIGR、KEGG、SWISSPORT、Ensemble、中科院北京基因组研究所、北大生物信息学中心等，下载其中相关的数据，如fasta、genbank格式的核算和蛋白质序列、pathway等数据，理解其重要的生物学意义。
实验内容：1.浏览和搜索至少10个国外和至少5个国内生物信息学相关网站，并描述网站特征；2.下载各网站的代表性数据各10条（组）以上，并说明其生物学意义；3.讨论各网站适合做何种生物信息学研究的平台，并设计一个研究设想。
实验2序列比对
实验2序列⽐对实验⼆：两条序列⽐对与多序列⽐对实验⽬的：学会使⽤MegAlign，ClustalX和MUSCLE进⾏两条序列和多条序列⽐对分析。
实验内容：双序列⽐对是使两条序列产⽣最⾼相似性得分的序列排列⽅式和空格插⼊⽅式。
两条序列⽐对是⽣物信息学最基础的研究⼿段。
多序列⽐对是将多条序列同时⽐对，使尽可能多的相同（或相似）字符出现在同⼀列中。
多序列⽐对的⽬标是发现多条序列的共性。
如果说序列两两⽐对主要⽤于建⽴两条序列的同源关系，从⽽推测它们的结构和功能，那么，同时⽐对多条序列对于研究分⼦结构、功能及进化关系更为有⽤。
多序列⽐对对于系统发育分析、蛋⽩质家族成员鉴定、蛋⽩质结构预测、保守模块的搜寻等具有⾮常重要的作⽤。
我们这节课主要学习多条序列⽐对的软件-ClustalX, MUSCLE。
⼀、MegAlign⽤dotplot⽅法能够直观地认识两条序列⽐对，但是dotplot仅仅是展⽰了两条序列中所有可能的配对，并不是真正意义上的序列⽐对。
这⾥介绍由DNASTAR公司开发的⼀个⽐较全⾯的⽣物信息学软件包--Lasergene，它包含了7个模块，其中MegAlign可进⾏两条或多条序列⽐对分析。
1. 两条序列⽐对1.1 安装程序解压DNASTAR Lasergene软件压缩包，双击Lasergene710WinInstall.exe⽂件，按照默认路径安装软件到⾃⼰电脑上。
1.2 载⼊序列a.点击开始－程序－Lasergene－MegAlign，打开软件。
我们⾸先⽤演⽰序列（demo sequence）学习软件的使⽤。
演⽰序列所在位置：C:\Program files\ DNASTAR\ Lasergene\ Demo Megalign\ Histone Sequences\。
b. 点击主菜单File—Enter sequence－选择序列所在⽂件夹，选择序列tethis21.seq和tethis22.seq，点击Add，这两条序列将出现在右侧selected sequences框中（Figure 2.3），选择完毕点击Done回到程序页⾯。
实验二-核酸及蛋白质序列的比对教学教材
实验二-核酸及蛋白质序列的比对实验二核酸及蛋白质序列的比对姓名：班级：序号：指导老师：一、实验内容利用检索出的蛋白质和核酸序列进行序列比对并进行分子进化树分析。
二、实验步骤键入上次实验获得的phyA的核酸序列编号（NM_100828），获得核酸及蛋白质序列。
利用blastx程序寻找与phyA蛋白质序列相似性的序列→选择下列序列：sorghum propinquum（高粱）；zea mays（玉米）；水稻；大豆；arabidopsis thaliana（拟南芥）；cyrtosia septentrionalis（血红肉果兰）→点击get select sequence按钮显示序列为纯文本格式文件→分别命名为各自的文件名保存在本地电脑上备用。
在数字基因网/找到dnaman及clustalx软件安装并进行多序列比对及分子进化树分析。
利用ebi上提供多序列比对工具再作一次比对/clustalw/。
选作核酸序列的比对5、打开ncbi主页点击BLAST→学习网页左侧的BLAST FAQS及program guide三、作业1、绘制分子进化树，并标明各个物种phyA蛋白之间的序列相似性。
2、根据你所学生物分类的知识，试解释该分子进化树的合理性①拟南芥：植物界种子植物门被子植物门双子叶植物纲十字花目十字花科鼠耳芥属（拟南芥属）②大豆：植物界种子植物门被子植物亚门双子叶植物纲豆目蝶形花科大豆属③血红肉果兰：植物界种子植物门被子植物亚门百合纲百合目兰科树兰亚科肉果兰属④水稻：植物界种子植物门被子植物亚门单子叶植物纲禾本目禾本科稻属⑤玉米：植物界种子植物门被子植物亚门单子叶植物纲禾本目禾本科玉米属⑥高粱：植物界种子植物门被子植物亚门单子叶植物纲禾本目禾本科高粱属经过对比可得下列同源性关系高粱玉米水稻拟南芥大豆血红肉果兰与前面的同源树对比基本相似，说明软件分析结果与实际相符3、找出一条可能的保守序列（多条蛋白共同的氨基酸序列）。
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实验二-核酸及蛋白质序列的比对
实验二核酸及蛋白质序列的比对
姓名：班级：序号：指导老师：
一、实验内容
利用检索出的蛋白质和核酸序列进行序列比对并进行分子进化树分析。
二、实验步骤
键入上次实验获得的phyA的核酸序列编号（NM_100828），获得核酸及蛋白质序列。
利用blastx程序寻找与phyA蛋白质序列相似性的序列→选择下列序列：sorghum propinquum（高粱）；zea mays（玉米）；水稻；大豆；arabidopsis thaliana（拟南芥）；cyrtosia septentrionalis（血红肉果兰）→点击get select sequence按钮显示序列为纯文本格式文件→分别命名为各自的文件名保存在本地电脑上备用。
在数字基因网/找到dnaman及clustalx软件安装并进行多序列比对及分子进化树分析。
利用ebi上提供多序列比对工具再作一次比对/clustalw/。
选作核酸序列的比对
5、打开ncbi主页点击BLAST→学习网页左侧的BLAST FAQS及program guide
三、作业
1、绘制分子进化树，并标明各个物种phyA蛋白之间的序列相似性。
2、根据你所学生物分类的知识，试解释该分子进化树的合理性
①拟南芥：植物界种子植物门被子植物门双子叶植物纲十字花目十字花科鼠耳芥属（拟南芥属）
②大豆：植物界种子植物门被子植物亚门双子叶植物纲豆目蝶形花科大豆属
③血红肉果兰：植物界种子植物门被子植物亚门百合纲百合目兰科树兰亚科肉果兰属
④水稻：植物界种子植物门被子植物亚门单子叶植物纲禾本目禾本科稻属
⑤玉米：植物界种子植物门被子植物亚门单子叶植物纲禾本目禾本科玉米属
⑥高粱：植物界种子植物门被子植物亚门单子叶植物纲禾本目禾本科高粱属
经过对比可得下列同源性关系
高粱
玉米
水稻
拟南芥
大豆
血红肉果兰
与前面的同源树对比基本相似，说明软件分析结果与实际相符
3、找出一条可能的保守序列（多条蛋白共同的氨基酸序列）。
最长的保守序列： kliqpfgcllaldek。