生物信息学 (Bioinformatics)

1. 生物信息学 (Bioinformatics)

2. 人有多少基因? Fruit fly: 13,000 genes Human: 28,000 genes. The surprisingly small number of genes in the human genome (~ 100,000 expected; < 30,000 identified) was a major surprise from the project.

3. Human Beings are 99.99% the same Millions of differences between of us

4. 这二人的基因有什么不一样?

5. 什么使他们俩不一样? 什么使他成这样? 蓝肤症：蓝色的人，整个十九世纪60年代，一个庞大的“蓝人”家族居住在肯德基州山上，紧挨着克里克联盟的印第安人。 (辅酶Ⅰ脱氢酶) 。 先天愚型也称21三体综合征 (47XX+21) 或Down综合征（唐氏综合征），属常染色体畸变遗传病

6. 生物芯片 生物芯片技术是一种高通量检测技术。 通常我们所说的生物芯片是将含不同生物信息的生物分子集成到一块芯片上,用以同时分析多种生物分子的信息。由于常用玻片/硅片作为固相支持物，且在制备过程模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为生物芯片技术。

7. 生物芯片（biochip）采用原位合成或微量点样等方法，将大量生物大分子比如核酸片段、多肽等等生物样品有序地固化于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝胶、尼龙膜等载体）的表面，组成密集二维分子排列，然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器比如激光共聚焦扫描或电荷偶联摄影像机（CCD）对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。生物芯片（biochip）采用原位合成或微量点样等方法，将大量生物大分子比如核酸片段、多肽等等生物样品有序地固化于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝胶、尼龙膜等载体）的表面，组成密集二维分子排列，然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器比如激光共聚焦扫描或电荷偶联摄影像机（CCD）对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。

9. 1、基因芯片(Genechip)又称DNA芯片(DNAChip)。 将寡核苷酸分子固定于支持物上，然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号的强弱进而判断样品中靶分子的数量

10. DNA Microarry 原理: DNA杂交碱基互补

11. 探针分子固定于支持物上

12. 固定于支持物上的探针, 与标记的样品进行杂交 利用基因探针到基因混合物中识别特定基因。

13. 固定于支持物上的探针, 与标记样品的碱基不互补 则探针与样品不能进行杂交

14. 通过检测杂交信号的强度及分布来进行分析 从而得到基因的表达水平 正常 高表达 低表达 通过检测杂交信号的强弱进而判断样品中靶分子的数量 。

15. 1.2 DNA microarry 的优缺点 优点: • 高效率: 同时检测成千的基因 • 敏感性高 • 方法不复杂 缺点: • 只能应用于DNA和RNA的研究（不能直接检测蛋白质） • 假阳性

16. 2、蛋白质芯片 蛋白芯片是指将大量蛋白质分子(蛋白质组) 按预先设置的排列固定于一种载体表面行成微阵列，然后与要检测的组织或细胞等进行“杂交”，再通过自动化仪器分析得出结果。 这里所指的“杂交”是指蛋白与蛋白之间如(抗体与抗原)在空间构象上能特异性的相互识别。

17. 2.1  蛋白质芯片的特点:   ①蛋白质芯片是一种高通量的研究方法，能在一次实验中提供相当大的信息量，使我们能够全面、准确的研究蛋白表达谱。 ②蛋白质组芯片的灵敏度高，它可以检测出蛋白样品中微量蛋白的存在，  检测水平已达ng  级。 ③蛋白质芯片具有高度的准确性。

18. 2.2 蛋白质芯片的优缺点 优点: • 高效率: 同时检测成千个蛋白 • 敏感性高 缺点: • 制作复杂,成本较高 • 现行没有令人满意蛋白质表达系统

19. 生物芯片技术 • 芯片方阵的构建 • 样品的制备 • 生物分子反应信号的检测

20. 1、芯片制备目前制备芯片主要以玻璃片或硅片为载体，采用原位合成和微矩阵的方法将寡核苷酸片段或cDNA作为探针按顺序排列在载体上。1、芯片制备目前制备芯片主要以玻璃片或硅片为载体，采用原位合成和微矩阵的方法将寡核苷酸片段或cDNA作为探针按顺序排列在载体上。

21. 2、样品制备生物样品往往是复杂的生物分子混合体，除少数特殊样品外，一般不能直接与芯片反应，有时样品的量很小。所以，必须将样品进行提取、扩增，获取其中的蛋白质或DNA、RNA，然后用荧光标记，以提高检测的灵敏度和使用者的安全性。2、样品制备生物样品往往是复杂的生物分子混合体，除少数特殊样品外，一般不能直接与芯片反应，有时样品的量很小。所以，必须将样品进行提取、扩增，获取其中的蛋白质或DNA、RNA，然后用荧光标记，以提高检测的灵敏度和使用者的安全性。

22. 3、杂交反应杂交反应是荧光标记的样品与芯片上的探针进行的反应产生一系列信息的过程。选择合适的反应条件能使生物分子间反应处于最佳状况中，减少生物分子之间的错配率。

23. 4、信号检测和结果分析杂交反应后的芯片上各个反应点的荧光位置、荧光强弱经过芯片扫描仪和相关软件可以分析图像，将荧光转换成数据，即可以获得有关生物信息。 基因芯片技术发展的最终目标是将从样品制备、杂交反应到信号检测的整个分析过程集成化以获得微型全分析系统或称缩微芯片实验室。使用缩微芯片实验室，就可以在一个封闭的系统内以很短的时间完成从原始样品到获取所需分析结果的全套操作。

24. 生物芯片的应用 • 药物筛选和新药开发 • 环境保护 • 司法 • 现代农业 • 基因表达水平的检测 • 寻找新基因 • 测序 • 疾病诊断 • 个体化医疗

25. 1、药物筛选和新药开发       由于所有药物都是直接或间接地通过修饰、改变人类基因的表达及表达产物的功能而生效，而芯片技术具有高通量、大规模、平行性地分析基因表达或蛋白质状况的能力，在药物筛选方面具有巨大的优势。

26. 2、环境保护        在环境保护上，基因芯片可以快速检测污染微生物或有机化合物对环境、人体、动植物的污染和危害，同时也能够通过大规模的筛选寻找保护基因，制备防治危害的基因工程药品、或能够治理污染源的基因产品。

27. 3、司法      通过DNA指纹对比来鉴定罪犯，未来可以建立全国甚至全世界的DNA指纹库，到那时以直接在犯罪现场对可能是疑犯留下来的头发、唾液、血液、精液等进行分析，并立刻与DNA罪犯指纹库系统存储的DNA“指纹”进行比较，以尽快、准确的破案。

28. 4、现代农业        基因芯片技术可以用来筛选农作物的基因突变，并寻找高产量、抗病虫、抗干旱、抗冷冻的相关基因，也可以用于基因扫描及基因文库作图、商品检验检疫等领域。

29. 5、DNA测序 芯片技术中杂交测序技术是一种新的高效快速测序方法。如使用美国Affymetrix公司1998年生产出的带有13.5万个基因探针的芯片就可以使人类DNA解码速度提高了25倍。

30. 6、寻找新基因有关实验表明在缺乏任何序列信息的条件下，基因芯片也可用于基因发现，如HME基因和黑色素瘤生长刺激因子就是通过基因芯片技术发现的。6、寻找新基因有关实验表明在缺乏任何序列信息的条件下，基因芯片也可用于基因发现，如HME基因和黑色素瘤生长刺激因子就是通过基因芯片技术发现的。

31. 7. 个体化用药Individualized Chemotherapy 种族、个体等因素都会导致遗传背景的差异，临床上，同样剂量的药物对于不同患者在药物疗效与副作用方面会有很大差异，如果利用基因芯片技术对患者进行诊断再开处方，就可以对患者实施个体化治疗。 疾病一般不是由单个基因引起的， 在治疗中很多同种疾病的具体病因是因人而异的，所以用药也因人而异。

32. 前景展望 　　尽管生物芯片发展时间不长，迄今在医学研究实际应用中的例子还不多，但由于芯片技术与传统的杂交技术相比，有检测系统微型化，对样品的需要量非常少，效率高，能高通量检测DNA序列，更好地解释基因之间表达的相互关系及检测基因表达变化的灵敏度高等优点，基因芯片在医学上的应用前景无疑是非常广阔的。随着研究的不断深入和技术的更加完善，基因芯片一定会在生命科学研究领域发挥出其非凡的作用。基因芯片技术将为我们提供一条认识生命本质的捷径。

33. 生物信息学与药物设计 生物信息学|Bioinformatics

34. 一、概述 （一）生物信息学与药物设计 新药研究和开发是一项耗资巨大的工程。过去，每一种新药从研发到投入市场平均需要10～15年，耗费数十亿美元。 生物信息学与生物医学领域的一个重要应用是药物设计和新药研发。 生物信息技术为药物研究设计提供了崭新的研究思路和手段，已经在新药设计的各个环节，如初始阶段、筛选及药物设计，以及新药开发阶段发挥着越来越重要的作用。利用强大的计算工具，新药开发平均费用降为8亿美元，时间则缩短了2～3年。 生物信息学|Bioinformatics

35. 漫长的新药研发历程 (10-15 years) 制药业属“ 三高 ” 产业 ( 高投资、高风险、高利润 )！ 生物信息学|Bioinformatics

36. 一种治疗哮喘、过敏性鼻炎的新药 • 孟鲁司特简介（英文名：Montelukast ） 生物信息学|Bioinformatics

37. 孟鲁司特化学分子结构 • 分子式:C35H36ClNO3S • 分子量 :608.18 • 功能：为选择性白三烯D4受体拮抗剂 ，有阻断过敏介质的作用 。 生物信息学|Bioinformatics

38. （二）生物信息学与新药研发的关系 生物信息学|Bioinformatics

39. Impact of Structural Genomics on Drug Discovery Dry, S. et. al. (2000) Nat. Struc.Biol. 7:976-949. 生物信息学|Bioinformatics

40. （三）生物信息学在药物研发中的应用 3.1 药物研发模式的改变 时间长，花费大，药物作用机理不明确 根据资料筛选合理的药理模型 化学合成或从天然产物中人工寻找 先导化物的优化 候选药物临床评价 投入市场 传统药物研发模式 针对性强，效果好，周期短，研发投入低 靶点的识别 靶点的证实 先导化合物的发现 先导化合物的优化 临床评价 投入市场 新的药物研发模式 生物信息学|Bioinformatics

41. （三）生物信息学在药物研发中的应用 3.2 先导化台物的寻找 • 药物研发中，第一步是找到先导化合物的结构，该化合物能与靶标蛋白结合并能进一步发展成药。因此，生物大分子和配体的相互作用和识别信息在药物设计中极为关键。受实验条件和资金等因素的限制，随着大量生物大分子的三维结构被测定，用生物信息学方法寻找先导化合物越来越受到人们重视。 • 目前常用的几种方法是： • 三维结构搜寻(three—dimensional structure searching) • 分子对接(molecular docking) • 全新药物设计(de novo drugdesign) 生物信息学|Bioinformatics

42. 生物信息学在药物研发中的意义在于找到病理过程中关键性的分子靶标、阐明其结构和功能关系，从而指导设计能激活或阻断生物大分子发挥其生物功能的治疗性药物，使药物研发之路从过去的偶然和盲目中找到正确的研发方向。生物信息学在药物研发中的意义在于找到病理过程中关键性的分子靶标、阐明其结构和功能关系，从而指导设计能激活或阻断生物大分子发挥其生物功能的治疗性药物，使药物研发之路从过去的偶然和盲目中找到正确的研发方向。 生物信息学|Bioinformatics

43. 二、生物信息学与新药研制 —— 未来的药物研究过程将是基于生物信息学（bioinformatics)知识挖掘的过程 数据处理和 关联分析 发现药物 作用对象 确定靶标 分子??? 合理药 物设计 Rational drug design 生物信息学|Bioinformatics

44. 新药研发 重点领域 生物信息学|Bioinformatics

45. 近年来，人类基因组计划和蛋白质组计划的开展，为生物医药研究提供丰富的生物学信息。而在这纷繁复杂的生物信息中寻找合适的药物作用靶标是生物信息学的重要目的之一。生物信息学通过主要在以下几个方面为药物设计提供帮助：近年来，人类基因组计划和蛋白质组计划的开展，为生物医药研究提供丰富的生物学信息。而在这纷繁复杂的生物信息中寻找合适的药物作用靶标是生物信息学的重要目的之一。生物信息学通过主要在以下几个方面为药物设计提供帮助： • 确定与疾病相关的靶标； • 验证靶标的有效性； • 预测靶标生物大分子的三维结构； • 确证药物的作用机制； • 预测药物的毒性。 生物信息学|Bioinformatics

46. ？ 新药发现如何摆脱大量数据的困扰？ ？ ？ • 过去，药物学家面临的主要问题——如何获取尽可能多的数据，寻找有潜在药效生物活性的先导化合物（Leading compounds)？ ——依赖大量的随机筛选（周期长、数量大、花费大） • 现在，由于生命科学进入组学时代各种生物分支学科信息的大量涌现，药物学家面临的主要问题——如何摆脱大量数据的困扰，更快更好地发现新化合物实体（New chemical entities，NCE）？ ——依赖生物信息学技术的虚拟筛选（Virtual screening) (周期短、成本低、效率高） 生物信息学|Bioinformatics

47. （一）新药发现的两个技术平台 ——生物信息学与结构生物学 • 生物信息学和结构生物学的迅猛发展为以组合化学（combinatorial chemistry )、高通量筛选（high throughput screening, HTS)数据库作为基础的虚拟药物筛选——计算机辅助药物设计提供了极其重要的条件。 • 生物信息学在药物研究过程中的应用，主要体现在结构分子生物学与计算化学（分子模拟）两方面。

48. （一）新药发现的两个技术平台 组合化学是一门将化学合成、组合理论、计算机辅助设计及机器人结合为一体的技术。它根据组合原理在短时间内将不同构建模块以共价键系统地、反复地进行连接，从而产生大批的分子多样性群体，形成化合物库 (Compound-library)；然后，运用组合原理，以巧妙的手段对化合物库进行筛选、优化，得到可能有目标性能的化合物结构的科学。 1.1 组合化学 (Combinatorial Chemistry

50. 1-2 What is HTS ? 高通量筛选（high throughput screening）是指应用计算机控制操作技术，对大量化合物进行微量样品的自动化检测方法。 检测方法有：①放射性配体结合测定法；②以细胞为基础的MTT法、MTS法；③以cAMP为基础的受体测定法；④转录活化酶测定法；⑤以钙离子为基础的荧光测定法等。