基因预测的基本分析内容
五基因结构预测与基因表达分析讲课文档
（一） 基因预测的基本分析内容
排除重复序列 确定开放阅读框（open reading frame, ORF）——内含子/外显子剪切
位点识别；选择性剪切分析
确定基因的调控区——核心启动子/转录因子结合位点/转录启始位点的识别；转 录终止信号的预测； CpG 岛的识别等
ATG Promoter 5’-UTR Exon 1
第五页，共95页。
分析举例：水稻Xa21基因区段DNA序列（U37133）
❖ CDS：1-2677 bp处和3521-3921 bp处
❖ Blastx分析结果（检索蛋白质数据库）：与水稻
蛋白质序列比较
✓ 有些蛋白质序列是推测获得的
❖ Blastn分析结果（检索est other数据库）：与 水稻cDNA序列比较
rams&subgroup=xmap http://gamay.univ-perp.fr/analyse_seq/sim4 / /~kent/src/unzipped/blat/
ftp:///BLAST/Executables
分析结果（文字和图像）
第二十二页，共95页。
第二十三页，共95页。
第二十四页，共95页。
分析举例（3）
Repeat-GrailEXP（/grailexp） ❖ 分析重复序列
在GrailEXP主页选择参照物种和“Repetive Elements”分析功能、粘贴AY364476的DNA序列
❖ 每一大类包括多个分析软件
在Softberry主页选择“Gene Finding in Eukaryota”
类中的“FGENESH”
在FGENESH网页粘贴AY364476的DNA序列、选择
基因序列分析
资料范本本资料为word版本，可以直接编辑和打印，感谢您的下载基因序列分析地点：__________________时间：__________________说明：本资料适用于约定双方经过谈判，协商而共同承认，共同遵守的责任与义务，仅供参考，文档可直接下载或修改，不需要的部分可直接删除，使用时请详细阅读内容基因序列分析核酸和蛋白质序列分析在获得一个基因序列后，需要对其进行生物信息学分析，从中尽量发掘信息，从而指导进一步的实验研究。
通过染色体定位分析、内含子／外显子分析、ORF分析、表达谱分析等，能够阐明基因的基本信息。
通过启动子预测、CpG岛分析和转录因子分析等，识别调控区的顺式作用元件，可以为基因的调控研究提供基础。
通过蛋白质基本性质分析，疏水性分析，跨膜区预测，信号肽预测，亚细胞定位预测，抗原性位点预测，可以对基因编码蛋白的性质作出初步判断和预测。
尤其通过疏水性分析和跨膜区预测可以预测基因是否为膜蛋白，这对确定实验研究方向有重要的参考意义。
此外，通过相似性搜索、功能位点分析、结构分析、查询基因表达谱聚簇数据库、基因敲除数据库、基因组上下游邻居等，尽量挖掘网络数据库中的信息，可以对基因功能作出推论。
上述技术路线可为其它类似分子的生物信息学分析提供借鉴。
本路线图及推荐网址已建立超级链接，放在北京大学人类疾病基因研究中心网站（ HYPERLINK "/science/bioinfomatics.htm" \t "_blank"/science/bioinfomatics.htm ）,可以直接点击进入检索网站。
下面介绍其中一些基本分析。
值得注意的是，在对序列进行分析时，首先应当明确序列的性质,是mRNA序列还是基因组序列？是计算机拼接得到还是经过PCR扩增测序得到？是原核生物还是真核生物？这些决定了分析方法的选择和分析结果的解释。
（一）核酸序列分析1、双序列比对（pairwise alignment）双序列比对是指比较两条序列的相似性和寻找相似碱基及氨基酸的对应位置，它是用计算机进行序列分析的强大工具，分为全局比对和局部比对两类，各以Needleman-Wunsch算法和Smith-Waterman算法为代表。
基因组分析和基因功能注释方法
基因组分析和基因功能注释方法基因组分析和基因功能注释方法在现代生物学研究中起着至关重要的作用。
随着基因组学技术的不断进步和发展，科学家对基因组的理解越来越深入。
在这篇文章中，我将介绍基因组分析和基因功能注释方法的基本概念、技术以及应用。
基因组分析方法基因组分析是指通过对生物体基因组的研究来了解其遗传信息、结构、功能和进化。
基因组分析技术主要包括：基因组测序：通过对生物体基因组DNA的测序，可以获得其完整DNA序列。
比较基因组学：通过比较不同物种基因组之间的异同，来了解不同物种之间的亲缘关系、进化历史和基因功能的演化。
转录组分析：通过对细胞中的mRNA进行测序，来了解基因的转录过程和表达情况。
Epigenomics：研究基因表达和重编程机制，是基因组学和表观遗传学相结合的产物。
基因功能注释方法基因功能注释是指通过对基因组序列的分析和解释来了解基因的功能和作用。
基因功能注释技术主要包括：基因结构预测：通过对基因组序列进行分析，预测基因的结构、编码序列、启动子、5'和3'端以及剪接变异等基本特征。
功能注释：通过对基因组序列进行进一步分析和比较，注释基因的功能和作用，包括基因的信号序列、跨膜结构、功能域、亚细胞定位以及代谢通路等等。
基因调控网络建立：通过对基因组序列的分析和挖掘，建立基因调控网络，了解基因之间的关系与相互作用。
应用和前景基因组分析和基因功能注释方法广泛应用于医学、农业、生物技术等领域。
在医学方面，基因组分析可以用于诊断和治疗一些遗传性疾病，包括癌症、遗传性心血管病等。
在农业方面，基因组分析可以提高农作物的产量和抗病性。
在生物技术方面，基因组分析可以加速新药的开发和生物工程技术的发展。
未来，随着科学技术的不断进步和发展，基因组分析和基因功能注释方法将发挥越来越重要的作用。
预测新的基因、注释新功能域、研究新的代谢通路将成为重要的工作方向。
同时，随着大数据和人工智能技术的发展，基因组数据的处理、分析和预测将变得更加精确和快速。
DNA的序列分析与基因识别
DNA的序列分析与基因识别DNA，即脱氧核糖核酸，是构成生物遗传信息的基本分子。
通过对DNA序列的分析，我们可以了解生物的遗传特征、进化关系以及疾病的发生机制等。
而基因识别则是通过分析DNA序列中的基因编码区域，确定其中的基因。
DNA序列分析是一项复杂而重要的工作。
在过去，科学家们只能通过实验室的手工方法逐个测序，耗时且费力。
然而，随着高通量测序技术的出现，我们现在可以在短时间内获得大量的DNA序列数据。
这为DNA序列分析提供了更广阔的可能性。
DNA序列分析的第一步是序列比对。
通过将待测序列与已知的DNA序列进行比对，我们可以确定它们之间的相似性和差异性。
这可以帮助我们了解基因的进化关系以及物种间的亲缘关系。
此外，序列比对还可以帮助我们寻找特定的基因区域，如启动子、转录因子结合位点等。
在序列比对的基础上，我们可以进行进一步的分析，如基因预测和注释。
基因预测是指通过分析DNA序列中的编码区域，确定其中的基因。
这是一个复杂的过程，需要考虑到编码区域的特征，如起始密码子、终止密码子等。
同时，我们还需要考虑到非编码区域的干扰，如转座子和重复序列等。
基因注释是指对已经预测出的基因进行功能和结构的注释。
这需要将基因序列与已知的基因数据库进行比对，并通过功能预测算法进行分析。
通过基因注释，我们可以了解基因的功能、参与的代谢途径以及与疾病的关联等。
这对于研究生物的生理过程和疾病的发生机制具有重要意义。
除了基因识别，DNA序列分析还可以用于研究基因组结构和变异。
通过比较不同个体的DNA序列，我们可以了解基因组中的变异情况，并研究其与个体特征、疾病易感性等之间的关系。
这对于个性化医学和疾病预防具有重要意义。
DNA序列分析在医学领域有着广泛的应用。
通过分析患者的DNA序列，我们可以确定其患有的遗传疾病、药物代谢能力以及潜在的疾病风险。
这为个体化治疗和疾病预防提供了依据。
此外，DNA序列分析还可以用于研究疾病的发生机制和进化关系，为新药的研发和治疗策略的制定提供指导。
生物信息学的基本原理与应用
生物信息学的基本原理与应用生物信息学是指生命科学领域中的信息技术，利用计算机科学、统计学、数学等技术手段对生物学数据进行收集、分析、处理和解释的研究领域。
生物信息学的研究对象包括基因、蛋白质、代谢物、RNA、细胞、组织等各个层次，其应用范围也十分广泛，例如基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学等。
下面将介绍一些生物信息学的基本原理和应用。
一、基本原理1. DNA序列比对DNA序列比对是一项基础工作，它指的是将两个或多个DNA序列进行比较，找出它们之间的相同和不同之处。
在生物信息学中，它常被用于研究物种的进化关系、基因功能等问题。
DNA序列比对可以采用全局比对、局部比对、多序列比对等不同方法。
2. 同源性分析同源性分析是指通过比较生物序列的相似性来推断它们之间的关系。
一般来说，相同生物之间的DNA、RNA、蛋白质等序列相比较，会显示出高度的同源性。
同源性分析能够进一步为基因本体学、反式遗传学等生物信息学领域提供支持。
3. 基因预测基因预测是指通过分析DNA序列，推断其中存在的基因的位置、序列和功能等信息。
基因预测对于基因组学、转录组学等生物信息学领域的研究尤为重要。
目前，生物信息学学者通常采用基于组合算法、神经网络算法、模型比对算法等方法来进行基因预测。
4. 蛋白质结构预测蛋白质的结构是其功能实现的关键，因此蛋白质结构预测也是生物信息学研究的一个重要部分。
通过蛋白质序列中的氨基酸组成、序列长度、氨基端、羧基端等信息，可以预测蛋白质的三维结构。
目前，生物信息学学者常用的蛋白质结构预测方法包括homology modeling、 threading、ab initio、de novo等。
二、应用1. 基因组学基因组学是研究一种或者一组生物体的全部基因组结构、序列、注释和功能等的领域。
生物信息学在基因组学研究中发挥了重要的作用。
在基因组学研究中，生物信息学技术可以用来进行基因注释、基因变异鉴定、SNP分析、基因共表达分析等研究。
多基因风险评分模型
多基因风险评分模型1. 介绍多基因风险评分模型是一种用于预测个体患上某种疾病的风险的方法。
它基于个体的基因组信息，通过分析多个与疾病相关的基因位点，计算出一个综合的风险评分。
这个评分可以帮助医生和患者更好地了解个体患病的可能性，并制定相应的预防和治疗策略。
2. 基本原理多基因风险评分模型的基本原理是将多个与目标疾病相关的单核苷酸多态性（SNP）位点进行组合，计算出一个综合的风险评分。
这些SNP位点通常被认为与目标疾病有一定关联性，可以作为预测患病风险的指标。
在构建多基因风险评分模型时，首先需要确定与目标疾病相关的SNP位点。
这可以通过大规模人群基因组数据和关联性分析来实现。
然后，根据每个SNP位点上不同等位基因（allele）对目标疾病的影响大小，为每个位点赋予相应的权重。
最后，将每个位点的权重与个体的基因型（genotype）进行组合，计算出一个综合的风险评分。
3. 数据来源构建多基因风险评分模型所需的数据主要包括两部分：目标疾病患者组和对照组。
目标疾病患者组是指已经被诊断为目标疾病的个体，而对照组是指没有目标疾病的个体。
这些数据可以通过不同渠道获取，如医院、科研机构或公共数据库。
在获取数据时需要注意保护个体隐私，并遵守相关法律法规和伦理要求。
4. 模型构建构建多基因风险评分模型通常包括以下几个步骤：4.1 数据预处理在进行模型构建之前，需要对原始数据进行预处理。
这包括去除缺失值、异常值和离群点等。
同时还需要将基因型数据转换为适合模型处理的形式，如将SNP位点的基因型编码成0、1、2三种取值。
4.2 特征选择特征选择是指从所有可能用于构建模型的特征中选择出最相关的特征。
在多基因风险评分模型中，特征即为SNP位点。
常用的特征选择方法包括方差分析（ANOVA）、卡方检验、互信息和逐步回归等。
通过这些方法可以确定与目标疾病相关性最高的SNP位点。
4.3 模型训练模型训练是指利用已知的目标疾病患者组和对照组数据，通过机器学习算法构建预测模型。
基因结构预测
BLAST比对到的三条mRNA序列
41
Spidey序列提交页面
输入基因组序列或序 列数据库号
输入相似性序列
判断用于分析的序列间的差异， 并调整比对参数 比对阈值
不受默认内含子长度限 制， 默认长度：内部内含子 为35kb, 末端内含子为 100kb
选择物种 输出格式选择
42
Spidey输出结果
第一条蓝色序列为 基因组序列，橘黄 色为外显子
10
ORF识别： GenomeScan
/genomescan.html
提交待分析序列
提交同源蛋白质序列
11
运行GenomeScan
GenomeScan输出结果：文本
预测外显子位置、可 信度等信息
同源比 对信息
预测结果的氨基酸序列
12
GenomeScan输出结果：图形
翻译
编码区预测
基因结构分析
蛋白质序列
蛋白质理化性质 二级结构预测 结构域分析 重要信号位点分析 三级结构预测
Codon bias 选择性剪切 GC Content 转录调控因子 限制性酶切位点
序列比对 功能注释 KEGG GO 系统发育树
3
真核生物基因的主要结构
4
基因结构分析常用软件
开放读码框 GENSCAN GENOMESCAN CpGPlot POLYAH PromoterScan DBTSS database NETGENE2 mRNA剪切位点 选择性剪切 Spidey ASTD
ORNL
ORF识别：GENSCAN
选择物种类型
/GENSCAN.html
是否显示非最优外显子 序列名称（可选） 显示氨基酸或CDS序列 提交序列文件
基因检测报告
基因检测报告基因检测是一种通过分析个体DNA中的基因序列来获取有关个体遗传信息的技术。
基因检测报告则是根据检测结果生成的一份详细报告，其中包含了个体的遗传特征、潜在风险以及其他相关信息。
本文将对基因检测报告的内容进行详细介绍和解读。
一、基因检测报告的基本信息基因检测报告通常包含以下基本信息：个体姓名、性别、年龄、样本采集日期、检测日期等。
这些信息有助于确保报告的准确性和可靠性，并为后续的解读提供基础。
二、遗传特征分析基因检测报告首先会对个体的遗传特征进行分析。
这包括了个体的基因型、基因频率以及与特定遗传特征相关的基因变异等。
通过这些分析，我们可以了解个体在某些特征上的遗传倾向，比如眼睛颜色、皮肤类型、酒精代谢能力等。
三、健康风险评估基因检测报告还会对个体的健康风险进行评估。
这包括了一系列与疾病相关的基因变异分析。
通过检测个体是否携带某些与疾病相关的基因变异，我们可以预测个体患某些疾病的风险。
例如，通过检测BRCA1和BRCA2基因的变异，可以评估个体患乳腺癌和卵巢癌的风险。
四、药物反应预测基因检测报告还可以预测个体对某些药物的反应。
通过分析个体携带的与药物代谢相关的基因变异，我们可以预测个体对某些药物的代谢能力。
这有助于医生在开具处方药时选择适合个体的药物类型和剂量，提高治疗效果。
五、遗传疾病携带者筛查基因检测报告还可以进行遗传疾病携带者筛查。
通过检测个体是否携带某些与遗传疾病相关的基因变异，我们可以了解个体是否携带某些遗传疾病的风险。
这对于夫妻双方在计划生育时进行遗传咨询和决策非常重要。
六、个体健康管理建议基因检测报告最后会根据个体的遗传特征和健康风险评估提供个体健康管理建议。
这些建议包括了针对个体的饮食、运动、生活习惯等方面的调整建议，以及针对个体患某些疾病风险的预防和治疗建议。
这有助于个体更好地管理自己的健康，预防疾病的发生。
综上所述，基因检测报告是一份详细的个体遗传信息报告，其中包含了个体的遗传特征、健康风险评估、药物反应预测、遗传疾病携带者筛查以及个体健康管理建议等内容。
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3. 利用比较基因组预测基因 (Comparative Genomics Approaches) 依赖于全基因组测序结果 亲缘关系相近生物的基因序列具有保守性 分析举例
N-SCAN/Twinscan (/nscan/) 选择N-SCAN在线分析（需免费注册） 输入待分析序列，选择masking, clade, species和informant
分析举例：水稻Xa21基因序列（U37133）
CDS：1-2677 bp处和3521-3921 bp处
Blastx分析结果（检索蛋白质数据库）：与水稻 蛋白质序列比较 有些蛋白质序列是推测获得的 Blastn分析结果（检索est other数据库）：与水稻 cDNA序列比较 取决于数据库中EST数据的数量和长度 通过“Distance tree of results ”查看与U37133 序列同源的其它EST序列
分析举例（2） GenScan GenScan（/GENSCAN.html）用三个 物种模式作为参照 Vertebrate
Arabidopsis
Maize 在GenScan主页输入D63710序列、选择物种（ Vertebrate）作为参照 分析结果（文字和图像）
LexA repressor的结合位点（启动子区段）
CTGNNNNNNNNNNCAG
核糖体结合位点（转录起始位点后）GGAGG
真核生物 基因结构复杂
已知外显子、内含子－外显子边界、启动子序列特 征
根据模式序列预测基因
目前还没有一个基因预测工具可以完全正确地预测一个 基因组中的所有基因（Mathe et al. 2002) 不同的基因预测软件分析结果有差异 综合多个基因预测软件的分析结果 人类基因数目
Combine extrinsic and ab initio Approaches
http://bioinf.uni-greifswald.de/augustus/
/software/maker.html
combine extrinsic and ab initio approaches by mapping protein and EST data to the genome to validate ab initio predictions.
Gene-finding software and resources Software Tutorials Books…
A beginner’s guide to eukaryotic genome annotation
FGENESH预测结果
FGENESH预测结果
GENSCAN预测结果
GeneMark预测结果
分析结果
分析启动子位点
Promoter 2.0 Prediction Server http://www.cbs.dtu.dk/services/Promoter/
Promoter2.0 predicts transcription start sites of vertebrate PolII promoters in DNA sequences.
分析结果
基因预测存在主要问题
假阳性（False Positive）：多预测了假的编码区，即在 非编码区预测出基因
假阴性（False Negative）：漏掉了真实的编码区，即将 基因预测为非编码区 过界预测（Over Prediction）：由于基因边界很难准确 定位，预测经常会超过实际边界 片段化（Fragmentation）：内含子太大的基因，在预测 时容易断裂成两个或多个基因 融合化（Fusion）：距离过近的两个或多个基因，在预 测时容易被融合成一个很大的基因
基因组DNA序列
A. 在6个阅读框中进行翻译并与蛋白质数据库中的序列进 行比较分析（如Blastx） B. 对EST数据库中同一生物的cDNA序列进行比较分析（ 如Blastn） 确定基因数目和对应的ORF
Similarity-based Gene Prediction: for sequences that encode a known protein or a protein with a known homolog
分析举例（3） GeneMark
GeneMark（/）
用于真核、原核和病毒等基因的预测
多种物种参照
在GeneMark的分析主页选择“GeneMark-E” 在“GeneMark-E”网页输入D63710序列、选择物种 “H. sapiens”，选择输出格式 分析结果
分析结果
分析举例
植物 PLACE (A Database of Plant Cis-acting Regulatory DNA Element) http://www.dna.affrc.go.jp/PLACE/index.html 在PLACE主页点击“Signal Scan Search”
在“PLACE Web Signal Scan”网页粘贴序列（FASTA） 三种结果呈现方式：grouped by signal mapped to sequence scan by sequence order 点击相关链接查看什么类型的转录因子结合在相关cis-element上
在“Promoter 2.0”网页粘贴D63710序列 分析结果
分析转录因子结合位点
Cis-acting element（顺 式元件）和trans-acting element（反式元件）的 互作
分析举例 PROSCAN /molbio/proscan/ 在Proscan网页粘贴序列（FASTA格式） 分析结果
2. 根据模式序列预测基因(Ab Initio Approaches) 各种基因预测软件 取决于人们对已知基因结构特征的认识
采用统计学方法 基于一个或多个已知序列模式对未知序列进 行分类 启动子结构 外显子、内含子 密码子偏爱性
对发现的模式进行统计检验
原核生物（E.coli） 与RNA聚合酶互作位点（-10、-35区）
转录起点预测
（三）基因精细结构分析 BCM /
包括多种基因预测软件 NNPP分析启动子位点 在BCM的分析主页选择“Gene Feature Searches”
在“Gene Feature Searches”网页粘贴D63710序列、选择 “NNPP/Eukaryotic-eukaryotic promoter prediction”
100000
50000
25000
根据模式序列预测基因 一种分析工具可选择分析基因的不同结构 exon, poly-A, promoter
重复序列
某些分析工具可选择物种模式（matrix）作为参 照比较对象 某些分析工具可用不同的方式呈现分析结果（文 字或图形）
分析举例（1） Gene Finding
生物信息学
第六章
基因预测和基因结构分析 （II）
基因预测和基因结构分析
生物信息学中的重要内容之一
预测编码蛋白质的基因 （一） 基因预测的基本分析内容 排除重复序列 确定开放阅读框（open reading frame, ORF） 确定基因的调控区－启动子
（二） 基因预测的基本方法 1. 序列相似性搜索(Extrinsic Approaches)
Softberry (/berry.phtml)的Gene Finding工具，分三大类 Gene Finding in Eukaryota Operon and Gene Finding in Bacteria Gene Finding in Viruses Softberry 每一大类包括多个分析软件 在 主页选择“Gene Finding in Eukaryota”类中的 “FGENESH” 在FGENESH网页输入D63710序列（fasta格式）、选择物种（ human）作为参照 分析结果（文字和图像）