生物学工具包概述

对于用户而言,生物学工具包指什么？生物学工具包就是整合到一起的软件包,可以在处理器上运行生物学信息。常见的生物学工具包有BioJava、BioPerl、BioPython和BioRuby。这些工具相应的计算机语言——Java、Perl、Python和Ruby——是无法理解科学研究信息的。然而,其组合而成的工具包却能够理解那些信息背后所代表的化学、生物或其它学科的含义。这些计算机语言不同于人类语言,它们只是生硬地揭示标准和变化。而工具包则可以通过代码揭开计算机语言所蕴含的深层含义,找到通往答案的途径。     

MST技术在生命科学中的应用进展

在生命科学领域中,生物分子间的相互作用具有非常重要的作用。通过分子间相互作用分析不仅可阐明细胞生物学事件,而且为疾病发生机制和药物发现提供基础。MST技术是一种基于检测在温度梯度中的生物分子电泳迁移率的变化而检测生物分子间结合、解离过程,获取分子间相互作用的模式和动力学常数等方面信息的新技术,是近年来发展的研究生物分子相互作用的强有力工具,已广泛应用于生命科学领域研究。本文综述了MST的技术原理、分析方法及其在生命科学领域的应用进展。     

生物样本库是生物医学研究的重要基础

在生物医学研究飞速发展的今天,随着对健康和疾病认识的不断深入,传统的单病因、单基因研究模式已难以胜任复杂疾病的研究.医学科学的发展需要一种能提供疾病相关的、具有普遍意义的、全局式的分子信息数据库.生物样本库在其中所能发挥的关键作用得到了越来越多的重视.它从最初的小作坊模式经过100多年,尤其是近30年的快速发展已经演化成为科研院所和政府支持的生物样本库、商业化生物样本库及以人口为基础的生物银行等多种模式.伴随存储样本数据信息的复杂度不断快速增加,生物样本库除了收集样本相关的基本数据和诊断信息外,还延伸到配套信息,包括参加人和病人的多种表型,到目前已经迅速扩展到基因组学、蛋白质组学及其他的组学信息.如何科学地建设和管理这种大型复杂模式的生物样本库成为医学科学领域亟待规范、解决的问题.本文将从生物样本库的发展入手重点讨论其建设、管理和应用.     

基因水平的关联分析方法

全基因组关联研究(Genome wide association study, GWAS)已经在国内外的医学遗传学研究中得到广泛应用, 但是GWAS数据中所蕴含的与多基因复杂性状疾病机制相关的丰富信息尚未得到深度挖掘。近年来, 研究者采用生物网络分析和生物通路分析等生物信息学和生物统计学手段分析GWAS数据, 并探索潜在的疾病机制。生物网络分析和生物通路分析主要是以基因为单位进行的, 因此必须在分析前将基因上全部或者部分单个单核苷酸多态性(Single nucleotide polymorphism, SNP)的遗传关联结果综合起来, 即基因水平的关联分析。基因水平的关联分析需要考虑单个SNP的遗传关联、基因上SNP数量和SNP之间的连锁不平衡结构等多种因素, 因此不仅在遗传学的概念上也在统计方法方面具有一定的复杂性和挑战性。文章对基因水平的关联分析的研究进展、原理和应用进行了综述。     

中药网络药理学研究中的生物信息学方法

为了更有效地治疗癌症、心血管疾病、免疫系统疾病等复杂疾病,基于分子网络的多靶点药物发现理念逐渐成为一种新的趋势,而中药整体、辨证、协同的用药观再一次引起了药物发现领域的极大兴趣。中药在治疗复杂慢性疾病方面有确切的疗效和较小的毒副作用。中药网络药理学从分子网络调控的水平上阐明中药的作用机制,为多靶点药物发现提供有益的启示和借鉴,并有可能从临床有效的中药反向开发现代多组分、多靶点新药。针对基于生物分子网络的中药药理学研究路线中的4 个步骤,介绍近年来中药网络药理学研究中相关的生物信息学方法。     

三维工程化肿瘤模型的构建及应用

肿瘤微环境指肿瘤细胞发生及转移所处的复杂三维环境。传统研究多让细胞生长在二维培养瓶或培养皿中,缺少肿瘤转移过程中复杂的细胞-细胞和细胞-基质间的动态联系,难以反映肿瘤组织的自身特点以及阐明肿瘤细胞转移的机制,也限制了有效药物的准确检测。为阐明原发性肿瘤微环境的特点,多种生物模拟的三维工程化肿瘤模型已被用于实验和临床研究,即将肿瘤基质细胞、基质组分、生物化学和生物物理学信号整合于同一个时空系统。本文总结了典型三维工程化肿瘤的构建及应用。     

用活体小动物SPECT/CT影像系统检测纳米材料和药物在体内的生物效应

研究疾病在小动物模型体内的动态生物过程促进了高分辨率影像学方法的发展。这些方法能够阐明疾病或肿瘤在发生和发展过程中的分子相互作用,评价药物和显影剂的生物效应,并可动态连续监测药物在同一个体的治疗效果。单光子发射型计算机断层成像仪(single photon emission computed tomography,SPECT)在这些应用中具有很多优势。应用SPECT对标记核素发射的γ-射线信号探测分析,可获得病变组织或药物的三维空间分布信息。SPECT联合X-射线诊断设备CT(computed tomography)组成的SPECT/CT系统可辅助界定生物过程的解剖学背景,提高SPECT数据的定位准确度。文章概述了小动物SPECT/CT的特点、成像原理、核素的选择,及其在纳米材料和药物(如脂质体、碳纳米管、纳米粒包括聚合物、胶束和量子点等)方面的应用和研究进展。     

神经系统中一种新型的潜在治疗工具——外泌体

外泌体(exosomes)是一种由细胞分泌到胞外空间的纳米囊泡(nanovesicles),在神经系统中参与许多生理病理过程。大量研究表明,在神经系统中,外泌体可以作为细胞通讯的信使,参与复杂的细胞间信息交流。同时,外泌体也可作为诊断疾病的生物标志物及小分子物质传递载体,在治疗神经系统疾病中发挥着至关重要的作用。因此,exosomes有望成为治疗神经系统疾病的重要工具。该综述首先阐述了外泌体的基本特性,包括合成、存储、分离等;其次,讨论了间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)分泌的外泌体在神经退行性疾病的诊断和治疗中的作用;最后,讨论了外泌体作为治疗神经系统疾病的新型工具将面临的挑战。该综述阐明了外泌体这一快速进展领域及其在神经系统疾病中的作用,特别是其治疗应用的最新进展。     

应用DNA芯片数据挖掘复杂疾病相关基因的集成决策方法

DNA芯片技术的迅速发展, 可同时检测成千上万个基因的表达谱数据, 为生命科学家们从一个全新的角度阐明生命的本质提供了可能性. 目前, 基因表达谱分析的工作大多集中在对癌症等疾病分类、疾病亚型识别等方面, 而从这些基因表达谱信息中挖掘反映疾病本质特征的相关基因, 是一项在后基因组时代更具挑战意义的科学研究, 基因挖掘由于缺少理想的数据挖掘技术而被忽视. 我们提出了一种新颖的特征基因挖掘的集成决策方法, 目的在于解决三个重要的生物学问题: 生物学分类及疾病分型、复杂疾病相关基因深度挖掘和目标驱使的基因网络构建. 我们成功地将此集成决策方法应用于一套结肠癌DNA表达谱数据, 结果显示这一新颖的特征基因挖掘技术在应用DNA芯片数据分析、挖掘复杂疾病相关基因等方面具有很高的价值.     

九香虫防御分泌物的作用网络分析

【目的】释放防御分泌物在生物的进化、天敌防御、信息传递及生长发育和繁殖过程中具有重要作用。本文旨在探究网络药理学方法用于生物防御分泌物研究的可行性。【方法】以九香虫Aspongopus chinensisDalls为例,在已知其防御分泌物成分的基础上,运用网络药理学和生物信息学方法分析生物分泌物的作用。【结果】九香虫防御分泌物成分复杂,且5/12的成分未在数据库中预测到靶点,相关研究缺乏;生物信息分析结果表明,防御分泌物的作用靶点分布广泛,在代谢、信息传递等生物进程及酶、受体功能活性等分子功能上扮演了重要角色,且可能与化学致癌、信息传递及生殖细胞成熟等多种通路密切相关。【结论】九香虫防御分泌物成分复杂,且具有信息传递和机体代谢等功能活性。     

复杂疾病靶基因识别与网络重建的计算系统生物研究

复杂疾病相关靶基因的识别、构建疾病驱使相关基因网络及进行疾病机制研究,是功能基因组学研究中非常重要的科学问题。文章以计算系统生物学的观点和三维的角度,综述了基于生物谱（SNP遗传谱、芯片表达谱和2D-PAGE蛋白质谱等）的复杂疾病靶基因识别、多水平（SNPs虚拟网络、基因调控网络、蛋白质互作网络等）遗传网络逆向重构方法,及不同水平的网络之间在生物学和拓扑学上的纵向映射关系,并给出复杂疾病靶基因识别与网络关系的计算系统生物方法研究的未来展望。     

化学蛋白质组学及其在新药开发中的应用

人类基因组计划提供的大量信息,很可能会掀起一场方法学上的革命,加速研究复杂生物体系的进程.但如何充分利用这些信息,从中挖掘出更好的方法,用于人类疾病的治疗?化学蛋白质组学的出现,提供了一种新方法,便于信息的提取,将加速从有效靶点建立到新药发现的进程.     

SCtool:识别复杂性状和疾病间遗传关联的工具

识别复杂性状和疾病间遗传关联可以提供有用的病因学见解,并有助于确定可能的因果关系的优先级。尽管已有很多工具可以实现复杂性状和疾病间遗传关联,但是某些工具代码可读性差、并且不同工具基于不同的计算机语言、工具间的串联性较差。因此,本研究基于全基因组关联研究(GWAS)数据,提出了SCtool,一个开源、跨平台和用户友好的软件工具。SCtool整合了ldsc, TwosampleMR和MR-BMA三种软件,其主要功能是基于GWAS汇总水平的数据,识别复杂性状和疾病、复杂性状和复杂性状以及疾病与疾病间的遗传相关性并探究其间潜在的因果关联。最后,使用SCtool揭示了全身性铁状态(铁蛋白,血清铁,转铁蛋白,转铁蛋白饱和度)与表观遗传时钟GrimAge之间的遗传关联。     

权重基因共表达网络分析在生物医学中的应用

高通量生物监测方法可以同时检测同一样本的上千个参数,其在生物医学中的应用越来越广泛,但如何系统地分析并从高通量数据中挖掘有用信息,仍是一项重要的课题。网络生物学的出现使人们对复杂生物系统有了更深刻的理解,组织/细胞功能执行具有模块化特点。目前,相关网络(Correlation network)被越来越多地应用于生物信息学,权重基因共表达网络分析(Weighted gene co-expression network analysis,WGCNA)是描述样品基因表达相关模式的一种系统生物学工具。在此,对WGCNA在疾病分型及预后、发病机制和其他相关领域研究进展作一个较为系统的综述。首先,对WGCNA的原理、分析流程和优势缺点进行总结。其次,介绍如何用WGCNA研究疾病、正常组织、药物、进化和基因组注释。最后,结合新高通量技术展望WGCNA应用新空间。以期科研工作者能够对WGCNA的应用有所了解。     

MATLAB7．X生物信息工具箱的应用-基因芯片分析（三）

本文主要介绍生物信息工具箱在基因芯片图像和数据处理方面的应用,通过基因芯片数据的基因表达图谱研究基因表达水平,比较健康组织和病变组织的区别,并且观察药物应用所造成的变化。以健康小鼠和帕金森疾病小鼠脑基因的表达情况和差别的分析为例,介绍生物信息工具箱用于标准化处理基因芯片数据,分析和可视化基因表达谱方面的应用。     

PCR技术在环境生物学上的应用

ＰＣＲ技术在环境生物学上的应用邱东茹,吴振斌（中国科学院水生生物研究所武汉４３００７２）水是许多疾病的传播途径之一,为监测水环境、水处理系统和供水系统的卫生学质量,需要对水中的病原菌和病毒作检测,由于直接检查水中各种病原微生物方法复杂,如有些细菌很难...     

遗传风险评分在复杂疾病遗传学研究中的应用

心血管疾病、2型糖尿病、原发性高血压、哮喘、肥胖、肿瘤等复杂疾病在全球范围内流行,并成为人类死亡的主要原因。越来越多的人开始关注遗传易感性在复杂疾病发病机制中的作用。至今,与复杂疾病相关的易感基因和基因序列变异仍未完全清楚。人们希望通过遗传关联研究来阐明复杂疾病的遗传基础。近年来,全基因组关联研究和候选基因研究发现了大量与复杂疾病有关的基因序列变异。这些与复杂疾病有因果和(或)关联关系的基因序列变异的发现促进了复杂疾病预测和防治方法的产生和发展。遗传风险评分(Genetic risk score,GRS)作为探索单核苷酸多态(Single nucleotide polymorphisms,SNPs)与复杂疾病临床表型之间关系的新兴方法,综合了若干SNPs的微弱效应,使基因多态对疾病的预测性大幅度提升。该方法在许多复杂疾病遗传学研究中得到成功应用。本文重点介绍了GRS的计算方法和评价标准,简要列举了运用GRS取得的系列成果,并对运用过程中所存在的局限性进行了探讨,最后对遗传风险评分的未来发展方向进行了展望。     

虚拟生物实验室简介

试以虚拟现实的含义为出发点。阐明虚拟生物实验的内涵,探讨了虚拟生物实验室在生物学教学中的意义、应用时的注意点以度在中小学中的应用的前景。     

MATLAB 7.X生物信息工具箱的应用——基因芯片分析(三)

本文主要介绍生物信息工具箱在基因芯片图像和数据处理方面的应用,通过基因芯片数据的基因表达图谱研究基因表达水平,比较健康组织和病变组织的区别,并且观察药物应用所造成的变化.以健康小鼠和帕金森疾病小鼠脑基因的表达情况和差别的分析为例,介绍生物信息工具箱用于标准化处理基因芯片数据,分析和可视化基因表达谱方面的应用.     

mRNA差别显示技术研究进展及其在水稻中的应用

随着基因组计划的顺利实施,大量的生物信息被解析,分离和鉴定差异表达基因已成为分子生物学研究的热点.mRNA差别显示技术(DDRT-PCR)是目前有效筛选、分离差异表达基因的方法之一.就DDRT-PCR的基本原理、存在的问题及相应的改进方法作了简要概述.阐明了该技术在水稻生长发育、杂种优势、抗逆性基因研究中的应用、取得的成绩,最后对该技术在水稻突变体及抗药性上的应用前景做了有益探讨.