生物信息學(xué) 教學(xué)大綱

第頁(yè)生物信息學(xué)一、課程說(shuō)明課程編號(hào)：010611Z1課程名稱（中/英文）：生物信息學(xué)/bioinformatics課程類別：必修學(xué)時(shí)/學(xué)分：48/3實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)16先修課程：分子生物學(xué)、生物化學(xué)。適用專業(yè)：生物醫(yī)學(xué)工程教材、教學(xué)參考書：霍奇曼（T.CharlieHodgman）.科學(xué)出版社.2010年9月1日.《生物信息學(xué)》伍欣星.科學(xué)出版社.《生物信息學(xué)——基礎(chǔ)與臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用指南》二、課程設(shè)置的目的意義生物信息學(xué)是內(nèi)涵非常豐富的學(xué)科，其核心是基因組信息學(xué)，包括基因組信息的獲取、處理、存儲(chǔ)、分配和解釋。生物信息學(xué)是把基因組DNA序列信息分析作為源頭，在獲得了蛋白質(zhì)編碼區(qū)的信息之后進(jìn)行蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)模擬和預(yù)測(cè)，然后依據(jù)特定蛋白質(zhì)的功能進(jìn)行分析處理?；蚪M信息學(xué)的關(guān)鍵是“讀懂”基因組的核苷酸順序，即全部基因在染色體上的確切位置以及各DNA片段的功能；同時(shí)在發(fā)現(xiàn)了新基因信息之后進(jìn)行蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)模擬和預(yù)測(cè)，然后依據(jù)特定蛋白質(zhì)的功能進(jìn)行藥物設(shè)計(jì)。了解基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)理也是生物信息學(xué)的重要內(nèi)容，根據(jù)生物分子在基因調(diào)控中的作用，描述人類疾病的診斷、治療內(nèi)在規(guī)律。它的研究目標(biāo)是揭示"基因組信息結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及遺傳信息的根本規(guī)律"，解釋生命的遺傳規(guī)律。生物信息學(xué)已成為整個(gè)生命科學(xué)發(fā)展的重要組成部分，成為生命科學(xué)研究的前沿。當(dāng)前，基因組信息、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)模擬以及藥物設(shè)計(jì)有機(jī)地連接在一起，它們是生物信息學(xué)的三個(gè)重要組成部分，生物信息學(xué)目前已在理論生物學(xué)領(lǐng)域占有了核心地位，它廣泛地應(yīng)用在生物、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等學(xué)科。三、課程的基本要求知識(shí)：通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將掌握下列要點(diǎn)：理解遺傳信息從DNA，通過(guò)mRNA，至蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)移過(guò)程，并了解基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的最新發(fā)展。熟悉并掌握用于基因?qū)W的主要數(shù)據(jù)庫(kù)及查訊詢工具。

理解分子生物數(shù)據(jù)分析的主要算法，包括

o生物序列分析

o生物分子結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

o基因表達(dá)分析對(duì)生物計(jì)算技術(shù)在當(dāng)代生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)。能力：培養(yǎng)較強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)能力、科技創(chuàng)新能力、工程實(shí)踐能力、語(yǔ)言表達(dá)能力、社交活動(dòng)能力以及組織管理能力等，為以后學(xué)習(xí)、工作打下基礎(chǔ)。素質(zhì)方面：強(qiáng)化全面素質(zhì)教育，包括思想道德素質(zhì)、科研素質(zhì)、人文素質(zhì)、心理素質(zhì)等。四、教學(xué)內(nèi)容、重點(diǎn)難點(diǎn)及教學(xué)設(shè)計(jì)本課程總共32學(xué)時(shí)，其中講授32學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課16學(xué)時(shí)，具體學(xué)時(shí)分配如下表：章節(jié)教學(xué)內(nèi)容總學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)分配教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)（含教學(xué)方法、教學(xué)手段）講課(含研討)實(shí)踐第1章生物信息學(xué)概論生物信息學(xué)的概念和發(fā)展歷史

生物信息學(xué)的定義

440網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（WWW、FTP、BBS、EMAIL、）生物信息學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

離散數(shù)學(xué)

概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

數(shù)據(jù)挖掘生物信息學(xué)的產(chǎn)業(yè)化

生物信息學(xué)的產(chǎn)業(yè)化/從生物信息學(xué)的發(fā)展了解生物信息學(xué)在生物科技中的地位，特別是精準(zhǔn)治療中生物信息學(xué)的地位，使學(xué)生對(duì)其有深刻的了解第2章分子生物學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)生物學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)概述數(shù)據(jù)庫(kù)的分類.442與偏誤核苷酸序列與基因組數(shù)據(jù)庫(kù)GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)與ENTREZ網(wǎng)絡(luò)服務(wù)GenBank序列數(shù)據(jù)庫(kù)簡(jiǎn)介,一級(jí)和二級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)庫(kù)格式數(shù)據(jù)據(jù)剖析GenBankFlatfile））EMBL核苷酸序列庫(kù)與EBI網(wǎng)絡(luò)服務(wù)DDBJ數(shù)據(jù)庫(kù)密碼子使用與核苷酸信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)蛋白質(zhì)序列與模式、同源性數(shù)據(jù)庫(kù)蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫(kù)PIR-International蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫(kù)SWIIS-PROT教學(xué)思路：在面臨生物信息學(xué)超大數(shù)據(jù)的發(fā)展過(guò)程中，數(shù)據(jù)庫(kù)的重要性，同時(shí)數(shù)據(jù)的深層次的挖掘和利用，怎樣使用數(shù)據(jù)庫(kù)和建立數(shù)據(jù)庫(kù)，使在大數(shù)據(jù)的面前我們?cè)鯓舆M(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的研究教學(xué)模式：課前導(dǎo)學(xué)（前修課知識(shí)歸納與思考題）；2學(xué)時(shí)課程講授；2學(xué)時(shí)典型結(jié)構(gòu)分析。第3章序列比對(duì)與數(shù)據(jù)庫(kù)檢索序列比對(duì)概述

序列比對(duì)的概念和進(jìn)化理論基礎(chǔ)序列比對(duì)的分類442統(tǒng)計(jì)方法替換矩陣替換矩陣的一般原理；PAM基酸替換矩陣；BLOSUM氨基酸替換矩陣；DNA替換矩陣)相似性得分、取代罰分與空位（Gap）罰分比對(duì)的統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性MonteCarlo仿真法BLAST得分顯著性的Karlin-Altschul公式BLAST：核酸數(shù)據(jù)庫(kù)搜索BLAST：蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)搜索FASTA：另一種搜索策略有空位對(duì)準(zhǔn)的BLAST程度與位置特異的迭代BLAST程序基因組長(zhǎng)序列比對(duì)教學(xué)思路：進(jìn)行序列的比對(duì)分析原理講解，讓學(xué)生掌握分析的方法，對(duì)以后的復(fù)雜的序列比對(duì)分析提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，各種不同的數(shù)據(jù)庫(kù)特點(diǎn)和使用方式。教學(xué)模式：課外上網(wǎng)查詢各種數(shù)據(jù)庫(kù)和課上提問(wèn)搶答相結(jié)合;課前導(dǎo)學(xué)和課堂作業(yè)相結(jié)合；一般歸納和重點(diǎn)解析相結(jié)合。第4章DNA序列的統(tǒng)計(jì)學(xué)與信息學(xué)分析單一序列的組成、關(guān)聯(lián)性與信息學(xué)分析堿基組成堿基相鄰頻率同向與反向重復(fù)序列分析DNA序列的幾何學(xué)分析222重復(fù)對(duì)熵的影響編碼片段的相互信息DNA序列的模式結(jié)構(gòu)語(yǔ)言學(xué)復(fù)雜性測(cè)度非編碼區(qū)（“Junk”DNA）基因組序列密碼子指紋與密碼子使用偏好性分析功能相關(guān)基因在兩個(gè)基因組間或內(nèi)部的聚類關(guān)系基因組比較與基于功能組成的物種間的比較相對(duì)同義密碼子使用值與密碼子適應(yīng)指數(shù)信息聚類方法與自身一致信息聚類堿基組成及相關(guān)性與基因表達(dá)的關(guān)系教學(xué)思路：以DNA序列為目標(biāo)，以一個(gè)癌基因的突變，進(jìn)行比對(duì)，找出癌基因突變或者缺陷區(qū)域的DNA序列。教學(xué)模式：課前導(dǎo)學(xué)、課堂講授、現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)上查詢、文獻(xiàn)查閱，課中提問(wèn)搶答；講授（2學(xué)時(shí)）實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）第5章核酸序列的信號(hào)和功能識(shí)別固定序列模式檢索短寡聚核苷酸序列的隨機(jī)出現(xiàn)機(jī)率編碼區(qū)DNA寡聚體出現(xiàn)頻率蛋白質(zhì)基因識(shí)別開放閱讀框架分析編碼區(qū)識(shí)別堿基組成偏歧法密碼子使用法密碼子偏歧法基因識(shí)別GenLang基因識(shí)別GRAIL基因識(shí)別基因識(shí)別的一些相關(guān)程序用于檢測(cè)相關(guān)基因的簡(jiǎn)并探針設(shè)計(jì)442編碼區(qū)識(shí)別堿基組成偏歧法密碼子使用法密碼子偏歧法基因識(shí)別GenLang基因識(shí)別GRAIL基因識(shí)別基因識(shí)別的一些相關(guān)程序發(fā)現(xiàn)和屏蔽重復(fù)序列相似性與標(biāo)紋數(shù)據(jù)庫(kù)搜索整合的基因識(shí)別序列片段的編碼區(qū)分析PCR引物和寡核苷酸探針設(shè)計(jì)引物設(shè)計(jì)PCR引物的類型和一般要求;通用PCR引物設(shè)計(jì)方法;特異性PCR引物設(shè)計(jì)方法;教學(xué)思路：通過(guò)蛋白質(zhì)序列反查DNA，找到相應(yīng)的基因，進(jìn)行基因的識(shí)別，并設(shè)計(jì)某一個(gè)探針教學(xué)模式：課前導(dǎo)學(xué)、課堂分析、通過(guò)軟件設(shè)計(jì)某一個(gè)基因探針第6章RNA序列分析與結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)RNA標(biāo)紋識(shí)別和局部結(jié)構(gòu)配對(duì)信號(hào)搜索：概率方法信號(hào)搜集：模式匹配方法tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)RNA序列的局部結(jié)構(gòu)配準(zhǔn)442信號(hào)搜集：模式匹配方法tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)RNA序列的局部結(jié)構(gòu)配準(zhǔn)教學(xué)思路：以DNA為模板進(jìn)行RNA探針的設(shè)計(jì)，進(jìn)行短鏈的RNA特異性研究，在最短的特異性的RNA探針的可靠性研究的設(shè)計(jì)，熟練各種流行的設(shè)計(jì)軟件；教學(xué)模式：課外文獻(xiàn)資料、課堂講授（2學(xué)時(shí)）、專題辯論（2學(xué)時(shí)）實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）第7章蛋白質(zhì)序列分析與結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法

多肽理化性質(zhì)計(jì)算與預(yù)測(cè)多肽分子量、等電點(diǎn)、電荷分布和酶切特征預(yù)測(cè)442多肽分子量、等電點(diǎn)、電荷分布和酶切特征預(yù)測(cè)多肽親水性/疏水性分析與制圖基準(zhǔn)序列（序列模式）：標(biāo)紋、標(biāo)志、指紋和地點(diǎn)序列結(jié)構(gòu)域與模式匹配方法頻率表方法權(quán)值矩陣法：Profile分析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)與分子設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)教學(xué)思路：以等電聚焦電泳進(jìn)行蛋白質(zhì)和多肽分離純化的研究，說(shuō)明蛋白質(zhì)的各個(gè)方面的特性，分子量的大小，電荷的大小等特點(diǎn)，說(shuō)明分子篩的工作原理；教學(xué)模式：課外文獻(xiàn)資料、課堂講授（2學(xué)時(shí)）實(shí)驗(yàn)（1學(xué)時(shí)）第8章核酸和蛋白質(zhì)序列的進(jìn)化分析分子系統(tǒng)發(fā)育概述系統(tǒng)發(fā)育模型的組成系統(tǒng)發(fā)育數(shù)據(jù)分析的一般步驟442系統(tǒng)發(fā)育模型的組成系統(tǒng)發(fā)育數(shù)據(jù)分析的一般步驟建立數(shù)據(jù)模型（比對(duì)）決定取代模型建樹方法距離矩陣法(UPGMA,NJ)最簡(jiǎn)約法極似然法教學(xué)思路：以進(jìn)化樹說(shuō)明核酸和蛋白質(zhì)的進(jìn)化過(guò)程；教學(xué)模式：課外文獻(xiàn)資料、課堂講授（4學(xué)時(shí)）實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）第9章基因組測(cè)序與分析DNA測(cè)序與序列片段的拼接DNA測(cè)序的一般方法DNA測(cè)序策略110序列片段的拼接方法編碼蛋白質(zhì)基因區(qū)域的預(yù)測(cè)從序列中尋找基因基因及基因區(qū)域預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)基因的一般過(guò)程；解讀序列)估計(jì)相對(duì)圖距和推測(cè)多位點(diǎn)測(cè)序圖距與交叉干涉推測(cè)多位點(diǎn)測(cè)序基因組物理圖譜與測(cè)序人類基因組制圖遺傳圖物理圖序列圖轉(zhuǎn)錄圖（表達(dá)圖）與cDNA文庫(kù)構(gòu)建)基因組遺傳圖的構(gòu)建方法教學(xué)思路：以各種軟件使用和軟件的功能特點(diǎn)，根據(jù)研究的對(duì)象的不同使用不同的軟件；教學(xué)模式：課外文獻(xiàn)資料、課堂講授（1學(xué)時(shí)）第10章功能基因組信息學(xué)功能基因組信息學(xué)概述

基因表達(dá)數(shù)據(jù)分析110功能基因組信息學(xué)概述

基因表達(dá)數(shù)據(jù)分析功能基因組信息學(xué)概述

基因表達(dá)數(shù)據(jù)分析教學(xué)思路：；教學(xué)模式：課外文獻(xiàn)資料、課堂講授（2學(xué)時(shí)）第11章生物多樣性信息學(xué)和神經(jīng)生物信息學(xué)生物多樣性信息學(xué)神經(jīng)生物信息學(xué)000合計(jì)3232五、實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和基本要求章節(jié)內(nèi)容授課時(shí)數(shù)討論時(shí)數(shù)備注實(shí)驗(yàn)1.常用分子生物學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的使用和數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢與下載16實(shí)驗(yàn)2.DNA序列的統(tǒng)計(jì)學(xué)、信息學(xué)和功能分析實(shí)驗(yàn)3蛋白質(zhì)序列分析和結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)4.核酸和蛋白質(zhì)序列的進(jìn)化分析(CLUSTALX、MEGA2軟件的使用實(shí)驗(yàn)5.使用Olig和PrimerPremier軟件設(shè)計(jì)PCR引物實(shí)驗(yàn)6.常用重要生物信息學(xué)軟件使用方法（DNAStar、OMIGA、VectorNTsuite）六、考核方式及成績(jī)?cè)u(píng)定教學(xué)過(guò)程中采取講授、討論、分析、大型作