实用生物信息技术课程教学实例

介绍"实用生物信息技术"研究生课程的5个教学实例。以血红蛋白序列和结构为例,介绍常用生物信息技术和分析方法,包括蛋白质和核酸序列相似性比对、蛋白质和核酸序列数据库检索、Blast数据库相似性搜索、分子系统发生树构建,以及蛋白质结构比较分析等。     

基于DTW距离的DNA序列相似性分析

在DNA序列相似性的研究中,通常采用的动态规划算法对空位罚分函数缺乏理论依据而带有主观性,从而取得不同的结果,本文提出了一种基于DTW（Dynamic Time Warping,动态时间弯曲）距离的DNA序列相似性度量方法可以解决这一问题．通过DNA序列的图形表示把DNA序列转化为时间序列,然后计算DTW距离来度量序列相似度以表征DNA序列属性,得到能够比较DNA序列相似性度量方法,并用这个方法比较分析了七种东亚钳蝎神经毒素（Buthusmartensi Karsch neurotoxin）基因序列的相似性,验证了该度量方法的有效性和准确性．     

拓扑指数在生物序列相似性比较中的应用

在生物序列的二维图形表示的基础上,利用Balaban指数和信息分布指数比较生物序列的相似性,我们以包括人类等9种不同物种的DNA序列和yar029w等6种蛋白质为例来说明该方法的使用．     

一种新型的基于图像的DNA序列可视化模型

传统的DNA序列可视化模型局限于短DNA序列的可视化,并且缺乏对可视化图形的通用分析方法。因此,文章提出了一种基于图像的DNA序列可视化模型,这种模型通过将一维的DNA序列转换为二维的256色的灰度图像,可以实现长DNA序列的可视化,具有很高的空间紧密性。借助成熟的图像处理方法来分析DNA可视化图像,可以获取原始DNA序列的规模、4种不同碱基的分布、无序程度等重要信息。通过比较不同DNA序列的可视化图像,可以获取这些序列的相似性信息。     

植物LTR类反转录转座子序列分析识别方法

LTR类反转录转座子(Long terminal repeat retrotransponson)是真核生物中的一类重要转座元件,具有分布广泛、异质性高等特点,在真核生物基因组进化中起着重要作用,现广泛应用于植物的基因功能分析和遗传多样性研究等方面。LTR类反转录转座子的序列识别是其应用的前提条件,因此对LTR类反转录转座子的序列鉴定和分析方法的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。LTR类反转录转座子序列的生物信息学分析软件按原理可大致分为序列比对分析和相关序列保守区域识别鉴定两类。比对软件如BLAST、DNAstar等,是一种序列相似性搜索程序,通过与已知的反转录转座子序列比对后的序列相似性来判断未知序列是否是反转录转座子序列,但这类软件不能直接获得具体的LTR等特征序列的相关信息,不能对反转录转座子序列的全长进行识别。识别鉴定软件按原理可分为从头算起法、比较基因组法、同源搜索法和结构基础法4种,如LTR-Finder等基于从头算起法的识别鉴定软件,可对LTR类反转录转座子全序列进行较准确地预测和注释,RepeatMasker等基于同源搜索法的软件,通过与数据库中的序列的相似性比对后发现可能存在的LTR类反转录转座子。文章对不同的LTR类反转录转座子预测方法进行了比较和分析,在此基础上归纳总结出一套分析LTR类反转录转座子序列的操作流程,旨在为LTR类反转录转座子序列的分析提供参考。     

DNA条形码分析方法研究进展

DNA条形码是一段短的、标准化的DNA序列,DNA条形码技术通过对DNA条形码序列分析实现物种的有效鉴定.随着生物DNA条形码序列的大量测定,DNA条形码分析方法得到迅速发展,推动了其在生物分子鉴定中的应用.2003年以来,DNA条形码技术已广泛应用于动物、植物和真菌等物种的鉴定,并有力地推动了生物分类学、生物多样性和生态学等学科的发展.本文在综述DNA条形码技术的基础上,总结了5类主要的DNA条形码分析方法,即基于遗传距离的分析、基于遗传相似度的分析、基于系统发育树的分析、基于序列特征的分析和基于统计分类法的分析,并进一步展望了DNA条形码技术的发展与应用.     

ortholog ——— 概念、生物信息预测方法和数据库

orthologs指起源于不同物种的最近的共同祖先的一些基因。orthologous的基因,具有相近甚至相同的功能,由相似的途径调控,在不同的物种中扮演相似甚至相同的角色,因此在基因组序列的注释中,是最可靠的选择。orthologs的生物信息预测方法主要有两类：系统发生方法和序列比对方法。这两类方法都是基于序列的相似性,但又各有特点。系统发生方法通过重建系统发生树来预测orthologs,因此在概念上比较精确,但难于自动化,运算量也很大。序列比对方法在概念上比较粗糙,但简单实用,运算量相对较小,因此得到了较广泛的应用。     

一种快速非比对的蛋白质序列相似性与进化分析方法

本文提出了一种新的快速非比对的蛋白质序列相似性与进化分析方法。在刻画蛋白质序列特征时,首先将氨基酸的10种理化性质通过主成分分析浓缩为6个主成分,并且将每条蛋白质序列里的氨基酸数目作为权重对主成分得分值进行加权平均,然后再融合氨基酸的位置信息构成一个26维的蛋白质序列特征向量,最后利用欧式距离度量蛋白质序列间的相似性及进化关系。通过对3个蛋白质序列数据集的测试表明,本文提出的方法能将每条蛋白质序列准确聚类,并且简便快捷,说明了该方法的有效性。     

应用非序列联配方法对哺乳动物系统发育关系的探讨

非序列联配的序列分析方法,将序列中特定寡聚核苷酸的kmer统计频率作为特征,在序列间按特征进行比较和分析。这种方法综合考虑了所有变异类型对序列整体特征的影响,因而在组学数据分析上有独特的优势。但是,这类方法在复杂多细胞生物基因组系统发育中的适用性仍然有待检验。在本文中,我们使用基于非序列联配方法的CVTree软件,以45种哺乳动物的蛋白质组数据建立了系统发育关系NJ树,并据此探讨了哺乳动物系统发育的若干问题。在广受关注的真兽下纲四个总目的关系问题上,CVTree支持形态学的普遍结论即上兽类(Epitheria)假说。这与基于序列联配方法支持的外非洲胎盘类(Exafro-placentalia )假说不同。在哺乳动物内部目的层次上,CVTree树的结论与分子和形态所普遍接受的系统发育关系基本一致。但是在目的内部,CVTree树会有较多的差异。研究结果初步显示非序列联配方法在使用复杂多细胞生物的组学数据进行系统发育关系分析中的可行性。对非序列联配方法自身的改进及其与传统基于取代的序列联配方法之间的比较仍有待深入研究。     

不同幽门螺杆菌菌株ureB和hspA基因同源性分析

目的研究不同来源幽门螺杆菌菌株的ureB基因和hspA基因的同源性。方法在GenBank中调取全球来源于幽门螺杆菌不同菌株的ureB基因序列23个和中国境内来源于幽门螺杆菌不同菌株的hspA基因序列20个,利用ClustalW2生物软件,分别对ureB基因和hspA基因序列进行同源性比较分析,并建立基因进化树,分析其特点。结果不同国家之间ureB基因序列并不一致,同一国家ureB基因序列相似性较高;中国境内hspA基因序列相似性程度很高。结论中国境内不同幽门螺杆菌菌株ureB基因序列和hspA基因序列的相似性程度都很高,都具有很高的同源性。     

Stresses on the limbs of quadrupedal primates

Data is presented from eight primates on the ground reaction forces on the limbs during locomotion. These subjects supported from 30 to 45% of their body weight on their forelimbs. Other quadrupedal mammals support 55-60% of their body weight on their forelimbs. The increase of peak vertical force with speed varies greatly between the subjects. The variation in weight supported by the forelimbs and the peak forces on the forelimbs is proposed to correlate with variation in locomotor adaptations. It is suggested that the occurrence of bipedalism in primates represents the extreme expression of the tendency in primates to reduce the compressive forces on their forelimbs.     

Landmark cues can change the motivational state of desert ant foragers

Desert ants of the genus Cataglyphis rely on path integration vectors to return to the nest (inbound runs) and back to frequently visited feeding sites (outbound runs). If disturbed, e.g., experimentally displaced on their inbound runs, they continue to run off their home-bound vector, but if disturbed in the same way on their outbound runs, they do not continue their feeder-based vector, but immediately switch on the home-bound state of their path integration vector and return to the nest. Here we show that familiar landmarks encountered by the ants during their run towards the feeder can change the ants’ motivational state insofar that the ants even if disturbed continue to run in the nest-to-feeder direction rather than reverse their courses, as they do in landmark-free situations. Hence, landmark cues can cause the ants to change their motivational state from homing to foraging.     

Effect of Adult Feeding on Male Mating Behaviour in the Butterfly, <Emphasis Type="Italic">Bicyclus anynana</Emphasis> (Lepidoptera: Nymphalidae)

Many species of lepidopterans supplement their nectar diet with foods rich in nitrogen and minerals, which are present only in trace amounts in nectar. We examined the effect of adult diet on mating behaviour and spermatophore characteristics in male Bicyclus anynana (Butler, 1879) butterflies, which feed on rotten fruits as adults. We found little effect of adult diet on male reproduction in terms of mating rate and sperm production, although males fed on fruit produced larger spermatophores on their first mating compared to males fed sugar only. We also examined how males allocate sperm across matings. Males ejaculate larger spermatophores during their first mating, and produce spermatophores containing decreasingly fewer non-fertile sperm with number of matings performed. Males that produced more non-fertile sperm on their first mating had reduced lifespan possibly indicating a trade-off between sperm production and adult longevity. It is suggested that adult diet has little affect on male ejaculate production and males feed on fruit to supplement their energetic carbon requirements.     

植物内生菌在生物防治中的应用

从植物内生菌的抗病虫机理及生防作用方面综述了植物内生菌在生物防治中的研究进展,对植物内生菌的抗病虫机理进行了探讨,并展望了植物内生菌在植物保护中的应用前景.     

When the Curtain Falls on a Fieldwork Project: The Last Chapter of a Gay Synagogue Study

Ethnographic texts preserve the historicity and losses of both the people observed and their observer. However, anthropologists rarely inform their readers about the circumstances of their departure from a fieldwork project. Without formally indicating the completion of their research goals, they usually move on to a new field and cease publishing on their former site. This procedure seemed natural enough when anthropologists conducted their studies in remote Third World locations. The constraints of distance, time, and budget made that abrupt separation seemingly inevitable and self-explanatory. But when anthropologists choose fieldwork sites that are close to home or easy to revisit, or conduct long-term research, their relationships with their subjects change radically, both during fieldwork and during the stages of writing and publishing the ethnographic text. Consequently, their eventual exit from the field involves a different process. Based on the experience of a fifteenyear engagement in the study of a gay synagogue in New York, this paper explores the latter process. The issue of exiting presents a methodological, emotional, and ethical problem meriting serious professional consideration.     

白蚁肠道共生微生物的作用:酵母,一个“隐身”的特别菌群

长期以来,白蚁对木质纤维素的降解能力令人惊叹,毫无疑问,其在全球碳循环中扮演着一个十分重要的角色。这一强大功能的实现极大地依赖于一种特别的肠道"消化液(digestome)",它的构成不仅包括了来自白蚁自身产生的木质纤维素降解酶系统,还来源于独特与多样的肠道共生微生物的贡献(包括了古细菌、细菌、酵母以及其他真核生物),它们的协同作用能有效地将木质纤维素生物质高效转化为乙酸、甲烷、二氧化碳、氢气等物质。然而,到目前为止,我们对这类昆虫的独特肠道生物转化系统的认识还很不深入,特别是针对肠道内的那些各类共生微生物菌群的功能、白蚁与共生微生物间的相互关系、以及潜在的科学与应用价值还无法给予明确的科学解释,更不用说针对其肠道中的共生酵母菌群,一类通常被忽略的独特微生物。近20多年来,越来越多的研究证据表明,白蚁肠道共生酵母在与寄主的关系中表现了不可或缺的重要性与独特功能,已被证明广泛分布于不同白蚁及许多其他昆虫的肠道中。随着近20年来越来越多昆虫肠道共生微生物酵母群被发现和鉴定,他们潜在的功能以及与寄主的共生机制被逐步解析,这些研究结果进一步揭示了"隐身"的昆虫肠道酵母类微生物菌群与寄主的营养、关键生物质转化过程中的重要酶系统、转化过程中的关键中间产物的转化与利用、抵御外源性的重要病原物,甚至对白蚁种群繁衍的远缘交配等方面均可能发挥了重要和不可缺少的作用。本文将试图归纳相关研究的最新进展,系统总结与解析白蚁肠道来源共生酵母的重要科学价值及其在不同领域的潜在应用前景。     

唐家河自然保护区冬季独栖羚牛及其习性

笔者于1987年冬季至1988年春季对唐家河自然保护区离群的独栖羚牛进行了考察研究,获得了数量、分布及冬季活动规律等资料,并在行为生态、越冬适应及死亡限制因素等方面作了较深入的研究。这些老、弱、病、残羚牛离群而独栖生活,也是羚牛个体发生的必然规律;它们日趋衰弱,濒于死亡的边缘也是必然趋势。     

Wolbachia属共生菌及其对节肢动物宿主适合度的影响

Wolbachia是广泛分布于节肢动物体生殖组织内呈母质遗传的一类共生细菌。近30多年来,大量的研究主要集中于Wolbachia对宿主生殖方式的调控方面;近年来的研究发现,Wolbachia对节肢动物宿主的适合度具有不同程度的影响。现对Wolbachia的宿主分布、存在部位及其对节肢动物宿主种群适合度的影响等方面进行了综述,探讨了Wolbachia在该领域的研究意义和潜在的应用价值。     

The legacy effects of keystone individuals on collective behaviour scale to how long they remain within a group

The collective behaviour of social groups is often strongly influenced by one or few individuals, termed here ‘keystone individuals’. We examined whether the influence of keystone individuals on collective behaviour lingers after their departure and whether these lingering effects scale with their tenure in the group. In the social spider, Stegodyphus dumicola, colonies'' boldest individuals wield a disproportionately large influence over colony behaviour. We experimentally manipulated keystones'' tenure in laboratory-housed colonies and tracked their legacy effects on collective prey capture following their removal. We found that bolder keystones caused more aggressive collective foraging behaviour and catalysed greater inter-individual variation in boldness within their colonies. The longer keystones remained in a colony, the longer both of these effects lingered after their departure. Our data demonstrate that, long after their disappearance, keystones have large and lasting effects on social dynamics at both the individual and colony levels.