作者Liebig
生物信息学的研究及其应用
摘要
生物信息学是近年来研究的热点前沿学科，国内外十分重视对该学科的研究，随着后基因组时代的来临，相信生物信息对生命科学的发展将起到不可估量的作用。本文综述了生物信息学的概念；说明了生物信息学的发展及研究现状；阐述了生物信息学的主要研究内容。最后对生物信息学的未来进行了展望。 关键词：生物信息学 研究内容 应用范围
一 前言
生物信息学(Bioinformatics)是一门交叉学科，它以核酸、蛋白质等生物大分子的数据库为主要研究对象,以数学、信息学、计算机科学等计算科学为主要研究手段,以计算机硬件、软件和网络等技术为主要研究工具,对大量原始数据进行获取、处理、储存、分发、分析和解释，用来阐明和理解大量数据所包含的生物学意义,使之成为具有明确生物意义的生物信息。只有通过生物信息学的计算处理才能从众多分散的生物学观测数据中获得对生命运行机制详细和系统的理解。
二 本论
2.1生物信息学的发展及研究现状
生物信息学是伴随着人类基因组计划的实施逐渐发展壮大起来的,其发展历程大致经历了三个阶段
[1]
,前基因组时代:这一阶段生物信息学的主要工作包括
生物数据库的建立,检索工具的开发以及DNA和蛋白质序列分析。基因组时代:这一阶段生物信息学的主要工作是大量核苷酸序列测定、分析、新基因寻找和识别,以因特网为基础的网络数据库系统的建立和交互界面的开发以及基因组序列信息的提取分析等。后基因组时代:这一阶段生物信息学的主要研究工作将包括蛋白质组学研究及人类基因组注释。
国外一直非常重视生物信息学的发展,各种专业研究机构、生物科技公司、制药工业内部的生物信息学部门与日俱增。迄今为止，国际上4个大的生物信息中心即美国的国家生物技术信息中心（NCBI）和基因组序列数据库（GSDB）、欧
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洲生物信息学研究所(EBI)和日本信息生物学中心(CIB)
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已经建立和维持了源
自数百种生物的cDNA和基因组DNA序列的大型数据库。这些中心和全球的基因组研究实验室通过网点、电子邮件或者直接与服务器和数据库联系而获得的搜寻系统，使得研究者可以在多种不同的分析系统中对序列数据提出质询。
在我国,生物信息学随着人类基因组研究的展开才刚起步,目前还处于初级阶段,但在一些领域已取得了一些成绩:中科院生物物理所的陈润生研究员在EST序列(exp ressed sequence tags,EST)拼接方面以及在基因组分子进化方面,天津大学的张春霆院士在DNA序列的几何学分析方面,北京大学的罗静初和顾孝诚教授在生物信息学网站建设方面
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。北京大学于1997年3月成立了生物信息
中心;中科院上海生命科学院也于2000年3月成立了生物信息学中心,分别维护着国内两个水平较高的生物信息学网站。
2.2 生物信息学的主要研究内容
生物信息的收集、管理以及生物数据的分析处理是最初生物信息学产生的主要原因。各类数据库和生物计算构成如今生物信息学的主要内容,互联网的产生和发展又为生物信息网上资源的发展创造了机会。从总的方面来说,生物信息学的研究内容主要包括基因组学和蛋白质组学这两方面的研究。
2.2.1 基因组学的研究
基因组(Genome)一词是1920年Winkles从Genes和Chromosomes组成的。一个物种全部遗传信息的总和称为基因组,可以指一套染色体,也可指其中全部核苷酸序列。1986年美国著名科学家Thomas Roderick提出了基因组学(Genomics),指对一个物种的所有基因进行基因组作图(包括遗传图、物理图谱、转录图谱),核苷酸序列分析,基因定位和基因功能分析的一门学科
[4]
。基因的研
究是指在许多基因同时存在的基础上对多个基因同时进行研究,分析各自与它们之间的结构与功能的相互关系。因而它至少涉及3个相关领域:结构基因组———主要关心DNA碱基序列水平上的基因结构;比较基因组———寻找种内、种属间产生基因结构差异的分子基础,以期获取与目的性状相关的基因;功能基因组———着重研究基因与其表达产物及功能活性的关系
[5]
。现在,从基因组研
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究角度出发的技术开发的发展和公共资源数据体系的大规模建立,为生物学和生物医学研究指引重要的新方向。基因组序列这一指导生物发育和发挥功能的信息综合体,是当今生命科学的核心。简单来讲,基因组学已经成为生物学和医学研究的核心和不可分割的学科。
2.2.2 蛋白质组学的研究
蛋白质组(proteome)是指一个基因组,一种生物或一种组织/细胞所表达的全套蛋白质,蛋白质组学(proteomics)是以蛋白质组为研究对象的新的研究领域,主要研究细胞内蛋白质的组成及其活动规律,建立完整的蛋白质文库。由于蛋白质比基因更靠近功能一步,所以,对它的研究可更直接导致生物学的新发现。随着后基因组时代的到来,蛋白质组学的深入研究将带来巨大的经济和社会效益。现有的蛋白质研究方法。如双向电泳等电聚焦(2-D),色谱分析,质谱分析等,都需要特殊设备且价格昂贵;体外翻译表达系统可研究蛋白质的加工,释放和亚细胞定位,但操作烦琐,而生物信息学为我们提供了一条可以直接由基因或蛋白质序列进行蛋白质功能预测和结构分析的捷径。生物信息学在蛋白质组学方面的研究主要在于以下两个方面:蛋白质的结构与功能的研究----蛋白质的结构与功能有着密切的关系,尤其是蛋白质的三维结构，通过三维结构的研究可以预测其特定的功能；蛋白质分子相互作用及其作用途径的研究----通过计算机技术模拟生物大分子的相互作用的一条比较理想的研究途径
[6]
。
2.3 生物信息学的应用范围
生物信息学的应用范围很广。大体包括生物科学,临床医药,工、农业等方面的应用。
2.3.1 生物科学方面的应用
生物信息学在生物科学方面的应用最为广泛。如基因变异和表达的分析,基因和蛋白质结构与功能的分析和预测,基因调空网络的预测和鉴定,细胞环境的模拟等等
[7]
。
2.3.2生物信息医药
在疾病研究方面,研究表明大约6000种以上的人类疾患与各种人类基因的
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变化相关联。近年来国际上已出现了若干与疾病相关的数据库，如人类基因突变数据库，收集了人类遗传病基因生殖突变数据资料，是目前人类遗传病基因突变中心核库。随着人类基因组计划的不断深入，人类基因的破译，人们就可以有效的判定各种分子疾患；在药物研究方面，随着生物科学和医学的进一步发展,许多药物公司和科研单位都积极投入到药物的开发与设计中来，开始进行以基因为基础的药物研制，其基本过程是基因组-新靶点-筛选-先导物-药物，即基因-受体-药物。通过对病人基因组的分析比较，找到病变的DNA信息，针对病变的靶序列设计基因药物以改变靶序列的表达情况，达到治疗该疾病的目的。疾病相关数据库为新药的筛选提供了大量新的药物作用的靶分子
[8]
。
2.3.3生物信息工业
生物信息学不仅具有重大的科学意义,而且具有巨大的经济效益。它既属于基础研究,以探索生物学自然规律为己任;又属于应用研究,它的许多研究成果可以较快或立即产业化,成为价值很高的产品。生物信息学的这一特点在现有的许多学科中几乎是独一无二的。美国欧洲现今出现了大批的基于生物信息学的公司,实施了许多生物信息学研究计划,主要与药物设计,基因工程药物,生物芯片,代谢工程与化学工程密切有关。显而易见，生物信息学工业是知识经济中的一个典型、潜力巨大、经济效益显著的范例
[9]
。
2.3.4生物信息农业
随着生物科学的快速发展,生物信息学也日渐渗透到农业的研究中来。农作物抗性基因研究、转基因动植物的产品研究等等正在成为广大科研人员关注的热点问题。我国的科学家们也充分利用我国的资源优势,利用生物信息学大力发展我国的农业产业，基因信息研究的成果迅速转化为生产力。
三 结论
生物信息学是一门崭新的交叉学科,其发展前景是难以预测的, 目前正处于不断发展和完善过程中，曾经有些人对生物信息学有过一些错误的看法。如认为生物信息学人人都可以做,而且不需要多少成本,不需要做任何试验等等
[10]
。而
另有些人则将生物信息学的作用神圣化,认为有了它就什么也不怕了。其实,它并
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不可能完全代替试验操作。生物信息学研究所作出的分析和预测是建立在已经获得的分子生物学知识基础之上,是对既往理论知识的充分而有效的运用并作合理推论,因此可能存在差错,仍需要进一步的实验室工作验证和补充。
生物信息学的发展必将会带来生物科学的一次历史性的,对推动生物科学的发展、增进人类对自身的了解、增进人类对大自然的了解,所起的作用将是不可估量的。
参考文献
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