生物計(jì)算

前言

　　生物計(jì)算中的理論、方法與應(yīng)用越來越被生物、醫(yī)學(xué)及其他醫(yī)務(wù)工作者所需要與關(guān)注，特別是在人類基因組計(jì)劃實(shí)施以來，該學(xué)科的發(fā)展與研究更凸顯出重要的作用?；颉⒒蚪M、蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)組等生物學(xué)信息的數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存與分析及其生物學(xué)意義，是生物計(jì)算乃至生物、醫(yī)學(xué)與醫(yī)藥的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。因此在國(guó)內(nèi)外的許多醫(yī)科院校均被作為重要課程，與生物信息學(xué)和生物計(jì)算相關(guān)內(nèi)容的課程不僅是研究生的必修課程或選修課程，也是多個(gè)專業(yè)本科生的專業(yè)必修課程或選修課程。我們先后用了近三年的時(shí)間，在開展教學(xué)和研究工作的同時(shí)編寫了本書，目的是為生物學(xué)和醫(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)的本科生與研究生提供一本既通俗易懂，同時(shí)又可深入了解相關(guān)內(nèi)容的教材，為該學(xué)科的建設(shè)與發(fā)展服務(wù)。　　自2004年以來，本人有幸多次參加南開大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院沈世鎰教授主持的“生物信息學(xué)”討論班。在討論與學(xué)習(xí)過程中，不僅掌握了一些解決生物序列分析與計(jì)算的具體算法，更重要的是學(xué)到了解決生物序列分析的一些新方法和新思想。如生物序列的多種比對(duì)算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的語義分析及其在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用等。這些方法從不同角度對(duì)生物計(jì)算中的有關(guān)問題進(jìn)行研究與探討，并在許多方面得到了很好的應(yīng)用。在學(xué)習(xí)過程中，與南開大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院胡剛、王奎博士等合作，對(duì)生物計(jì)算中的算法以及相關(guān)軟件包的使用等問題有了更深入與確切的理解，使本書得以順利完成。我們希望能將該領(lǐng)域中的主要內(nèi)容與方法介紹給讀者?！　　吧镉?jì)算”與“生物信息學(xué)”在本質(zhì)上無大的區(qū)別，國(guó)內(nèi)外的許多院校均把它們看作同一領(lǐng)域的學(xué)科。在本書中，我們把“生物計(jì)算”看作較偏重于原理與方法，同時(shí)注重它們的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用，在介紹國(guó)外先進(jìn)與常用算法的同時(shí)，增加了相應(yīng)軟件包的使用與分析等內(nèi)容。

內(nèi)容概要

本書介紹生物計(jì)算中的幾種主要方法，如序列比對(duì)、系統(tǒng)發(fā)育分析、蛋白質(zhì)序列的語義分析與結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、基因識(shí)別與生物芯片的數(shù)據(jù)分析等，給出它們的基本問題與有關(guān)的方法及應(yīng)用。全書由三部分組成，第一部分介紹這些問題的由來與主要內(nèi)容，給出它們的基本原理、計(jì)算與分析方法及應(yīng)用意義，同時(shí)介紹一些國(guó)際上較為通用的軟件包，第二部分是生物學(xué)備忘錄，介紹有關(guān)生物學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，第三部分是數(shù)學(xué)備忘錄，介紹與這些生物計(jì)算有關(guān)的數(shù)學(xué)理論與方法。    本書可作為數(shù)學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)等專業(yè)的本科生或研究生教材，其中第一部分內(nèi)容可作為各專業(yè)的公共部分，而第二、三部分內(nèi)容可供各專業(yè)適當(dāng)選用。

書籍目錄

《數(shù)學(xué)與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)叢書》序前言第一部分  基本方法  第1章  生物序列突變與比對(duì)分析    1.1  生物序列突變與比對(duì)問題      1.1.1  生物序列的類型與結(jié)構(gòu)      1.1.2  生物序列突變與比對(duì)問題的意義與應(yīng)用      1.1.3  生物序列比對(duì)的原理與方法    1.2  二重序列比對(duì)的有關(guān)算法      1.2.1  關(guān)于動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的一些說明      1.2.2  動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法      1.2.3  統(tǒng)計(jì)判決算法的基本思想      1.2.4  BLAST軟件的使用    1.3  多重序列的比對(duì)問題      1.3.1  MSA的意義與概況      1.3.2  MSA的定義與優(yōu)化準(zhǔn)則    1.4  MSA算法與計(jì)算      1.4.1  MSA算法的基本概念      1.4.2  MSA的算法步驟      1.4.3  ClustalW軟件的使用      1.4.4  關(guān)于MSA的幾點(diǎn)說明      1.4.5  幾個(gè)多重序列比對(duì)應(yīng)用例子    1.5  SPA算法的原理與計(jì)算      1.5.1  SPA算法的基本原理      1.5.2  SPA算法的基本步驟      1.5.3  SPA算法源碼      1.5.4  SPA算法的有關(guān)問題討論      1.5.5  SPA算法的一個(gè)實(shí)例計(jì)算    習(xí)題與思考  第2章  系統(tǒng)發(fā)育分析  第3章  蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的語義分析  第4章  蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)  第5章  基因識(shí)別  第6章  基因表達(dá)數(shù)據(jù)分析第二部分  生物學(xué)備忘錄  第7章  核酸與DNA  第8章 氨基酸與蛋白質(zhì)  第9章  基因與基因組  第10章  生物信息數(shù)據(jù)庫(kù)第三部分  數(shù)學(xué)備忘錄  第11章  智能計(jì)算理論與算法  第12章  概率、信息與統(tǒng)計(jì)  第13章  隨機(jī)過程  第14章  有關(guān)圖與樹的基本知識(shí)參考文獻(xiàn)索引《數(shù)學(xué)與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)叢書》已出版書目

章節(jié)摘錄

　　（2）重復(fù)序列與基因交叉問題。由人類基因組與各種不同類型生物體基因組的測(cè)定發(fā)現(xiàn)，在同一生物體（尤其是在高等生物體）的基因組中，存在大量基因的重復(fù)與交叉問題。所謂重復(fù)序列，就是在同一基因組中一些DNA片段重復(fù)出現(xiàn)，這些片段有長(zhǎng)有短，較長(zhǎng)的片段長(zhǎng)達(dá)數(shù)百萬，有的片段雖短，但可能重復(fù)出現(xiàn)數(shù)百萬次。這種重復(fù)不是簡(jiǎn)單一致定義下的相同，而是在一定相似率定義下的重復(fù)，因此必須通過序列的比對(duì)才能發(fā)現(xiàn)并確定這些重復(fù)序列。　　基因的交叉就是同一基因在基因組中往往由多條不同的DNA片段組成，在生物學(xué)中稱這些組成基因的不同片段為外顯子，中間間隔部分稱為內(nèi)含子，在基因編碼成蛋白質(zhì)時(shí)，內(nèi)含子被切除，部分外顯子排列的次序會(huì)發(fā)生重疊或顛倒，生物學(xué)中稱這種現(xiàn)象為基因交叉，這種交叉結(jié)構(gòu)的分析同樣需要序列的比對(duì)計(jì)算。

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