2017 研究生 生物信息学 蛋白部分(上机)_2

一、实验名称生物数据上机实验二、实验目的1. 熟悉生物数据处理的常用软件及其基本操作。

2. 学习生物数据的整理、分析和可视化方法。

3. 培养对生物数据的敏感性和分析能力。

三、实验原理生物数据是指生物科学研究中收集到的各种数据，包括基因组学、蛋白质组学、代谢组学等领域的实验数据。

本实验旨在通过上机操作，学习如何使用生物信息学软件对生物数据进行整理、分析和可视化，从而更好地理解生物学现象和规律。

四、实验器材1. 电脑2. 生物信息学软件（如R、Python、MATLAB等）3. 生物数据集五、实验步骤1. 数据整理- 下载并导入生物数据集。

- 检查数据完整性，包括数据类型、缺失值等。

- 对数据进行清洗，去除异常值和噪声。

2. 数据分析- 使用R或Python等软件进行数据分析。

- 根据实验目的，选择合适的统计方法进行分析，如相关性分析、差异分析等。

- 使用可视化工具（如ggplot2、Seaborn等）展示分析结果。

3. 结果可视化- 将分析结果以图表形式展示，如散点图、柱状图、热图等。

- 对图表进行美化，包括字体、颜色、标题等。

4. 结果讨论- 根据分析结果，对生物学现象进行解释和讨论。

- 提出进一步研究的方向和假设。

六、实验结果1. 数据整理- 导入数据集：成功导入基因组学数据集，数据包含基因表达水平、样本信息等。

- 数据检查：发现数据集中存在缺失值，已进行清洗处理。

2. 数据分析- 相关性分析：分析基因表达水平与样本信息之间的相关性，发现某些基因与样本类型之间存在显著相关性。

- 差异分析：分析不同样本类型之间的基因表达差异，发现某些基因在特定样本类型中表达水平显著升高或降低。

3. 结果可视化- 散点图：展示基因表达水平与样本信息之间的相关性。

- 柱状图：展示不同样本类型中基因表达水平的差异。

- 热图：展示基因表达水平的聚类情况。

4. 结果讨论- 根据分析结果，推测特定基因可能与特定样本类型相关，进一步研究该基因在生物学过程中的作用。

⽣物信息学实验报告3（三）蛋⽩质序列分析（三）蛋⽩质序列分析实验⽬的：掌握蛋⽩质序列检索的操作⽅法，熟悉蛋⽩质基本性质分析，了解蛋⽩质结构分析和预测。

实验内容：1、检索SOX-21蛋⽩质序列，利⽤ProParam⼯具进⾏蛋⽩质的氨基酸组成、分⼦质量、等电点、氨基酸组成、原⼦总数及疏⽔性（ProtScale⼯具）等理化性质的分析。

2、利⽤PredictProtein、PROF、HNN等软件预测分析蛋⽩质的⼆级结构；利⽤Scan Prosite软件对蛋⽩质进⾏结构域分析。

3、利⽤TMHMM、TMPRED、SOSUI等⼯具对蛋⽩质进⾏跨膜分析；采⽤PredictNLS进⾏核定位信号分析；利⽤PSORT进⾏蛋⽩质的亚细胞定位预测；利⽤CBS（http://www.cbs.dtu.dk/services/ProtFun/）⽹站⼯具预测蛋⽩的功能，将序列⽤Blocks、SMART、InterProScan、PFSCAN等搜索其保守序列的特征，进⾏motif 的结构分析。

4、利⽤Swiss-Model数据库软件预测该蛋⽩的三级结构，结果⽤蛋⽩质三维图象软件Jmol查看。

CPHmodels 也是利⽤神经⽹络进⾏同源模建预测蛋⽩质结构的⽅法和⽹络服务器I-TASSER预测所选蛋⽩质的空间结构。

5、分析蛋⽩质的翻译后修饰：分析信号肽及其剪切位点: SignalIP http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/；分析糖链连接点:分析O－连接糖蛋⽩,NetOGlyc，http://www.cbs.dtu.dk/services/NetOGlyc/；分析N－连接糖蛋⽩，NetNGlyc，http://www.cbs.dtu.dk/services/NetNGlyc/。

6、利⽤检索的序列，进⾏同源⽐对，获得并分析⽐对结果。

实验步骤（⼀）1、在NCBI 蛋⽩质数据库中查找SOX-21蛋⽩质序列分别选择⽖蟾（Xenopus laevis）、⼩家⿏[Mus musculus]、猕猴[Macaca mulatt a]的SOX-21蛋⽩质序列，并保存其FASTA格式。

生物信息学揭示蛋白质网络互作关系方法总结引言：生物信息学作为一门交叉学科，将计算机科学和统计学等方法应用于生物学研究中。

蛋白质是生物体中非常重要的分子，它们在细胞内发挥着许多关键的功能。

蛋白质之间的相互作用关系对于理解细胞活动的调控机制，以及疾病的发生和发展具有重要意义。

生物信息学为研究蛋白质网络互作关系提供了一系列的方法和工具，本文将对其中一些常用的方法进行总结。

一、蛋白质互作网络构建蛋白质互作网络是研究蛋白质相互作用关系的重要工具。

构建蛋白质互作网络的方法主要包括实验方法和计算方法。

实验方法包括酵母双杂交（yeast two-hybrid）和蛋白质亲和纯化等。

酵母双杂交是最常用的实验方法，它能够鉴定蛋白质之间的直接相互作用关系。

蛋白质亲和纯化则通过分离互作蛋白质复合物，从而揭示其互作关系。

计算方法主要基于蛋白质的序列和结构信息进行预测和推断，常用的方法包括序列相似性、结构相似性和基于功能注释的预测。

二、蛋白质互作网络分析蛋白质互作网络分析是研究蛋白质网络拓扑结构和功能模块的重要手段。

网络拓扑结构包括节点度数分布、网络密度、聚类系数等指标，通过分析这些指标可以了解蛋白质网络的内在特性和功能模块的组织结构。

功能模块指的是在蛋白质网络中相互连接的一组蛋白质，这些蛋白质在生物学功能上具有一定的相似性。

常用的蛋白质网络分析方法包括模块识别、关键节点识别和基因本体富集分析等。

1.模块识别模块识别是研究蛋白质网络中相互关联的蛋白质子网络的方法。

常用的模块识别算法包括MCL算法、GN算法和Louvain算法等。

这些算法能够将蛋白质网络分解成若干个相互关联的子网络，并且可以根据模块的特点进行功能注释和富集分析。

模块识别的结果可以帮助我们理解蛋白质网络中功能模块的组织结构，揭示蛋白质之间的相互作用关系。

2.关键节点识别关键节点在蛋白质网络中具有重要的功能和调控作用。

关键节点识别的方法主要基于网络拓扑结构和节点的重要性指标。

《⽣物信息学》练习题剖析1、在Genbank中查找以下6个植物蛋⽩序列：protein1:NP_974673.2; protein2: NP_187969.1; protein3: NP_190855.1; protein4: NP_565618.1; protein5: NP_200511.1; protein6: NP_191407.1 (以FASTA格式)。

（1）⽤EBI上的ClustalW2⼯具对其进⾏多序列⽐对，分析各蛋⽩序列之间的同源性。

序列⽐对结果⽐对结果表明：protein1:NP_974673.2和protein4: NP_565618.1的亲缘关系最近。

（2）利⽤Phylip软件，选择距离法构建其进化树（要求写出具体的建树步骤）。

1．将蛋⽩序列保存为FASTA格式，存于txt⽂档；2.⽤Clustalx打开txt⽂本，保存为*.phy⽂件；3.⽤seqboot程序打开phy⽂件，输出结果⽂件*_seqboot4.⽤protdist程序打开*_seqboot⽂件，输出为*_protdist⽂件5. ⽤neighbor程序打开*_protdist⽂件,输出为*_neighbor⽂件6. ⽤consense程序打开*_neighbor⽂件,输出为*_consense⽂件7.⽤dratree程序打开*_consense⽂件得到进化树。

（注：由于seqboot软见⽆法正常运⾏，因此进化树⽆法显⽰）（3）任意选取其中的⼀个蛋⽩进⾏蛋⽩质⼀级序列分析、⼆级结构预测及三维结构的模拟。

选择protein3: NP_190855.1⼀级结构⽹址：/doc/37d58381b04e852458fb770bf78a6529647d350c.html /tools/protparam.html Number of amino acids: 456 氨基酸数⽬Molecular weight: 51154.5 相对分⼦质量Theoretical pI: 8.69 理论 pI 值Amino acid composition 氨基酸组成Ala (A) 30 6.6%Arg (R) 28 6.1%Asn (N) 15 3.3%Asp (D) 27 5.9%Cys (C) 5 1.1%Gln (Q) 18 3.9%Glu (E) 28 6.1%Gly (G) 37 8.1%His (H) 16 3.5%Ile (I) 16 3.5%Leu (L) 42 9.2%Lys (K) 32 7.0%Met (M) 5 1.1%Phe (F) 17 3.7%Pro (P) 16 3.5%Ser (S) 46 10.1%Thr (T) 21 4.6%Trp (W) 8 1.8%Tyr (Y) 19 4.2%Val (V) 30 6.6%Pyl (O) 0 0.0%Sec (U) 0 0.0%(B) 0 0.0%(Z) 0 0.0%(X) 0 0.0%正/负电荷残基数Total number of negatively charged residues (Asp + Glu): 55Total number of positively charged residues (Arg + Lys): 60Atomic composition: 原⼦组成Carbon C 2270Hydrogen H 3531Nitrogen N 645Oxygen O 686Sulfur S 10Formula: C2270H3531N645O686S10 分⼦式Total number of atoms: 7142 总原⼦数Extinction coefficients: 消光系数Extinction coefficients are in units of M-1 cm-1, at 280 nm measured in water.Ext. coefficient 72560Abs 0.1% (=1 g/l) 1.418, assuming all pairs of Cys residues form cystines Ext. coefficient 72310Abs 0.1% (=1 g/l) 1.414, assuming all Cys residues are reducedEstimated half-life: 半衰期The N-terminal of the sequence considered is M (Met).The estimated half-life is: 30 hours (mammalian reticulocytes, in vitro).>20 hours (yeast, in vivo).>10 hours (Escherichia coli, in vivo).Instability index: 不稳定系数The instability index (II) is computed to be 48.99This classifies the protein as unstable.Aliphatic index: 75.26 脂肪系数Grand average of hydropathicity (GRAVY): -0.554 总平均亲⽔性/doc/37d58381b04e852458fb770bf78a6529647d350c.html /tools/protscale.html蛋⽩质亲疏⽔性分析所⽤氨基酸标度信息Ala: 1.800 Arg: -4.500 Asn: -3.500 Asp: -3.500 Cys: 2.500 Gln: -3.500 Glu: -3.500 Gly: -0.400 His: -3.200 Ile: 4.500 Leu: 3.800 Lys: -3.900 Met: 1.900 Phe: 2.800 Pro: -1.600 Ser: -0.800 Thr: -0.700 Trp: -0.900 Tyr: -1.300 Val: 4.200 : -3.500 : -3.500 : -0.490分析所⽤参数信息Weights for window positions 1,..,9, using linear weight variation model:1 2 3 4 5 6 7 8 91.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00edge center edge跨膜结构预测结果（没有跨膜结构）信号肽分析：⼆级结构预测三级结构预测⽹站/doc/37d58381b04e852458fb770bf78a6529647d350c.html /~phyre2、在拟南芥基因组数据库中（/doc/37d58381b04e852458fb770bf78a6529647d350c.html /）查找编号分别为At4G33050, At3G13600，At3G52870或At2G26190基因，针对所查找的基因进⾏初步的⽣物信息学分析（每⼈任选其中⼀个基因）。

《生物信息学》上机指南（三）实验三、分子系统发育分析 2学时教学要求：1、了解系统发育分析原理、步骤、方法。

2、掌握phylip、Mega等软件的下载与使用。

3、学习进化树结果分析。

重点掌握phylip、Mega的使用。

实验步骤：1.基于细胞色素c氨基酸序列的真核生物系统发育分析细胞色素c（cytochrome c）是一种含血红素的电子转运蛋白，它存在于所有真核生物的线粒体中，参加呼吸作用。

细胞色素c的氨基酸顺序分析资料已经用来核对各个物种之间的分类学关系，以及绘制进化树。

本实验利用Mega软件，采用邻位相接法，构建43种真核生物细胞色素c系统进化树。

类群中文名称拉丁学名蛋白质登录号哺乳类人Homo sapiens P99999黑猩猩Pan troglodytes P99998恒河猴Macaca mulatta P00002大袋鼠Macropus giganteus P00014家兔Oryctolagus cuniculus P00008小家鼠Mus musculus CAA25899 马Equus caballus P00004绵羊Ovis aries P62896牛Bos taurus P62894野猪Sus scrofa P62895狗Canis familiaris P00011南象海豹Mirounga leonina P00012长翼蝠Miniopterus schreibersii P00013河马Hippopotamus amphibius P00007鸟类鸸鹋Dromaius novaehollandiae P00018 鸵鸟Struthio camelus P00019 原鸡Gallus gallus P67881 火鸡Meleagris gallopavo P67882企鹅Aptenodytes patagonicus P00017 家鸽Columba livia P00021绿头鸭Anas platyrhynchosP00020爬行类拟鳄龟Chelydra serpentina P00022 两栖类牛蛙Rana catesbeiana P00024硬骨鱼类长鳍金枪鱼Thunnus alalunga P81459 太平洋鲣鱼Katsuwonus pelamis P00025 斑马鱼Danio rerio Q6IQM2软骨鱼类角鲨Squalus sucklii P00027 圆口类七鳃鳗Entosphenus tridentatus P00028 棘皮动物红海星Asterias rubens P00029 环节动物赤子爱胜蚓Eisenia fetida P00030昆虫沙漠蝗Schistocerca gregaria P00040 烟草天蛾Manduca sexta P00039 眉纹天蚕蛾Samia cynthia P00037 铜绿蝇Lucilia cuppina P00036植物小麦Triticum aestivum P00068水稻Oryza sativa BAA02159 向日葵Helianthus annuus P00070菠菜Spinacia oleracea P00073银杏Ginkgo biloba P00074芝麻Sesamum indicum P00054真菌毕赤酵母Pichia anomala P00042 白色念珠菌Candida albicans P53698 粗糙脉胞菌Neurospora crassa P000481.1.序列获取（1） 用记事本将蛋白质登录号粘进去，每个登录号占一行，存为Sequence_ID.txt。

生物信息学上机作业上机一生物信息数据库信息检索上机内容：1、了解NCBI、DDBJ、EMBL上网的方法自学各网站相关介绍。

2、了解北大生物信息学中心等几大中文生物信息学网站。

3、了解一些生物论坛中有关生物信息学的部分。

如：Biooo和Bioon。

4、利用NCBI的Entrenz查询系统和EBI的SRS检索文献和核酸或蛋白质序列。

（phyA）并对照所学复习各字段的含义。

5、将所得记录的ID或Accession记录下来备用。

作业：1、记录相关网站及论坛网址（或如何查询到该网址的方法）。

（1）NCBI ：/（2）DDBJ ：http://www.ddbj.nig.ac.jp/（3）EMBL ：/（4）北大生物信息学中心 /chinese/（5）中科院计算所智能信息处理重点上机室生物信息学:/index.php（6）北大生物信息中心:/chinese/documents/bioinfor/overview/web1/1.html （7）生物谷生物信息学：/bioinfo.htm（8）中国生物论坛：/（9）中国生物谷论坛：/（10）生物谷：/2、找到编码拟南芥（arabidopsis）phyA（光敏色素A）基因的核酸序列编号。

并记录查找过程。

上机二核酸及蛋白质序列的比对一、上机内容利用检索出的蛋白质和核酸序列进行序列比对并进行分子进化树分析。

二、作业1、绘制分子进化树，并标明各个物种phyA蛋白之间的序列相似性。

2、根据你所学生物分类的知识，试解释该分子进化树的合理性。

3、找出一条可能的保守序列（多条蛋白共同的氨基酸序列）。

上机三核酸序列分析（一）一、上机内容1、使用DNAstar进行核酸基本信息分析2、ORF分析二、作业1、记录拟南芥phyA NM_100828序列的序列组成2、记录拟南芥phyA NM_100828序列最长的ORF的起止区间。

上机四核酸序列分析（二）一、上机内容1、PCR引物设计2、核酸序列的电子基因定位二、作业1、记录拟南芥phyA NM_100828序列最长的ORF的起止区间。

生物信息学论文引言生物信息学是一门集合了生物学、计算机科学和统计学等多个学科的综合性科学领域。

它通过对生物学数据的分析和解释，推动了生物学研究的进展，使我们能够更好地理解生物系统的功能和复杂性。

在本论文中，我们将介绍生物信息学的概念、应用以及未来的发展方向。

生物信息学的概念与发展生物信息学是一门通过计算机科学和统计学的方法来研究生物学问题的学科。

生物信息学能够处理生物学中产生的大量数据，并从中提取和分析有用的信息。

它涉及到DNA、RNA和蛋白质序列的分析、比对和预测，以及基因组、转录组和蛋白质组的分析和解释。

生物信息学的发展始于1970年代，当时蛋白质和核酸的序列数据开始被大规模地产生。

随着技术的不断进步，生物学数据的规模和复杂性逐渐增加，生物信息学也变得越来越重要。

现代生物信息学不仅可以处理DNA和蛋白质的序列数据，还可以分析基因表达和蛋白质互作网络等更复杂的生物学数据。

生物信息学的应用生物信息学在生物学研究中有着广泛的应用。

下面我们将介绍一些常见的生物信息学应用领域：基因组学基因组学是研究整个基因组的结构、功能和演化的学科。

生物信息学在基因组学中发挥着重要作用，它可以用于基因鉴定、基因预测、基因家族的分析等。

转录组学转录组学是研究基因转录产物（mRNA或RNA）的全集及其表达模式的学科。

生物信息学在转录组学研究中可以用于基因表达的定量和差异分析、信号通路的预测和建模等。

蛋白质组学蛋白质组学是研究整个蛋白质组的结构、功能和相互作用的学科。

生物信息学在蛋白质组学中可以用于蛋白质结构的预测、功能注释、蛋白质相互作用网络的构建等。

进化生物学进化生物学是研究物种起源和演化过程的学科。

生物信息学在进化生物学中可以用于物种间基因组的比较、系统发育树的重建和进化模拟等。

药物设计与分析生物信息学在药物设计与分析中扮演着重要角色。

它可以用于药物靶点的预测、药物分子库的筛选和药物相互作用的模拟等。

生物信息学的未来发展方向生物信息学在过去几十年取得了巨大的进展，但仍然面临一些挑战和机遇。

实习一1、根据课件（或教材）提供的地址，访问NCBI、EBI主页，了解其结构、内容。

@整理记录以下信息：1）、NCBI和EBI的英文及中文全名；2）、在NCBI和EBI所管理的生物学数据库或所提供的服务（工具）里，各选出10个（NCBI 10，EBI 10），列表整理出这些数据库或服务的简称、全称、中文名。

2、分别进入三大核酸序列数据库，Genbank、ENA（EMBL bank）、DDBJ，了解其结构，@记录以下内容：1）、访问地址2）、数据库全称3）、最新发布的版本（日期）、目前可获得的核酸记录条数等信息。

3、分别进入三个核酸数据库的序列提交界面（如Genbank的bankit），@记录其地址。

了解序列提交方法。

4、学习使用Pubmed：选择一关键词，查询文献。

5、访问某一核酸序列数据库（如 Genbank），进入其查询系统，在下表中选择序号和你的座位号相同的基因名（每组一个）作为检索词，检索核苷酸数据库。

浏览查询结果；选择、@保存来自物种为小鼠的mRNA or cDNA or complete CDS （即编码一条蛋白质的完整序列）的记录。

请分别保存两种格式：GBFF 和FASTA。

1) 1700019D03Rik;2) 5730528L13Rik;3) Cnot10;4) Gid8;5) Lrrc2;7) 4933403G14Rik;8) 8430410A17Rik;9) Bend3;10) Prrc2a;11) Rmnd5b;12) Tmem131;13) Tmem170;14) Tmem2;15) Tmem8;16) Vrtn;17) 1110001J03RIK;18) 1110059E24Rik;19) 2410137M14RIK;20) 2610042L04Rik;21) 2900010M23RIK;22) 2900011O08RIK;22) 9130011E15Rik;23) Ankrd10;24) BC055324;25) Cdc37l1;26) Commd3;27) Fam102a;28) Fam43a;29) Fam98a;30) Gm3696;32) Hist1h2an;33) Ier2;34) Ifitm7;35) Igsf21;36) Igsf3;Lrrc34; Ng23; Nucks1; Nudcd3; Rbmxl2; Reep3; Sdf2; Ssr2; Tmem60; Zfp 280b; Zfp296; Znrd1as;实习二1、打开上次保存的Genbank文件。

《生物信息学》上机作业题目：对人血红蛋白（HBA1）编码基因序列的生物信息分析目录引言 .............................................................................................................................................. - 1 -1 正文......................................................................................................................................... - 2 -1.1 NCBI上对相关核苷酸序列的查找............................................................................ - 2 -1.2 BLAST运行及其结果.................................................................................................. - 2 -1.3 BLASTX运行及其结果................................................................................................ - 6 -2 其他软件的运行及其结果..................................................................................................... - 8 -2.1 Clustal W运行及其结果 ............................................................................................. - 9 -2.2 MEGA4.0运行及其结果............................................................................................. - 10 -结论 ............................................................................................................................................ - 10 -引言血红蛋白又称血色素，是红细胞的主要组成部分，能与氧结合，运输氧和二氧化碳。

第二章蛋白质的结构生物信息学基础学习蛋白质结构生物信息学的建议•上机实习尤其重要!•可以方便地使用计算机(班级干部能否请丁小琼老师安排上机实习时间?)•要在linux操作系统下运行软件(Docking and MDs) (武汉大学计算中心是否有条件?)单个蛋白质空间结构蛋白质-蛋白质复合物结构蛋白质的动态构象第二章蛋白质的结构生物信息学基础一、蛋白质的初级结构二、蛋白质的二级结构三、蛋白质的三级结构蛋白质的初级结构---氨基酸结构共性α碳原子蛋白质的初级结构---氨基酸R’20种氨基酸氨基酸的构象与性质原子标记Hydrophobic-aliphatic amino acidsHydrophobic-aromatic amino acidsgp120F43F43CD4Neutral-polar amino acidsAcidic amino acidsBasic amino acidsConformationally important amino acids构建了80余个突变体,蛋白质残基数太多,不宜做CD,为什么?2. Chargesalt bridge (or 'ion pair')3. Polarity主链、侧链、溶剂分子两两之间形成氢键Ser, Thr, Asn, GlnTyr, Trp,Asp, Glu, Lys, Arg, His4. Hydrophobicity在蛋白质折叠和结构稳定中起重要作用！Gly, Ala, Val, Leu, ILe,Met, Cys, Pro,Tyr, Trp,多肽的形成Peptide bond-CONH-Implications of PrimaryStructure•Primary Structure Determines All Higher Levels of Structure •Homology•The Three-dimensional Structure of Proteins is More Highly Conserved than the Primary Structure第二章蛋白质的结构生物信息学基础一、蛋白质的初级结构二、蛋白质的二级结构三、蛋白质的三级结构Types of SecondaryStructure •Alphahelices•Beta sheets•Turn•Other蛋白质的高级结构结构生物学的意义•结构生物学在“后基因组时代”生物学中的地位：在蛋白质一级结构－－－序列信息基本已知后，三维原子结构已成为下一步也是最后一步为全面深入理解生命奥秘所必需的结构信息。