計算生物學導論

前言

　　僅僅在1953年才確定了著名的DNA雙螺旋結構。自從那時起，出現(xiàn)了一系列驚人的發(fā)現(xiàn)。闡明遺傳密碼僅僅是開始。了解基因和它們在真核生物，如人類基因組中不連續(xù)性的細節(jié)，已經(jīng)導致能夠研究和操作Mendel的抽象概念一一基因本身。學會越來越快地閱讀遺傳材料使我們能夠試圖解讀整個基因組。像我們正在接近21世紀一樣，我們也正在接近生物學不可思議的新紀元。　　分子生物學的革新率驚心動魄。一代人為寫博士論文必須煞費苦心掌握的實驗技術，對現(xiàn)代大學生來說成為例行實驗。數(shù)據(jù)的積累已經(jīng)使建立國際核酸、蛋白質、單個生物體，甚至染色體的數(shù)據(jù)庫成為必要。粗略地度量核酸數(shù)據(jù)庫的大小進展過程成指數(shù)增長，從而新的學科（如果這樣說太自大了）：生物學和信息科學結合的新的專門領域正在不斷產生。在巨大的數(shù)據(jù)庫中尋找相關事實和假設，對生物學來說變得非常重要。這本書是關于生物學數(shù)據(jù)庫，特別是關于序列和染色體的數(shù)學結構的?！　?shù)學書名趨向于簡潔、隱匿的觀點，而生物學的書名通常比較長，包含的信息更多，相當于數(shù)學家給出的簡單摘要。相應地，生物學家的摘要有數(shù)學家引言的長度和細節(jié)。為了努力填補到目前為止幾乎孤立的兩種文化之間的鴻溝，我的書名反映了這些沖突的傳統(tǒng)?！坝嬎闵飳W導論”是一個短書名，可以用作許多不同書的名字。書名的副標題“圖譜，序列和基因組”是讓讀者知道這本書是關于分子生物學應用的。即使這樣也太短，“計算生物學導論……”應該為“計算，統(tǒng)計和數(shù)學分子生物學……”　　在第1章詳細說過，打算讀本書的讀者應該學過概率和統(tǒng)計的基本課程，也應該掌握微積分。計算機科學中的算法和復雜性的概念也是有幫助的。至于生物學，大學入門課程也非常有用，是每個受教育的人在任何場合都應該知道的材料。本書打算給具有數(shù)學技能的人介紹令人著迷的生物數(shù)據(jù)和問題，而不是給那些喜歡自己學科純潔又封閉的人。在如此迅速發(fā)展的學科中所做工作有立即變廢的重大危險我已經(jīng)試圖在我認為不大會改變的基礎上和那些會被明天更巧妙的技術淘汰的數(shù)據(jù)結構和問題之間建立一個平衡。例如，物理圖譜（如限制圖譜）的基本性質依舊重要。雖然20年來一直關心雙消化問題，它有變成過時的可能。序列裝配也容易受到技術的影響而發(fā)生許多改變。序列比較總是有意義的，并且動態(tài)規(guī)劃算法是一個好的簡單的框架。這些問題都可以嵌入其中，如此等等。

內容概要

本書是Introduction to Computational Biology的中文譯著，本書的意圖是針對有數(shù)學技能的人介紹令人著迷的生物數(shù)據(jù)和問題，并建立更實際的生物數(shù)學的基礎。　　本書共分15章，其中第1章介紹分子生物學的基本常識，第2—4章介紹限制圖譜和多重圖譜，第5、6章研究克隆和克隆圖譜，第7章討論DNA序列相關的話題，第8—11章是共同模式下序列比較問題，第12章涉及序列中模式計數(shù)的統(tǒng)計問題，第13章敘述RNA二級結構的數(shù)學化論述，第14章給出有關序列的進化歷史，最后第15章給出某些關鍵文獻的原始出處．本書結構完整，內容更新、更全面。　　本書適合高等院校數(shù)學和生物專業(yè)的高年級大學生、研究生和教師閱讀參考，也適合科研單位的研究人員參考。

書籍目錄

《生物數(shù)學叢書》序前言數(shù)學符號第0章  引言  0.1　分子生物學  0.2　數(shù)學，統(tǒng)計和計算機科學第1章　分子生物學一些知識    1.1　DNA和蛋白    1.1.1　雙螺旋結構    1.2　中心定理    1.3　遺傳密碼    1.4　轉化RNA和蛋白序列    1.5　基因不簡單    1.5.1　開始與停止    1.5.2　基因表達的控制    1.5.3　割裂基因    1.5.4　跳躍基因  1.6　生物化學  問題第2章　限制圖譜  2.1　引言  2.2　圖  2.3　區(qū)間圖  2.4　片段大小的度量  問題第3章　多重圖譜  3.1　雙消化問題    3.1.1　雙消化問題的多重解  3.2　多重解分類    3.2.1　反射性    3.2.2　重疊等價    3.2.3　重疊尺寸等價    3.2.4　更多的圖論知識    3.2.5　從一條路到另一條路    3.2.6　限制圖譜及邊界塊圖    3.2.7　限制圖譜的盒變換    3.2.8　一個例子    問題第4章　求解DDP的算法  4.1　算法和復雜性  4.2　DDP是NP完全的  4.3　解DDP的方法    4.3.1　整數(shù)規(guī)劃    4.3.2　劃分問題    4.3.3　TSP  4.4　模擬退火法：TSP和DDP    4.4.1　模擬退火法    4.4.2　TSP    4.4.3　DDP    4.4.4　環(huán)狀圖譜  4.5　用真實數(shù)據(jù)作圖    4.5.1　使數(shù)據(jù)符合圖    4.5.2　圖譜算法    問題第5章　克隆與克隆文庫  5.1　有限的隨機克隆數(shù)　5.2　完全消化的文庫  5.3　部分消化的文庫    5.3.1　可克隆基的組分    5.3.2　采樣、方法    5.3.3　設計部分消化文庫    5.3.4　Poisson近似    5.3.5　獲得所有片段    5.3.6　最大表達度  5.4　每個微生物中的基因組　問題第6章  物理基因組圖譜：海洋、島嶼和錨第7章　序列裝配第8章　數(shù)據(jù)庫和快速序列裝配第9章  動態(tài)規(guī)劃、兩個序列比對第10章　多重序列比對第11章　序列比對用到的概率和統(tǒng)計第12章  有關序列模式的概率與統(tǒng)計第13章　RNA二級結構第14章　樹和序列第15章　來源與展望參考文獻附錄  問題解答和提示索引

章節(jié)摘錄

　　第1章　分子生物學一些知識　　本章的目的是提供分子生物學，物別是DNA和蛋白質序列的一個簡單的導引。理想的是，讀者已學過分子生物學或分子化學入門教程，他們可直接讀第2章。入門教程通常超過1000頁，這里我們僅給出幾個基本點。為了啟發(fā)，在后面的一些章節(jié)將介紹更多的生物學知識?！　∩飳W最基本的問題之一是理解遺傳。在1865年，Mendel給出遺傳的抽象、本質的數(shù)學模型，其中，遺傳的基本單位是基因。Mendel的工作一直被遺忘，直到1900年（20世紀初）才被拾起，并在數(shù)學上進行了廣泛的研究，但仍不知道基因的本質。僅僅在1944年才知道了基因由DNA構成。1953年，James Watson和FrancisCrick提出了DNA現(xiàn)在著名的雙螺旋結構。雙螺旋給出了一個DNA分子是怎樣被分開，并變成兩個同樣的DNA分子的物理模型。在他們的文章中出現(xiàn)了科學中最著名的一句話：“我們提出的特定的配對直接蘊涵遺傳物質可能的復制機制，這一點逃不出我們的注意”。復制機制是現(xiàn)代遺傳學的基礎。在Mendel模型中基因是抽象的，Watson和Crick模型則描述了基因本身，提供了對遺傳的深入理解。下面討論大分子的一般性質，包括怎樣由DNA生成RNA和蛋白。然后，更多地給出對這些性質來說是基本的生物化學的某些細節(jié)。

編輯推薦

　　20世紀80年代初始，國內對“生物數(shù)學”發(fā)生興趣的人越來越多，目前從事　　生物數(shù)學研究．學習生物數(shù)學的人數(shù)之多已居世界之首。為了加強交流，在“中國生物數(shù)學學會”和科學出版社的共同努力下，組織了本套《生物數(shù)學書》，宗旨是促進數(shù)學與生物學的相互滲透，促進數(shù)學在生物學中的應用，帶動生物數(shù)學研究的發(fā)展，培養(yǎng)國內生物數(shù)學人才?！　矔w學術專著．教材、科普及譯著，具體包括：　?、偕飻?shù)學、生物統(tǒng)計教材；　?、邤?shù)學在生物學中的應用方法；　?、凵锝?；　?、苌鷳B(tài)學中數(shù)學模型的研究與使用等?！　”緟矔淖x者對象是數(shù)學和生物學相關專業(yè)高年級大學生、研究生、高校教師和科研工作者。

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