生物信息学（第二版）

本书在第一版基础上，结合生物信息学学科近年发展，更新、补充、调整相关知识。全书引用分析了大量国内外文献资料，全面、系统地介绍了生物信息学相关的概念、产生背景、发展历史、研究目标、国内外研究现状以及人类基因组计划和蛋白质组信息学等前沿课题，并对生物学数据库的建立、核酸序列分析技术、蛋白质结构预测和分子设计技术、生物信息学软件的开发与应用等内容作了系统阐述。 　　本书适合于基础医学、临床医学、生物科学、计算机科学等相关专业学生使用，也可为广大教学、科研人员参考使用。

张阳德，临床医学外科学和生物医学工程学教授、博士研究生导师，注重理工医多学科结合，研发临床医学新项目。人生以勤谨创新、至诚求实、厚德助人为准则。毕业于湖南医科大学，20世纪80年代后期获奖赴美国学习。1987年国际首创“经胆道镜下微爆破碎肝胆管内嵌顿结石临床应用”，1988年国内外领先研制“结肠镜下激光诱导结肠早癌自体荧光诊断仪”，并分别于1991年和2002年获湖南省科技进步一等奖，2004年获中国青年科技奖，2005年获全国优秀科技工作者称号。1994年从事“磁纳米粒白蛋白阿霉素治疗晚期肝癌”研究为世界领先。1990年在美国将PCR技术较早介绍到中国，编著了《聚合酶链反应技术及原理》一书，并研制了“风冷灯热式PCR仪”推广应用。1997年开展了我国首例肝隔离灌注治疗手术不可切除的晚期肝癌。2001年底成功进行了合并多器官功能不全的肝功能衰竭病人的背驮式肝移植。为使中国内镜医师与国际接轨，建议建立“中国医师协会内镜医师分会”，历经三年论证，2004年12月2日获国家主管部门批准成立并负责组建。 作为课题负责人，已完成国家“九五”科技攻关重点课题、美国国家卫生研究院（NIH）课题、国家“863”计划课题等重大科研课题39项，其中国内国际首创6项。目前承担国家“十五”科技攻关重点课题、国家十五“863”计划课题等重大科研课题10项，正在进行纳米磁性颗粒与内生场热疗结合治疗实体肿瘤的研究，处于国际领先水平。

序一
序二
前言
第一章 概论
1.1 生物信息学产生的背景
1.2 人类基因组计划
1.3 什么是生物信息学
1.4 生物信息的研究目标和内容
1.5 生物信息学的发展
1.6 生物信息学研究方法的新进展
1.7 国内外生物信息学研究现状
1.8 生物信息学的主要意义和展望
1.9 生物信息学与生物实验的关系
主要参考文献

第二章 生物学基础
2.1 生命起源和分子进化
2.2 生物的分类
2.3 核酸
2.4 蛋白质
2.5 染色体和基因
2.6 中心法则
2.7 基因工程技术简介
主要参考文献

第三章 生物信息数据库及其信息检索
3.1 生物信息数据库的类型
3.2 序列数据库
3.3 结构数据库
3.4 生物数据库的信息检索
3.5 向数据库提交数据
主要参考文献

第四章 序列比对与算法
4.1 序列两两比对
4.2 多序列比对
4.2.1 多序列比对程序CLUSTALW
4.2.2 tree_based算法和iterative算法
4.2.3 中心算法
4.3 序列分析算法
4.3.1 动态规划算法
4.3.2 隐马尔可夫模型
4.3.3 人工神经网络
4.3.4 基因表达调控网络
4.4 分子进化：系统树发育分析
4.4.1 分子钟与中性理论
4.4.2 进化树
4.4.3 进化树的分析步骤
4.4.4 相关软件使用简介
主要参考文献

第五章 核酸序列分析
5.1 DNA序列分析的意义
5.2 基因结构
5.3 序列翻译与ORF预测
5.4 核酸序列分析框架
5.5 基因识别的两种途径
5.6 数据库搜索
5.7 生物信息学软件
5.7.1 商业软件包
5.7.2 基于WEB的免费软件包
5.8 新测定DNA序列的分析实例
5.8.1 框架
5.8.2 功能性位点（Pattern或Motif）搜索
5.8.3 编码区的确定
5.8.4 核酸分子的立体结构
主要参考文献

第六章 蛋白质结构预测和分子设计
6.1 蛋白质结构预测
6.1.1 预测蛋白质的物理性质
6.1.2 从氨基酸组成辨识蛋白质
6.1.3 蛋白质二级结构预测
6.1.4 其他特殊局部结构预测
6.1.5 蛋白质的三维结构预测
6.2 蛋白质工程分子设计简介
6.2.1 分子设计的基本条件
6.2.2 分子设计的基本方法
6.2.3 基于遗传算法的分子设计
6.3 蛋白质结构预测和分子设计的研究进展
主要参考文献

第七章 基因组信息学
7.1 概论
7.1.1 问题的提出
7.1.2 发展历程
7.1.3 HGP的意义
7.2 参与基因组计划的机构
7.2.1 国际机构
7.2.2 其他研究机构
7.3 图谱
7.3.1 遗传图谱
7.3.2 物理图谱
7.3.3 序列图谱
7.3.4 基因图谱
7.4 测序7.5 基因组序列信息分析工具
7.5.1 Wisconsin软件包
7.5.2 ACEDB
7.5.3 其他工具
7.6 人类基因组信息数据库
7.6.1 NCBI Entrez的染色体图谱
7.6.2 GDB的染色体图谱
7.7 生物信息学在基因组研究中的应用
7.7.1 当前主要研究内容
7.7.2 生物信息学在基因组研究中的发展趋势
7.7.3 生物信息学的发展展望
7.8 后基因组计划
7.9 基因组信息学的研究进展
主要参考文献

第八章 蛋白质组信息学
8.1 蛋白质组学简介
8.1.1 蛋白质组学的概念
8.1.2 蛋白质组研究的理论基础
8.1.3 蛋白质组研究的技术路线
8.2 蛋白质组信息学
8.3 蛋白质组分析的内容和方法
8.4 蛋白质组信息学相关资源
8.5 蛋白质组学的应用及前景
8.6 蛋白质组学研究中的常见问题
8.7 化学蛋白质组学
8.7.1 化学蛋白质组学的概念
8.7.2 化学蛋白质组学研究内容、相关技术及应用
8.7.3 化学蛋白质组学的展望
主要参考文献

第九章 生物信息学前沿
9.1 生物芯片技术
9.1.1 生物芯片简介
9.1.2 与生物芯片相关的技术
9.1.3 生物芯片数据分析
9.1.4 生物芯片数据分析的展望
9.2 药物设计与生物信息学
9.2.1 药物基因组学
9.2.2 药物蛋白质组学
9.2.3 生物信息学、基因组学和蛋白质组学与药物设计
9.2.4 计算机辅助药物设计
9.2.5 药物设计实例
9.3 基因诊断与治疗
9.3.1 基因珍断
9.3.2 基因治疗
9.4 虚拟细胞——人工生命的模型
9.4.1 虚拟细胞的构建
9.4.2 虚拟细胞的模型
9.4.3 虚拟细胞特点
9.4.4 虚拟细胞相关的学科领域
9.4.5 研究虚拟细胞的意义
主要参考文献

附录一 生物信息学相关数据库
附录二 生物信息学重要软件简介
附录三 生物信息学名词解释
附录四 习题
编著者简介

第一章　概论
1.1　生物信息学产生的背景
诺贝尔生理学或医学奖得主R.Dulbecco 1986年3月在Science上发表文章《癌症研究的转折点：测序人类基因组》，认为要彻底阐明癌症的发生、演进、侵袭和转移的机制，必须对人体细胞的基因组进行全测序。经过3年多的讨论，美国政府于1990年10月正式启动一项耗资30亿美元的15年计划，预期到2005年完成人类基因组大约30亿个碱基的全序列测定，这就是被称为生命科学“登月计划”的人类基因组计划（Human Genome Project，HGP）。到2006年5月28日，英美科学家宣布完成了人类1号染色体的基因测序图，这标志着历时16年的人类基因组计划的完成。
HGP的主要任务是：人类基因组以及一些模式生物体（细菌、酵母、线虫、果蝇等）基因组的作图、测序和基因识别。该计划一经提出，很快扩展成为世界范围的研究计划，并以惊人的速度前进。经过美、英、日、法、德和中国科学家的共同努力，至2000年6月26日完成了工作草图；至2003年4月14日宣布人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现。这是人类科学史上又一个里程碑式的事件，它预示着完成人类基因组计划已经指日可待。生物信息最基本的表达形式是一维的分子排列顺序，即序列，包括核酸序列和氨基酸序列。其中，最基本的仍是DNA序列。截至2004年为止，仅登录在美国GenBank数据库中的DNA序列总量已超过44 575 745 176碱基对。基于CDNA序列测定所建立起来EST数据库的记录也已达数百万条。在这些数据的基础上派生、整理出来的数据库已达500余个。与其同步的蛋白质的一级结构，即氨基酸序列也飞速增长。除此之外，还有对蛋白质高级结构的分析，迄今，已有几万种蛋白质的空间结构以不同的分辨率被测定。这一切构成了一个生物学数据的海洋。这种科学数据巨大的积累规模，在人类的科学研究历史中是空前的。