GPGPU加速生物序列比对研究进展

序列比对是生物信息学中最常用和最经典的研究手段。生物序列比对需要有强大计算能力的硬件支撑,而近年快速发展起来的GPGPU正好可堪此任。本文首先介绍GPGPU的发展过程,进而讲述GPGPU硬件设备与其编程环境,然后对GPGPU做科学计算时需要的数学库函数做一介绍,最后综述近年来国内外基于GPGPU的生物序列比对软件和相关研究工作,并总结和展望其辉煌前景。     

人类Y染色体回文序列紧邻核苷酸的语言特征

人类基因组Y染色体回文序列具有非常特殊的对称结构,容纳了许多控制着睾丸发育的基因,破译其结构与所隐含的遗传信息成为生物信息学家们的机遇和挑战.利用语言学中Zipf定律的方法分析了Y染色体八个回文序列(P1～P8)中紧邻核苷酸的频率及其关联度的分布特征。用数学模型进行了精确地描述,发现紧邻核苷酸的频率分布并不满足Zipf定律,而满足三次多项式分布及紧邻核苷酸关联度的分布,满足逆函数分布,这些特征是人类Y染色体回文序列长期进化的结果。     

血清白蛋白序列中的相似氨基酸突变特点分析

血清白蛋白是必不可少的生命物质,在生命运动和发展延续中起着重要的作用。它不仅能维持正常的血浆渗透压,最重要的是能够储存和运输众多的内源性和外源性物质。本文利用生物信息学的方法分析了几种不同物种的血清白蛋白的结构信息和疏水性特点,研究表明人、牛、猴、兔、狼、猫的血清白蛋白序列均属于亲水性蛋白质,在100 bp以内的疏水性值差别比较明显。通过对血清白蛋白进行多序列比对分析,发现兔血清白蛋白的氨基酸突变的数目是最多的。在这几种血清白蛋白序列中,氨基酸突变更容易发生在结构相似、极性相似和能量比较接近的氨基酸之间,如D和L、E和D。对于人血清白蛋白来说,从疏水性的丙氨酸A到酸性的谷氨酸E的突变比较多,使得人血清白蛋白在进化过程中的亲水性增强,是个很好的储存和运输小分子的载体。这些基于生物信息学方面的血清白蛋白的突变及其进化关系的研究,为进一步研究药物与血清白蛋白的相互作用在其他物种中表现和特点提供了良好的基础。     

血清白蛋白与降血糖药物相互作用的关键位点分析

用生物信息学的方法分析不同物种的血清白蛋白的亲缘关系,分析降血糖药物米格列醇和伏格列波糖与人血清白蛋白相互作用位点在其他亲缘关系较近的物种中相应的氨基酸变化特点。结果表明米格列醇、伏格列波糖与人血清白蛋白的结合位点都位于人血清白蛋白亚区IB的疏水腔中,其间的主要作用力是氢键和疏水作用力。米格列醇和伏格列波糖与血清白蛋白结合位点处的氨基酸在其他物种中大部分都是保守的,只有少数的氨基酸不同,且极性也不相同。血清白蛋白疏水性分析发现米格列醇和伏格列波糖与血清白蛋白结合位点处的氨基酸中亲水性的较多,疏水性的少,在其他4个亲缘关系较近的物种也具有同样的现象。这些分析结果为进一步研究降血糖药物在其他物种中的表现及相互作用等提供了重要的科学依据。     

α-葡萄糖苷酶与米格列醇相互作用及其进化关系

用生物信息学的方法分析不同物种的α-葡糖糖苷酶的亲缘关系,分析降血糖药物米格列醇与甜菜(Beta vulgaris)的α-葡糖糖苷酶相互作用位点在其他亲缘关系较近的物种中相应的氨基酸变化特点,结果表明米格列醇位于一个凹向酶分子内部的狭窄的结合口袋中,其间的相互作用主要以静电相互作用、氢键和范德华力为主。由于米格列醇的强水溶性和多羟基的特点,与酸性的天冬氨酸之间形成多个Ο-Η氢键,对甜菜(Beta vulgaris)的α-葡萄糖苷酶具有较好的抑制作用。通过TMHMM预测甜菜(Beta vulgaris)的α-葡萄糖苷酶的序列,结果未发现跨膜区。通过多序列比对发现,在米格列醇与甜菜(Beta vulgaris)的α-葡萄糖苷酶相互作用位点处的氨基酸中,在与其亲缘关系较近的5个物种茶(Camellia sinensis),黄瓜(Cucumis sativus),木本棉(Gossypium arboretum),甘庶属割手密(Spontaneum)和蒺藜状苜蓿(Medicago truncatula)中有81.82%的氨基酸都是保守的,且主要是极性的氨基酸,如色氨酸和天冬氨酸。这为进一步研究降血糖药物在其他物种中的表现及相互作用提供了重要的科学依据。     

A/H7N9流感病毒神经氨酸酶进化分析

世界卫生组织报道2013年在中国出现首例人感染H7N9流感病毒病例,这在我国一定的范围内造成了危害,引起了恐慌,因此利用生物信息技术对其进行研究显得十分必要。神经氨酸酶NA是流感病毒最重要的抗原之一,也是抗流感药物的重要作用靶点。从美国国家生物技术信息中心(National Center for Biotechnology Information,NCBI)数据库下载A/H7N9流感病毒NA基因核酸序列及其编码蛋白序列,利用MEGA5.0软件对核苷酸编码序列构建系统进化树,利用BioEdit软件进行比对,分别作核苷酸与氨基酸同源性计算,继而分析NA基因重要位点变异情况,结果显示H7N9流感病毒传播呈现一定的地域关系和时间关系,2013年流行的中国的毒株属于亚欧型,其NA茎区发生了比较明显的变异,这也许是该病毒感染人类的原因之一。这些分析结果对于研究H7N9流感病毒基因的进化关系和变异趋向具有重要的参考价值。     

异鼠李素和异鼠李素-3-O-葡萄糖苷的抗氧化活性分析

槲皮素类化合物是众多黄酮类中活性最高的化合物之一,在医药方面有很强的药效功效。本研究选取两种槲皮素类黄酮化合物异鼠李素和异鼠李素-3-O-葡萄糖苷作为目标化合物,运用Gaussian 09软件密度泛函(DFT)方法从分子总能量、OH解离焓(BDE)的理论表征、前线分子轨道及其轨道能级、原子的净电荷布居等方面研究异鼠李素和异鼠李素-3-O-葡萄糖苷的抗氧化活性。结果表明,异鼠李素活性大于异鼠李素-3-O-葡萄糖苷,两类分子4'位的酚羟基失去氢之后对抗氧化活性的整体影响是最大的,酚羟基在这个位置上就具有较明显的高活性特征,分子中引入的糖苷不参与前线分子轨道的形成,不具有消除自由基活性的作用,但它对于分子本身的极性有很大的影响,可以改变分子在机体反应时的溶解度和吸收度。这对进一步深入研究槲皮素类黄酮化合物的抗氧化活性以及抗氧化剂的结构改良等提供了重要的科学依据。     

人类和黑猩猩Y染色体结构和基因含量的差异性

解读人类和黑猩猩之间的差异性对于研究人类的进化历史具有非常重要的意义。人类和黑猩猩Y染色体相继测序完毕,利用dot-plot程序可以分析它们之间的差异性。研究结果显示,人类和黑猩猩MSY区在结构和基因含量上有很大的差异,人类MSY常染色质主要由扩增序列、X退化序列和X转座序列组成,而黑猩猩MSY常染色质主要由扩增序列和X退化序列组成。黑猩猩的MSY区含有19个回文序列,而人类只有8个回文序列。黑猩猩MSY区的基因只包含了人类MSY区基因的三分之二。通过分析可以推测,黑猩猩和人类MSY之间的显著差异主要来源于四个因素的协同作用:MSY在精子生成中的主要作用;MSY区内频繁的异常重组;减数分裂交叉重组中的"遗传便车"效应;配偶行为引起的精子的竞争。综合比较黑猩猩和人类Y染色体结构和基因含量将对研究Y染色体的进化历史及其动力产生非常重要的意义。     

基于密度泛函理论研究Watson–Crick碱基对中的氢键特征(英文)

基于密度泛函理论(DFT)研究腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤、胞嘧啶以及腺嘌呤胸腺嘧啶碱基对、鸟嘌呤胞嘧啶碱基对。在DFT-B3LYP/6-31G**水平上利用自然键轨道理论分析研究结果显示,互补碱基对的结构和电子特征有利于氢键的形成。本文中讨论几何结构、电子结构、分子轨道和能量对于氢键形成的影响。此研究结果将有助于更好的理解AT和GC碱基对中氢键与它们的结构特性之间的关系。