結構生物信息學

前言

　　結構生物學和信息學研究領域的快速發(fā)展值得我們高度重視。這些領域的發(fā)展不僅引起了傳統實驗室生物學家的興趣，而且還吸引了包括政治家、世界各國政府和工業(yè)界在內的目光。這個領域給予年輕科學家的研究和工作機會超過了研究成果產生的步伐，呈現出一種非典型但精彩紛呈的境況。確實，對于今天正在接受這個領域教育和訓練的人們而言，所面對的機會實際上是無可限量的。這種機會和優(yōu)勢集中體現在結構生物學與信息學的相互交叉與融合，這本書的出版是如此的及時，可以引導我們進入一個新的研究領域。在提供結構生物信息學第一本著作的工作方面，Philip E．Bourne和Helge weissig分別針對他們各自研究領域的問題，作為最主要的權威研究者做出了各自應有的貢獻。這本書完全抓住了生物發(fā)現研究中的突破口，或者說生命科學的前沿問題。這些處在計算科學和生物學之間的前沿問題自身反映了幾十年來在兩個研究領域發(fā)生的重大進步和變革性進展。事實上，經過若干年的發(fā)展，這些研究領域自身就會逐漸地成熟起來，并反過來為自身領域的發(fā)展產生更為重大的作用和意義。然而，在過去的最后十年里，由各國政府支持和提供的科研基金并沒有在生物信息系統方面發(fā)揮應有的作用；與之相類似的是，由于缺乏進行數據整合和生物學模建的工具和手段，在更為深入的系統水平對生物學認知研究的腳步無法跟上技術發(fā)展和變革的步伐，從而導致這些技術雖然增強了基于試驗的發(fā)現能力以及數據的收集能力，但卻無法增強更高層次的整合，進而到達生物系統學的層面。今天，伴隨著不斷增加的經費支持機會以及來自實驗科學領域的關注，我們已經走到了根本性轉變的十字路口，就像這本書直接呼吁和強調的那樣，要將信息科學技術和定量化的方法同時應用在基礎和應用生命科學的研究中！　　早期的幾代生物信息科學的先行者和實踐者，他們當中的絕大多數是來自于物理科學和工程學研究領域。當大的制藥企業(yè)逐漸意識到生物信息的重要性時，在研究基金的資助下，他們離開了原有的學術環(huán)境，投身到生物信息學的研究領域當中。結果，我們失去了一些原有人才的產生機會，這些人當中的許多位如果沒有選擇從事這個領域的研究工作，或者說沒有接受相關的培訓，他們今天應該已經成為杰出的人物。畢竟工業(yè)界存在和提供的機會要大得多。今天，提供具有最好質量的，表述清晰的教科書是十分重要的，這也是為什么我們要費盡周折選取和確定合適的課程和內容，用于培訓第一代將來有可能成為真正的生物信息學家的學生。為了教授和培訓大量的愿意致力于生物信息學研究的年輕科學家，或者更為通俗地講，擴大和增加可以將信息技術應用于高通量生物學研究的群體，需要提供最為權威的處理方式，以提供最為堅實的基礎，進而推動新一代科學家的誕生。這樣一項工作的實施最好也要獲得很大的受眾群，包括那些希望重新進行自我培訓的已經成熟的科學家，同時需要建立在全世界各個地方都通用的培訓標準和規(guī)則。這本書極好地滿足和實現了這些要求和目標，是我們當中致力于研究和理解結構和功能之間相互影響關系的每一個人必讀的書籍。

內容概要

本書共分29個章節(jié)，主要對結構生物信息學的基礎知識作了介紹，具體內容包括蛋白質結構基礎原理、PRoTEIN DATA BANK、識別蛋白質中的結構域、結構信息學與藥物發(fā)現、CASP和CAFASP實驗及其發(fā)現等。該書可供各大專院校作為教材使用，也可供從事相關工作的人員作為參考用書使用。

書籍目錄

第1部分  簡介  第1章  定義生物信息學與結構生物信息學  第2章  蛋白質結構基礎原理  第3章  DNA和RNA結構基礎原理  第4章  高通量結晶技術與高分子結構解析中的計算技術  第5章  生物大分子結構解析與NMR波譜技術  第6章  電鏡  第7章  分子圖形學第2部分  數據描述和數據庫  第8章  PDB、mmCIF及其他數據格式  第9章  PRoTEIN DATA BANK  第10章  核酸數據庫  第11章  其他基于結構的數據庫第3部分  比較特征  第12章  蛋白質結構進化和SCOP數據庫  第13章  CATH數據庫  第14章  結構質量驗證  第15章  全原子接觸：一個確認結構的新方法  第16章  結構比較與比對第4部分  結構和功能測定  第17章  二級結構測定  第18章  識別蛋白質中的結構域  第19章  從蛋白質結構推測其功能第5部分  蛋白質相互作用  第20章  從進化信息預測蛋白質-蛋白質相互作用  第21章  靜電相互作用第6部分  作為藥物靶標的蛋白質  第22章  對接的原理、方法及配體設計  第23章  結構信息學與藥物發(fā)現第7部分  結構預測  第24章  CASP和CAFASP實驗及其發(fā)現  第25章  同源建模  第26章  折疊類型識別方法  第27章  從頭預測方法第8部分  未來  第28章  一維預測：二級結構、跨膜螺旋以及溶劑可及性  第29章  結構基因組

章節(jié)摘錄

　　第1章　定義生物信息學與結構生物信息學　　1.1　什么是生物信息學？　　生物信息學的準確定義不無爭議。有人將其狹義定義為開發(fā)用于存儲和處理基因組信息的數據庫。另有人將其定義拓寬到包括計算機生物學的全部?；谠诋斍翱茖W文獻中的應用，生物信息學可以定義為對分子生物學中兩類信息流的研究（Altman，1998）。其中第一類信息流源于分子生物學的中心法則：DNA序列被轉錄為mRNA序列，后者被翻譯為蛋白質序列。蛋白質序列繼而折疊為具功能的三維（3D）結構。按照達爾文理論，這些功能被生物體的環(huán)境所選擇，從而驅動群體中DNA序列的進化。因此，第一類的生物信息學應用關注于中心法則中任一階段的信息傳遞，包括DNA序列中基因的組織與控制、確定DNA中的轉錄單位、從序列預測蛋白質結構以及分子功能分析?！　〉诙愋畔⒘魇腔诳茖W方法：提出關于生物學活動的假設，設計實驗以驗證這些假設，評估結果與假設的相容性，然后根據實驗數據對原假設作擴展或修正。第二類的生物信息學應用關注于這一流程中的信息傳遞，包括產生假設、設計實驗、通過數據庫將實驗結果組織起來、檢驗數據與模型的相容性以及修正假設的各個系統?！　”M管其應用仍在演化中，但通常不用生物信息學來描述針對生物學中細胞水平之上的問題的計算方法。那些以高通量形式產生數據的實驗技術——如DNA測序、質譜、微陣列表達分析（Miranker，2000；Ahman和Raychaudhuri，2001；GISC，2001；Venter等，2001）——的出現驅動了對生物信息學興趣的驟增。生物信息學依存于那些由于過于復雜而無法進行手工分析的大數據集的可獲得性。如蛋白質數據庫（Protein Data Bank或PDB0，參見第9章；Berman等，2000）等數據庫中3D大分子結構數目的快速增加推動了生物信息學的一個分支——結構生物信息學的出現。結構生物信息學是生物信息學中關注于在原子和亞細胞空間尺度上結構信息表述、存儲、獲取和分析的分支。

媒體關注與評論

　　“這本書…對于所有致力于研究和理解結構與功能之間的相互影響的每個人都是一本必讀的好書……”　　——加利福利亞大學圣地亞哥分?！「毙ｉL

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