4核酸序列分析1(方中明)
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第3章 核酸序列分析
DNA序列分析基本内容 序列分析基本内容
43
序列一般性分析 基因识别与鉴定 非编码区分析及调控元件识别
一、序列统计
44
1 基本指标统计
序列统计包括核酸序列基本指标的计算：分子质量、GC百 序列统计包括核酸序列基本指标的计算：分子质量、GC百 分含量、融合温度（Tm值 又称退火温度）、 ）、摩尔消光系 分含量、融合温度（Tm值，又称退火温度）、摩尔消光系 数等。可通过一些常用软件如JaMBW JaMBW软件包中的一个小工 数等。可通过一些常用软件如JaMBW软件包中的一个小工 Calculator、BioEdit、DNAMAN等进行综合计算 等进行综合计算。 具Oligo Calculator、BioEdit、DNAMAN等进行综合计算。 Oligo Calculator , /JaMBW/
Emulsion PCR Colony/Cluster
Sequence Read and Assembly
Image Acquisition and Processing
Fluorescence Chemiluminescence
Sequential Sequence Extension Reaction
三、基因测序的应用
36
以应用为主导的基因组学将阔步走向未来
• 走向人类的健康与生活 • 走向人类赖以生存的物质基
础 • 走向人类赖以生存的环境 • 走上人类社会和经济发展的 大舞台
37
1 基因组学研究成果将走近人类的健康与生活
• 疾病相关基因的发现、功能的鉴定和分子机制 疾病相关基因的发现、
的探讨
一、第一代测序技术
7
大规模基因组测序的几个支撑技术
Sanger双脱氧末端终止法（1977） Sanger双脱氧末端终止法（1977） 双脱氧末端终止法 PCR 技术（1985） 技术（1985） DNA 自动测序仪的发展（ABI,1995） 自动测序仪的发展（ABI,1995） 生物信息学分析软硬件设施
第四章 核酸序列分析-1.
31
1）对于已知蛋白，可进行数据库搜索判断序列的可靠性。 2）对于未知新基因，则需要参考序列的其他特定信息。
32
33
许多程序对DNA序列一次进行全部6个阅读框的翻译。
程序之一：EBI著名软件包EMBOSS中的Transeq
/emboss/transeq/
特点： 1）输入序列可以是原始序列，也可以是GCG，Fasta， EMBL，GenBank，PIR等格式。 2）可一次翻译成1条，同向3条，双向6条蛋白质序列。 3）翻译时可选择标准密码子或其他类型的密码子
4 具有复杂的基因转录调控方式
5 具有丰富的可变剪接 6 有明显的CpG岛、密码子使用具有偏好性
四、DNA序列分析基本内容
9
序列一般性分析 基因识别与鉴定
非编码区分析及调控元件识别
§4.2 DNA序列的一般分析
11
重要分析工具网站
华北制药集团的谈杰创建的一个非常有用的生 物信息学资源网站。 /index.html
34
Transeq主页
翻译结果（6框架）
35
36
程序之二： ExPASy的Translate Tool /tools/dna.html 特点： 1）程序简单，没有太多的可选项，运行速度快。
2）一次翻译双向6条蛋白质序列。
3）输出结果较Transeq清楚，不仅将终止密码子用 Stop英文单词表示，还将起始密码子以MET标记出来
国外主要网站 http://mobyle.pasteur.fr/cgi-bin/portal.py/ /Tools/index.html /
12
各种生 物信息 学软件
法国巴斯德研究所：http://mobyle.pasteur.fr/cgibin/portal.py#forms::revseq
核酸序列分析
第4章核酸序列分析了解：1.DNA携带的两类遗传信息。
2.DNA与RNA序列分析的常见内容及相关数据库和工具。
3.ORF与CDS的区别。
4.原核基因和真核基因启动子的结构。
5.原核和真核的基因结构。
6.lncRNA的研究现状。
熟悉：1.限制性核酸内切酶的命名规则，II型限制酶的特点。
2.重复序列依重复次数和组织形式的分类。
3.基因识别的三大类方法。
4.miRNA及其靶基因预测的方法和工具。
掌握：1.CpG岛的概念及其识别依据和判别标准。
2.mRNA选择性剪接的产生机制。
3.解决问题的思路。
4.查找数据库和分析工具的方法。
5.学习数据库与分析工具使用方法的策略。
4.1引言“龙生龙，凤生凤，老鼠的儿子会打洞！”1“种瓜得瓜，种豆得豆。
”“爹矬矬一个，娘矬矬一窝。
”“一母生九子，连母十个样。
”“龙生九子各不同。
”“天下乌鸦一般黑。
”这些都是大家耳熟能详的谚语。
不管是天上飞的、地上跑的、水里游的，还是能动的、不能动的，它们的后代都和它们非常相像，但却也会有少许的差异。
这些现象大家都已司空见惯，所以可能没有啥感觉。
但仔细想想，你就会发现大自然的奇妙所在。
当然，对于生物专业的人来说，这个就没什么奇怪的了，因为我们都知道分子生物学的中心法则（The central dogma of molecular biology）：DNA转录成RNA，RNA翻译成蛋白质。
蛋白质执行特定的生物功能从而决定最终的表型，而DNA则携带着最原始的决定个体性状的遗传信息，RNA主要参与遗传信息的表达和调控。
在各种生物中，A、C、G、T/U都是构成DNA和RNA核酸序列的基本组分。
仅仅这么四种碱基怎么可能构建出缤纷多彩的大千世界呢？其秘诀就在于四种核苷酸的排列顺序。
就像搭积木一样，通过不同的排列组合我们可以构建出不同的形状。
类似于二进制中运用一连串的0和1以及英文字母表中运用26个不同的字母来表达信息，基因所包含的信息来自于4中不同核苷酸沿DNA 分子的排列顺序。
转录剪切位点
例如，设有两个序列：
s=GACGGATTAG，t=GATCGGAATAG
Alignment1:
GACGGATTAG GATCGGAATAG
Alignment2:
GA-CGGATTAG GATCGGAATAG
字母表和序列
字母表(字符或符号集合)
–4字符DNA字母表：{A, C, G, T}
–扩展的遗传学字母表或IUPAC编码 –单字母氨基酸编码
一个或一些序列与其它数据序列的比较。 两个序列之间是否存在相同的子串。 个序列与数据库中序列是否存在相似的子串。
序列比较可以分为五种基本情况：
（1）两条长度相近序列相似性分析，找出序列的差别
（2）判断一条序列的前缀与另一条序列的后缀相似
（3）判断一条序列是否是另一条序列的子序列 （4）判断两条序列中是否有非常相似的子序列 （5）对多个序列进行上述4种分析
第二条序列头尾颠倒
可以通过基本操作实现
反向互补序列
RNA发夹式二级结构
第五节 通过点矩阵进行序列比较
“矩阵作图法” 或 “对角线作图”
→ 序列1
→
实例
→ 序 列 2→
→ 序列1
→
自我比较
→ 序 列 1→
滑动窗口技术
两条序列中有很多匹配的字符对，因而在点矩阵中 会形成很多点标记。
滑动窗口技术
符号
含义
说 明
G
A T C R Y M
G
A T C G or A T or C A or C
Guanine
Adenine Thymine Cytosine Purine Pyrimidine Amino
K
S W H B V D
G or T
s=GACGGATTAG，t=GATCGGAATAG
Alignment1:
GACGGATTAG GATCGGAATAG
Alignment2:
GA-CGGATTAG GATCGGAATAG
字母表和序列
字母表(字符或符号集合)
–4字符DNA字母表：{A, C, G, T}
–扩展的遗传学字母表或IUPAC编码 –单字母氨基酸编码
一个或一些序列与其它数据序列的比较。 两个序列之间是否存在相同的子串。 个序列与数据库中序列是否存在相似的子串。
序列比较可以分为五种基本情况：
（1）两条长度相近序列相似性分析，找出序列的差别
（2）判断一条序列的前缀与另一条序列的后缀相似
（3）判断一条序列是否是另一条序列的子序列 （4）判断两条序列中是否有非常相似的子序列 （5）对多个序列进行上述4种分析
第二条序列头尾颠倒
可以通过基本操作实现
反向互补序列
RNA发夹式二级结构
第五节 通过点矩阵进行序列比较
“矩阵作图法” 或 “对角线作图”
→ 序列1
→
实例
→ 序 列 2→
→ 序列1
→
自我比较
→ 序 列 1→
滑动窗口技术
两条序列中有很多匹配的字符对，因而在点矩阵中 会形成很多点标记。
滑动窗口技术
符号
含义
说 明
G
A T C R Y M
G
A T C G or A T or C A or C
Guanine
Adenine Thymine Cytosine Purine Pyrimidine Amino
K
S W H B V D
G or T
核酸序列分析
思考题
1.第一代DNA测序技术的核心技术 A.Sanger的双脱氧链终止法 B.Maxam和Gilbert的化学降解法 C.荧光标记技术 D.PCR技术 E.DNA自动分析技术
2. Sanger双脱氧链终止法使用的链终止物
A. NTP
B. dNTP
C. ddNTP
D. a-32P-dNTP E. a-35S-dNTP
• 反应体系中包含：模板 DNA,
Taq酶, dNTPs, ddNTPs和测 序引物；
• 反应过程：
变性－复性－延伸－终止
双脱氧链终止法基本原理：
➢利用DNA聚合酶不能
够区分dNTP和ddNTP的
特性，使ddNTP参入到
寡核苷酸链的3’-末端。
因为ddNTP 3’不是-OH，
不能与下一个核苷酸聚
合延伸，从而终止DNA 链的增长。
目前，应用最广泛的应用生物系统公司(applied biosystems ，ABI)3730系列自动测序仪即是基于毛细管 电泳和荧光标记技术的DNA测序仪。
如ABI3730XL测序仪拥有96道毛细管，4种双脱氧核 苷酸的碱基分别用不同的荧光标记，在通过毛细管时不同长 度的DNA片段上的4种荧光基团被激光激发，发出不同颜色 的荧光，被CCD检测系统识别，并直接翻译成DNA序列。
2011：5000美元测定一个人类基因组 2014：上万元测定一个人类基因组
未来目标：1000/100 美元测定一个人类基因组
1、第一代DNA测序技术
第一代DNA测序技术： 传统的双脱氧链终止法、化学降解法以及在它们的基
础上发展来的各种DNA测序技术。
第一代DNA测序技术包括：双脱氧链终止法、化学降 解法、荧光自动测序技术。
核酸序列分析
调节按钮
4. 测序中载体序列的识别与去除
许多数据库中收集了常用的测序载体序列，使用Blast程序对 此类数据库进行相似性分析即可得知目的序列中是否含有载 体序列。如果是，在对测序数据进行进一步分析之前必须将 载体序列去除。此过程虽然很简单，在核酸序列数据库中仍 然有一些序列含有载体序列污染。 NCBI的载体识别程序 /VecScreen/VecScreen.html
复杂的基因结构
外显子 外显子 启动区 5’UTR 内含子 内含子 5’ 转录位点 起始密码子 剪切受体位点 终止密码子 外显子 内含子 3’UTR终止区 3’
剪切给体位点
复杂的基因转录调控方式 内含子 GT----AC规则 ＣpG岛
真核生物基因组ＧＣ含量没有原核生 物差异那么明显.但在人基因５‘端 有ＣpＧ岛，大约有４５，０００这 样的岛，有一半和持家基因有关。
得到的结果
显示转换后的不同序列
序列基本信息 具 体 序 列
2. 限制性酶切分析
限制型酶切分析是分子生物学实验中日常工作之一。
限制酶数据库提供了较全面的限制酶相关信息
地址为：/rebase/rebase.html
大多数分子生物学软件都具有限制性酶切分析功能，
• 非翻译区域（untranslated regions, UTR） –编码区域两端的DNA，有一部分被 转录，但是不被翻译，这一部分称为 非翻译区域
• 5’UTR---基因上游区域的非翻译区域 • 3’UTR---基因下游区域的非翻译区域
• 对于任何给定的核酸序列（单链DNA 或mRNA），根据密码子的起始位置， 可以按照三种方式进行解释。 • 例如，序列ATTCGATCGCAA （1） ATTCGATCGCAA （2） ATTC GATCGCAA （3） ATTCGATCGCAA
4章-核酸序列分析报告
检测序列、目标序列
• 检测序列（查询序列）：新测定的，希望 通过数据库搜索确定其性质或功能的序列
• 目标序列: 通过数据库搜索得到的和检测 序列具有一定相似性的序列
序列比对基本类型
• 两两比对：蛋白质序列之间 核酸序列之间
• 多序列比对：多个蛋白质或核酸同时比较
常用的序列比对工具BLAST、Clustal X
• 推测结构功能及进化上的联系，是基因识 别，分子进化，生命起源研究的基础。
• 序列
结构
功能
• 序列比对理论基础：进化学说 如果两个序列之间具有足够的相似性，
就推测二者可能有共同的进化祖先，经过序列 内残基的替换、残基或序列片段的缺失、以及 序列重组等遗传变异过程分别演化而来。
序列比较的基本操作是比对， 两条序列中 各个字符的一种对应关系，或字符对比排列。
任务
寻找VPI 10463 标准株毒素B的编码序列（X53138）。 利用DNASTAR 寻找毒素B基因的开放阅读框 寻找CDB3区（氨基酸 1751- 2366）的编码序列 采用实验室仅有的Pgex-4t-1质粒载体进行表达，请选择合适的限 制性内切酶设计引物
4.2 序列比对
为什么要序列比对
• 序列比对又叫序列联配 , 对排 核酸、氨基酸序Biblioteka 的相似性第四章 核酸序列分析
4.1 常规分析
核酸序列的常规分析包括核酸序列的检索,核酸 序列组分分析,序列变换,限制性酶切分析等等
4.1.1 核酸序列的检索
在相关序列数据库中,选择合适的查询方法检索某 个物种的核酸序列信息.如使用NCBI的Entrez查询系 统和EMBL的SRS查询系统
4.1.2 核酸序列组分分析
比对过程中需要在检测序列或目标序列中 引入空位，表示插入或删除
第六章 核酸序列分析
微卫星DNA（Microsatellite DNA）又称短串联重复或简单重复序列，
微卫星筛选流程筛选
从有关数据库（GenBank, EMBL 等）或文章中查询 构建基因组 筛选SSR位点 使用近缘种的引物
获得引物
PCR扩增
（基于PCR与限制性酶切技术结合的DNA标记） ④AFLP（amplified fragments length polymorphism）标记：扩增
1:3~4)。
少一个-OH
双脱氧核苷三磷酸
互补链合成过程
如果在DNA的合成反应中，除了加入 4种正常的脱氧核
苷三磷酸（dNTP）外，再加入一种少量的2’,3’-ddNTP，那 么多核苷酸链的延伸将与偶然发生但却十分特异的链终止展 开竞争，所以反应产物是一系列的长短不一的核苷酸链。
在 4 组 独 立 的 DNA 合 成 反 应 中 ， 分 别 加 入 4 种 不 同 的
段，测序获得SNP位点信息，适于调查未知SNP位点和连续分
布（1kb以内）的SNP位点信息。 • 直接测序法进行SNP分析
•
PCR-限制性酶切：如果某个SNP位点恰好是限制性酶切位点，
则通过PCR酶切再结合电泳分析不失为一种简单经济的区分方 法，适于单个的SNP位点分析。
PCR-SSCP：
单链构象多态性检测（Single-Strand Conformation Polymorphism，SSCP）是一种基于DNA构象差别来检测
二、DNA序列测定
即核酸DNA分子一级结构的测定，是现代分子生物学一项 重要的技术。 1963年，Sanger和Thompson等人第一次完成胰岛素51个 氨基酸的序列测定。70年代后期，Sanger和Maxam----Gilbert 等人又建立了核酸序列测定的方法，Sanger双脱氧末端终止法 和Maxam----Gilbert化学裂解法将核酸序列测定技术推进到 “直读”阶段，使核酸序列测定变得远比蛋白质氨基酸序列测 定容易，这样人们可以通过核酸序列和遗传密码推导出蛋白质 氨基酸的序列。
核酸序列分析ppt课件
第一节 核酸序列的检索
一、 Entrez检索系统
(/sites/gquery?itool=toolbar)
二、 SRS 检索系统
()
三、DBGET/LinkDB检索
第二节 核酸序列的基本分析
一、 分子质量、碱基组成、碱基分布
/unigene
二、基因的电子定位分析
通过序列标签位点（STS）定位 通过UniGene/RH技术定位 利用基因组序列定位
1. 利用STS数据库进行定位
利用NCBI的电子PCR资源
（/sutils/e-pcr/forward.cgi）
()
四、克隆测序的分析
1. 测序峰图的查看
澳大利亚Conor McCarthy开发的Chromas.exe程序， 且BioEdit软件和DNAMAN软件都可以查看。
2. 核酸测序载体序列的识别与去除
测序克隆被宿主菌核酸序列污染，或目的克隆 来自于宿主菌，可通过Blastn直接对GenBank或 EMBL数据库进行相似性分析进行判断。
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，一般包括：DNA碱基组成、密码子的偏 向、内部重复序列、特殊位点（限制性位点及转 录、翻译和表达调控相关信号）、编码区分析、 一二级结构等。
第一节 核酸序列的检索 第二节 核酸序列的基本分析 第三节 核酸序列的电子延伸 第四节 基因的电子表达、定位分析 第五节 基因识别 第六节 核酸序列的提交
终止密码子（TGA、TAA或TAG）数量较少； ORF达到一定的长度； 密码子使用的偏好性，第3个碱基G/C出现的频率较高； 与已知基因比较有序列相似性； 与模板序列的模式相匹配可能指示功能性位点的位置。
编码区的一些信号：
核酸序列的基本分析
功能域和蛋白质互作预测
总结词
识别蛋白质中的功能域以及预测蛋白质 之间的相互作用。
VS
详细描述
功能域是蛋白质中负责特定生物功能的区 域，通过分析核酸序列，可以识别出蛋白 质中的功能域，进一步了解其生物学功能 。此外，还可以利用生物信息学方法预测 蛋白质之间的相互作用，揭示基因网络中 的相互关系。
系统生物学和网络分析
基因组组装
01
基因组组装是将测序得到的短读段组装成完整的基因组序 列的过程。
02
基因组组装是基因组学研究中的关键步骤，对于理解基因 组结构和功能、发现新基因和基因变异等具有重要意义。
03
基因组组装可以使用各种软件和算法，如SOAPdenovo、 Velvet和Abyss等，根据不同的测序技术和数据类型选择合适
核酸序列的表示方法
符号表示
通常使用大写字母表示碱基，如A代表腺嘌呤，G代表鸟嘌呤，C代表胞嘧啶， T代表胸腺嘧啶。
转录和翻译
DNA中的信息通过转录过程传递给RNA，然后通过翻译过程将RNA的信息转化 为蛋白质。
核酸序列的来源和测序方法
来源ห้องสมุดไป่ตู้
核酸序列可以从各种来源获得，如细菌、病毒、动植物等。
测序方法
总结词
从整体角度研究生物系统的结构和功能，通 过网络分析揭示基因之间的相互关系。
详细描述
系统生物学将基因、蛋白质等生物分子视为 相互关联的网络，而非孤立的实体。通过构 建基因调控网络、蛋白质互作网络等，可以 全面了解基因的功能及其在生物过程中的作 用。网络分析有助于发现关键基因、模块和 通路，为药物研发和疾病治疗提供新的思路。
06
实际应用和案例分析
基因组学研究中的应用
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
MegaBACE测序仪多台，ABI3730测序仪多台，
ABI377测序仪多台，是一个低投入、高产出，高
度自动化的测序平台。
10
我国测序能力的“三级跳”
• 人类基因组计划1%项目的finishing (1999年)
中-丹合作的家猪基因组计划 (2000 年) • • 水稻工作框架图的绘制和公布 (2001年)
4) Joint Genome Institution at DOE 5) Genome Center at Baylor Medical Collage
英国：Sanger Center
日本：RIKEN 中国：华大基因研究中心（北京、深圳、杭州、武汉） 国家人类基因组中心（北京、上海）
一、第一代测序技术
2）可一次翻译成1条，同向3条，双向6条蛋白质序列。
3）翻译时可选择标准密码子或其他类型的密码子
40
41 Transeq主页
翻译结果（6框架）
42
43
程序之二： ExPASy的Translate Tool /tools/dna.html
特点：
1）程序简单，没有太多的可选项，运行速度快。 2）一次翻译双向6条蛋白质序列。
霰弹法克隆 用于霰弹法测 序的候选克隆
用于霰弹法测序 的亚克隆
测序并组装 ………ATGCCGTAGGCCTAGC TAGGCCTAGCTCGGA…… 完整的基因 ………ATGCCGTAGGCCTAGCTCGGA…… 组序列
基因组DNA
全基因组霰弹法 （Whole Genome Shot-gun)
7
/eng/backtranlation.html
使用前必须进行免费注册。
50
五、序列的限制性酶切分析
酶切分析是根据限制性内切酶能识别DNA分子中的特定序列并在某 一碱基处切开序列。而用几种不同的内切酶可切割某特定基因，以便 于下一步实验（如基因的克隆，表达重组体的构建等）。
第四章 核酸序列分析
§4.1.1核酸序列测定
3
世界大型基因组研究中心
美国：1) National Human Genome Research Institution in NIH 2) Genome Center at White Head/MIT
3) Washington University Genome Center
密码子分析数据库： Codon Usage Database
http://www.kazusa.or.jp/codon/
26
查询物种名称
27
Codon Usage Database查询结果
28
/codon/cgi-bin/codon.cgi
SAVVY主页
34
35
保存文件名
编辑效果显示窗口
编辑窗口
36
可以完成对注释信息的添加、修改、删除。
保存文件
37
四、序列翻译
所谓序列翻译，是指用计算机程序把核序列按三联体密码规则翻译成 蛋白质序列。
38
6框架翻译，即从正向1，2，3位碱基开始按三联体密码规则翻译成3条 蛋白质序列以及从反向1，2，3位碱基开始翻译得到3条蛋白质序列， 共6条蛋白质序列。
两种大规模基因组测序策略的比较
策 项 目 全基因组霰弹法 略 逐步克隆法 需要（需构建精确的物 理图谱） 慢 高 低（以BAC为单位进 行拼接） 精细图 人、线虫
遗传背景
速度 费用
不需要
快 低 高（以全基因组为单位 进行拼接） 工作框架图 果蝇、水稻
计算机性能
适用范围 代表测序物种
8
大规模测序平台的构成
特点： 2 非编码区序列占绝大部分（人类，97％） 3 基因结构复杂 4 具有复杂的基因转录调控方式 5 具有丰富的可变剪接 6 有明显的CpG岛、密码子使用具有偏好性
一、序列统计
20
1 基本指标统计
序列统计包括核酸序列基本指标的计算：分子质量、GC百分含量、融合温度 （Tm值，又称退火温度）、摩尔消光系数等。可通过一些常用软件如JaMBW软 件包中的一个小工具Oligo Calculator、BioEdit、DNAMAN等进行综合计算。
3）输出结果较Transeq清楚，不仅将终止密码子用Stop英文单词表示，还 将起始密码子以MET标记出来
Translate Tool主页
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Translate Tool翻译结果
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46
程序之三： NCBI的ORF finder /gorf/gorf.html
不应低于3倍)，。
• 全基因组霰弹法-鸟枪法（Whole Genome Shot-gun)
把基因组直接打碎成3kb左右的小片段，测序并拼接。
6 逐步克隆法（Clone by Clone）
完整的ontig
测序并进行 全基因组序 列组装
二、序列转换 序列转换是分子生物学和生物信息学研究中最常遇到的工作之一，因此，掌 握序列转换的常用方法是分子生物学和生物信息学的基本要求。
29
序列转换主要包括两方面的工作：
1）序列格式转换
2）互补与反向序列格式转换
三、序列注释
对于任何类型的序列而言，只有对其从结构到功能的各方面进行注 释后，才算是完成了揭示其蕴藏的生命信息的解读工作。 自从完整基因组测序成为可能以来，从很长的核酸序列中获取其生
以JaMBW 的Oligo Calculator为例演示
22
23
24
计算结果页面
25
2密码子使用偏好性分析
某一物种或某一基因通常倾向于使用一种或 几种特定的同义密码子 密码子使用偏好性与基因产物的时空的表达 量、表达产物的结构及功能之间有着密切的 关系 密码子使用偏好性分析工具： Codon Usage Database(http://www.kazusa.or.jp/codon/) Codon Usage Analyzer
突破常见病（复杂疾病）基因水平的研究
以基因为基础的疾病诊断、预测和预防
基因治疗与细胞治疗治疗的结合
以基因多态性为基础的“个体化”药物
以基因多态性为基础的“个体健康计划” 传统药物、生物药物和“有机药物”的自然回 归
15
2 走向人类赖以生存的物质基础
• 抗病、抗虫和抗极端环境的农作物 • 高生殖率、高生长率、高营养率的家畜、家禽
问题： 究竞蛋白质序列是不是真正表达的蛋白产物？
方法： 1）对于已知蛋白，可进行数据库搜索判断序列的可靠性。 2）对于未知新基因，则需要参考序列的其他特定信息。
39
许多程序对DNA序列一次进行全部6个阅读框的翻译。
程序之一：EBI著名软件包EMBOSS中的Transeq /emboss/transeq/ 特点： 1）输入序列可以是原始序列，也可以是GCG，Fasta，EMBL，GenBank， PIR等格式。
33
SAVVY，是由日本基因组数据库开发的一个图形化注释工具。该工具的
方便之处在于能够对序列进行注释的同时以图形化的方式显示注释后的 结果，最后还能够以XML格式保存到本地电脑，从而方便我们构建相应的 数据库进行存储。
http://gdb.jst.go.jp/SAVVY/ http://gdb.tokyo.jst.go.jp/HOWDY/suppl/edit.htm
Oligo Calculator ,
/JaMBW/
21 JaMBW是一个分子生物学软件包，功能包括：序列格式转换、求序列的补 体序列与逆序列、将DNA序列翻译成蛋白序列、序列分析、 多序列比较、 特征位点查找、3维分子结构查看、PCR引物设计、缓冲液设计等功能，包 含了分子生物学研究常用的一些操作。JaMBW是一个非常出色的工具软件。
特点：
1）输入序列只能是Fasta格式。 2）输出结果以图形化表示，并将核酸序列与氨基酸序列同时排列出来。
3）可将结果直接用Blast进行序列数据库搜索比对。
ORF Finder主页
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ORF Finder 翻译结果
48
49
程序之四： Backtranslation 是一家商业公司提供的基于Java语言的从蛋白质到DNA序列的反向翻译工具。
•
•
•
标志着我国已掌握了国际先进的测 序技术，具有相当的测序能力。 测序能力和质量已达到国际一流水 平 ,以独立承担大规模的基因组测 序项目 我国已经成为继美国之后世界上第 二个具有独立完成大规模的全基因 组测序和组装分析能力的国家
11
$3,000 millions per human genome (phg) in 1984
12
二、基因测序的应用
13
以应用为主导的基因组学将阔步走向未来
• 走向人类的健康与生活 • 走向人类赖以生存的物质基
础 • 走向人类赖以生存的环境 • 走பைடு நூலகம்人类社会和经济发展的 大舞台
14
1 基因组学研究成果将走近人类的健康与生活
• 疾病相关基因的发现、功能的鉴定和分子机制
的探讨
• • • • • •
30
物学含义已经成为生物学研究的一个关键问题。
序列注释：是指从原始的序列数据中获得有用的信息，即基因的结构、功 能和其他遗传元件。
注释内容可比作为产品说明书
31
序列注释的主要内容： 1）结构注释，即指在基因组DNA中寻找基因和其他功能元件 2）功能注释，给出这些序列的功能
首先必须强调的一点是，原核生物和真核生物基因组中的注释所涉及的 问题是不同的。在原核生物中，基因密度很高（只有很少的基因间DNA ）并且绝大多数基因不含内含子。 在真核生物中，基因密度下降并且由于物种自身复杂度的增高而使基因 复杂度也增高。
32 大量序列的不断产生，对序列的注释也越来越依靠计算机和相关软 件的自动注释。并产生了注释流水线的概念。
ABI377测序仪多台，是一个低投入、高产出，高
度自动化的测序平台。
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我国测序能力的“三级跳”
• 人类基因组计划1%项目的finishing (1999年)
中-丹合作的家猪基因组计划 (2000 年) • • 水稻工作框架图的绘制和公布 (2001年)
4) Joint Genome Institution at DOE 5) Genome Center at Baylor Medical Collage
英国：Sanger Center
日本：RIKEN 中国：华大基因研究中心（北京、深圳、杭州、武汉） 国家人类基因组中心（北京、上海）
一、第一代测序技术
2）可一次翻译成1条，同向3条，双向6条蛋白质序列。
3）翻译时可选择标准密码子或其他类型的密码子
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41 Transeq主页
翻译结果（6框架）
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程序之二： ExPASy的Translate Tool /tools/dna.html
特点：
1）程序简单，没有太多的可选项，运行速度快。 2）一次翻译双向6条蛋白质序列。
霰弹法克隆 用于霰弹法测 序的候选克隆
用于霰弹法测序 的亚克隆
测序并组装 ………ATGCCGTAGGCCTAGC TAGGCCTAGCTCGGA…… 完整的基因 ………ATGCCGTAGGCCTAGCTCGGA…… 组序列
基因组DNA
全基因组霰弹法 （Whole Genome Shot-gun)
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/eng/backtranlation.html
使用前必须进行免费注册。
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五、序列的限制性酶切分析
酶切分析是根据限制性内切酶能识别DNA分子中的特定序列并在某 一碱基处切开序列。而用几种不同的内切酶可切割某特定基因，以便 于下一步实验（如基因的克隆，表达重组体的构建等）。
第四章 核酸序列分析
§4.1.1核酸序列测定
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世界大型基因组研究中心
美国：1) National Human Genome Research Institution in NIH 2) Genome Center at White Head/MIT
3) Washington University Genome Center
密码子分析数据库： Codon Usage Database
http://www.kazusa.or.jp/codon/
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查询物种名称
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Codon Usage Database查询结果
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/codon/cgi-bin/codon.cgi
SAVVY主页
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保存文件名
编辑效果显示窗口
编辑窗口
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可以完成对注释信息的添加、修改、删除。
保存文件
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四、序列翻译
所谓序列翻译，是指用计算机程序把核序列按三联体密码规则翻译成 蛋白质序列。
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6框架翻译，即从正向1，2，3位碱基开始按三联体密码规则翻译成3条 蛋白质序列以及从反向1，2，3位碱基开始翻译得到3条蛋白质序列， 共6条蛋白质序列。
两种大规模基因组测序策略的比较
策 项 目 全基因组霰弹法 略 逐步克隆法 需要（需构建精确的物 理图谱） 慢 高 低（以BAC为单位进 行拼接） 精细图 人、线虫
遗传背景
速度 费用
不需要
快 低 高（以全基因组为单位 进行拼接） 工作框架图 果蝇、水稻
计算机性能
适用范围 代表测序物种
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大规模测序平台的构成
特点： 2 非编码区序列占绝大部分（人类，97％） 3 基因结构复杂 4 具有复杂的基因转录调控方式 5 具有丰富的可变剪接 6 有明显的CpG岛、密码子使用具有偏好性
一、序列统计
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1 基本指标统计
序列统计包括核酸序列基本指标的计算：分子质量、GC百分含量、融合温度 （Tm值，又称退火温度）、摩尔消光系数等。可通过一些常用软件如JaMBW软 件包中的一个小工具Oligo Calculator、BioEdit、DNAMAN等进行综合计算。
3）输出结果较Transeq清楚，不仅将终止密码子用Stop英文单词表示，还 将起始密码子以MET标记出来
Translate Tool主页
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Translate Tool翻译结果
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程序之三： NCBI的ORF finder /gorf/gorf.html
不应低于3倍)，。
• 全基因组霰弹法-鸟枪法（Whole Genome Shot-gun)
把基因组直接打碎成3kb左右的小片段，测序并拼接。
6 逐步克隆法（Clone by Clone）
完整的ontig
测序并进行 全基因组序 列组装
二、序列转换 序列转换是分子生物学和生物信息学研究中最常遇到的工作之一，因此，掌 握序列转换的常用方法是分子生物学和生物信息学的基本要求。
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序列转换主要包括两方面的工作：
1）序列格式转换
2）互补与反向序列格式转换
三、序列注释
对于任何类型的序列而言，只有对其从结构到功能的各方面进行注 释后，才算是完成了揭示其蕴藏的生命信息的解读工作。 自从完整基因组测序成为可能以来，从很长的核酸序列中获取其生
以JaMBW 的Oligo Calculator为例演示
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计算结果页面
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2密码子使用偏好性分析
某一物种或某一基因通常倾向于使用一种或 几种特定的同义密码子 密码子使用偏好性与基因产物的时空的表达 量、表达产物的结构及功能之间有着密切的 关系 密码子使用偏好性分析工具： Codon Usage Database(http://www.kazusa.or.jp/codon/) Codon Usage Analyzer
突破常见病（复杂疾病）基因水平的研究
以基因为基础的疾病诊断、预测和预防
基因治疗与细胞治疗治疗的结合
以基因多态性为基础的“个体化”药物
以基因多态性为基础的“个体健康计划” 传统药物、生物药物和“有机药物”的自然回 归
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2 走向人类赖以生存的物质基础
• 抗病、抗虫和抗极端环境的农作物 • 高生殖率、高生长率、高营养率的家畜、家禽
问题： 究竞蛋白质序列是不是真正表达的蛋白产物？
方法： 1）对于已知蛋白，可进行数据库搜索判断序列的可靠性。 2）对于未知新基因，则需要参考序列的其他特定信息。
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许多程序对DNA序列一次进行全部6个阅读框的翻译。
程序之一：EBI著名软件包EMBOSS中的Transeq /emboss/transeq/ 特点： 1）输入序列可以是原始序列，也可以是GCG，Fasta，EMBL，GenBank， PIR等格式。
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SAVVY，是由日本基因组数据库开发的一个图形化注释工具。该工具的
方便之处在于能够对序列进行注释的同时以图形化的方式显示注释后的 结果，最后还能够以XML格式保存到本地电脑，从而方便我们构建相应的 数据库进行存储。
http://gdb.jst.go.jp/SAVVY/ http://gdb.tokyo.jst.go.jp/HOWDY/suppl/edit.htm
Oligo Calculator ,
/JaMBW/
21 JaMBW是一个分子生物学软件包，功能包括：序列格式转换、求序列的补 体序列与逆序列、将DNA序列翻译成蛋白序列、序列分析、 多序列比较、 特征位点查找、3维分子结构查看、PCR引物设计、缓冲液设计等功能，包 含了分子生物学研究常用的一些操作。JaMBW是一个非常出色的工具软件。
特点：
1）输入序列只能是Fasta格式。 2）输出结果以图形化表示，并将核酸序列与氨基酸序列同时排列出来。
3）可将结果直接用Blast进行序列数据库搜索比对。
ORF Finder主页
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ORF Finder 翻译结果
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程序之四： Backtranslation 是一家商业公司提供的基于Java语言的从蛋白质到DNA序列的反向翻译工具。
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标志着我国已掌握了国际先进的测 序技术，具有相当的测序能力。 测序能力和质量已达到国际一流水 平 ,以独立承担大规模的基因组测 序项目 我国已经成为继美国之后世界上第 二个具有独立完成大规模的全基因 组测序和组装分析能力的国家
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$3,000 millions per human genome (phg) in 1984
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二、基因测序的应用
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以应用为主导的基因组学将阔步走向未来
• 走向人类的健康与生活 • 走向人类赖以生存的物质基
础 • 走向人类赖以生存的环境 • 走பைடு நூலகம்人类社会和经济发展的 大舞台
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1 基因组学研究成果将走近人类的健康与生活
• 疾病相关基因的发现、功能的鉴定和分子机制
的探讨
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物学含义已经成为生物学研究的一个关键问题。
序列注释：是指从原始的序列数据中获得有用的信息，即基因的结构、功 能和其他遗传元件。
注释内容可比作为产品说明书
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序列注释的主要内容： 1）结构注释，即指在基因组DNA中寻找基因和其他功能元件 2）功能注释，给出这些序列的功能
首先必须强调的一点是，原核生物和真核生物基因组中的注释所涉及的 问题是不同的。在原核生物中，基因密度很高（只有很少的基因间DNA ）并且绝大多数基因不含内含子。 在真核生物中，基因密度下降并且由于物种自身复杂度的增高而使基因 复杂度也增高。
32 大量序列的不断产生，对序列的注释也越来越依靠计算机和相关软 件的自动注释。并产生了注释流水线的概念。