生物信息学基础教程第4讲正则表达式教程.ppt

• 总之，信息源的特点是：
– 自治的 (autonomous)
数据集成
– 分布式的 (distributed) – 异构的 (heterogeneous)
Data Integration
2021/3/29
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一、 生物信息学数据库
生物信息学数据库的种类
❖ 分子生物信息数据库种类繁多。归纳起来， 大体可以分为4个大类：
酵母菌Yeast ——CYGD数据库
http://mips.gsf.de/genre/proj/yeast/index.jsp
线虫 Caenorhabditis elegans ——AceDB数据库

/genome.shtml
的数据（EMBL负责欧洲，GenBank负责美洲，DDBJ负
责亚洲等），然后来自各地的所有信息汇总在一起，3
个数据库的数据共享并向世界开放，故这3个数据库又
被称为公共序列数据库（Public Sequence Database）。
所以从理论上说，这3个数据库所拥有的DNA序列数据
是完全相同的。你可以从中选择一个你喜欢的数据库；
2021/3/29
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GenBank：由美国国家生物技术信息中心(National Center for Biotechnology Information, NCBI)建立。该 中心隶属于美国国家医学图书馆，位于美国国家卫生 研究院(NIH)内。
EMBL：欧洲分子生物学实验室(European Molecular Biology Laboratory, 其下有European Bioinformatics Centre)，主要位于英国剑桥Cambridge和德国汉堡 Hamburg。
KEYWORDS .

蛋白质 结构
蛋白质 功能
最基本的 生物信息
2024/11/11
生命体系千姿百 态的变化
维持生命活 动的机器
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第一部遗传密码已被破译，但对密码的转录过程还不清楚，对大多
数DNA非编码区域的功能还知之甚少
对于第二部密码，目前则只能用统计学的方法进行分析。破译“第
二遗传密码”：即折叠密码（folding code），从蛋白质的一级结构
Rickettsia prowazekii
Helicobacter pylori
Buchnerasp. APS
Escherichia coli大南芥
Thermotoga maritima
Thermoplasma acidophilum
mouse
Caenorhabitis elegans
以基因组计划的实施为标志的基因组时代（1990年至2001年）是生
物信息学成为一个较完整的新兴学科并得到高速发展的时期。这一 时期生物信息学确立了自身的研究领域和学科特征，成为生命科学 的热点学科和重要前沿领域之一。
这一阶段的主要成就包括大分子序列以及表达序列标签 （ expressed sequence tag，EST）数据库的高速发展、BLAST（ basic local alignment search tool）和FASTA（fast alignment）等工具软件的研制和相应新算法的提出、基因的寻 找与识别、电子克隆（in silico cloning）技术等，大大提高
细胞质（线粒体、叶绿体） 基因组DNA
人类基因组：3.2×109 bp 18
人类自然科学史上的 3 大计划
曼哈顿原子 弹计划
阿波罗登月 计划
人类基因组计划

03
数据处理
蛋白质样品中蛋白质 的分离过程。
使用质谱技术对蛋白 质进行鉴定和定量的 过程。
对质谱数据进行处理 和分析的过程。
8
代谢组学概述
01
代谢物是生物表现
代谢物可以反映生物体内的 代谢状态。
02
代谢组学研究内容
代谢物的筛选、特征鉴定和 定量分析。
03
代谢组学应用于诊 疗
为疾病的早期诊断和治疗提 供新的手段。
5
02
蛋白质组学和代谢组学
蛋白质组学概述
蛋白质组学定义及对象
研究蛋白质组成、结构、功能、互作、调控等方面的学科
蛋白质组学技术
包括质谱技术、蛋白质芯片技术、蛋白质互作组学技术等
蛋白质组学在疾病中应 用
Байду номын сангаас
用于疾病的早期诊断、病理机制的研究、药物研发等方面。
7
蛋白质组学分析技术
01
蛋白质分离
02
质谱分析
3
结果可视化
展示分析结果，并方便我们对结果进行观察和分析
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04
生物信息学的应用和前景
生物信息学在基因治疗中的应用
01
基因治疗优势前景
用生物信息学进行基因治疗的设计和 优化，以达到最佳的治疗效果。
02
基因治疗限制
介绍基因治疗的安全性和有效 性的限制。
03
生物信息学在 治疗中应用
生物信息学可以监测和调控基因表达，以及 评估基因治疗的效果和安全性。
9
代谢组学分析技术
01
样品收集制备
介绍代谢组学分析技术中的样 品收集和制备过程
02
代谢产物检测分离
介绍代谢组学分析技术中的代 谢产物检测分离过程

(abc)*
仅包含任意个abc的 字符串
abc、abca bcabc
a、abca ma、abc
m+(abc) 以至少1个m开头，后 m、mabc、 * 接任意个abc的字符 mabcabc 串 m+abc?
？
以至少1个m开头，后 mab、mabc、ab、abc、 接ab或abc的字符串 mmmab、mm mabcc abc
3
正则表达式概念及发展史(续)
之后一段时间，人们发现可以将这一工作成果应用于其他方面。Ken Thom pson就把这一成果应用于计算搜索算法的一些早期研究，Ken Thompson 是 Unix的主要发明人，也就是大名鼎鼎的Unix之父。Unix之父将此符号系 统引入编辑器QED，然后是Unix上的编辑器ed，并最终引入grep。 在最近的六十年中，正则表达式逐渐从模糊而深奥的数学概念，发展成为 在计算机各类工具和软件包 应用中的主要功能。不仅仅众多UNIX工具支 持正则表达式，近二十年来，在WINDOW的阵营下，正则表达式的思想和 应用在大部分 Windows 开发者工具包中得到支持和嵌入应用！ 从正则式在Microsoft Visual Basic 6 或 Microsoft VBScript到.NET Fram ework中的探索和发展，WINDOWS系列产品对正则表达式的支持发展到无 与伦比的高度，目前几乎所有 Microsoft 开发者和所有.NET语言都可以使 用正则表达式! 简言之，一个正则表达式，就是用某种模式去匹配一类字符串的一个公式。
\d \D
匹配单个数字字 \d{3}(\d)? 包含3个或4个数字的 符，相当于[0-9] 字符串 匹配单个非数字 字符，相当于[^ 0-9] 匹配单个数字、 大小写字母和汉 字字符 \D(\d)* 以单个非数字字符开 头，后接任意个数字 字符串

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递归(Recursion)
• 在计算机程序设计中如何理解F(x)=ax+b • 编程计算N！ f(n) = n*f(n-1) n>1 • 编程计算斐波那契数列
1, 1, 2, 3, 5, 8 ...... n
f(n) = f(n-1)+f(n-2) n>2
2021/3/10
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动态规划
• 问：斐波那契数列当n=5时，结果是多少？ x=50呢？x=100呢？
• 数据是信息的载体，信息是数据的目的
“我有一个好想法，不过只可意会不可言传”
• 数据本身没有价值
• 用户不同，数据和信息的划分也不同
• 数据和信息可以相互转化
2021/3/10
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What is Data?
10535185574 雨认会不天我为明下
0100100101001100 0110111101110110 0110010101011001 0110111101110101
简介
• 生物信息学（Bioinformatics）是20世纪80 年代末随着人类基因组计划的启动而兴起 的一门新型交叉学科，它体现了生物学、 计算机科学、数学、物理学等学科间的渗 透与融合。
• 生物信息学通过对生物学实验数据的获取、 加工、存储、检索与分析，达到揭示数据 所蕴含的生物学意义从而解读生命活动规 律的目的。
残基序列所占比例的大小
• 序列比对定义
序列比对(Sequence Alignment)就是运用某种特定的算法，找出两个或多个 序列之间的最大匹配碱基数
2021/3/10
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动态规划与序列比对
• 基因组数据库保存了海量的原始数据(Raw Data), 人类基因有接近30亿个碱基对。为了查遍所有数 据并找到其中有意义的关系，我们便需要依赖于 高效的计算机科学字符串算法。

中可以利用计算机程序实现上述序列比对的基本算法。然而，序列比对不仅需要考虑子序列 之间的匹配，而且需要对整个序列进行比较。也就是说，必须考虑两个序列中所有残基的匹 配。这就意味着，不可能使所有残基都能严格匹配。在这种情况下，比对过程中确定空位的 过程变得十分复杂。最简单的办法使通过不加限制地插入空位的办法获得相同残基的最大匹 配数。我们知道，空位的引入，意味着两个序列之间残基的插入或删除。如果对引入空位不 加限制，所得比对结果即使分值较高，也缺乏生物学依据。因此，必须有一种机制，对空位 的引入加以限制。常用的方法就是空位罚分，即每插入一空位就在总分值中罚去一定分值， 即加上一负分值，包括起始空位罚分和延伸空位罚分。所谓起始空位，是指序列比对时，在 一个序列中插入一个空位，使两个序列之间有更好的匹配；所谓延伸空位，是指在引入一个 或几个空位后，继续引入下一个连续的空位，使两个序列之间有更好的匹配。延伸空位罚分 值可以与起始空位罚分值相同，也可以比起始空位罚分值小。因此，序列比对最终结果的分 数值是两个序列之间匹配残基的总分值与空位罚分的总和。 上述序列比对过程中，只考虑了残基的同一性，即两个序列之间完全相同的匹配残基 数目。可以把这种只考虑残基同一性的矩阵理解为一个分数值为 1 和 0 的分数矩阵（见表 6.1），即相同残基的分数值为 1，不同残基的分数值为 0。这种矩阵通常称为稀疏矩阵，因 为矩阵大多数单元的值为 0。显然，这种单一的相似性分数矩阵具有很大局限性。改进分数 矩阵的表征性能，找出那些潜在的具有生物学意义的最佳匹配，提高数据库搜索的灵敏度， 而又不至于降低信噪比，是序列比对算法的核心。 相似性分数矩阵就是为解决上述问题而产生的。相似性分数矩阵的构建，是基于远距离 进化过程中观察到的残基替换率，并用不同的分数值表征不同残基之间相似性程度。恰当选 择相似性分数矩阵，可以提高序列比对的敏感度，特别是两个序列之间完全相同的残基数比 较少的情况下。必须说明，相似性分数矩阵有其固有的噪声，因为它们在对两个具有一定相 似性的不同残基赋予某个相似性分值时的同时，也引进了比对过程的噪声。这就意味着随着 微弱信号的增强，随机匹配的可能性也会增大。本书不准备深入讨论有关相似性分数矩阵的 问题，而只对两个常用的相似性分数矩阵作简单介绍，即突变数据矩阵和残基片段替换矩阵。 4.7.1 突变数据矩阵 突变数据矩阵（Mutation Data Matrix，简称 MD，Dayhoff 等，1978）是基于单点可接 受突变的概念，即 Point Accepted Mutation，简称 PAM。1 个 PAM 的进化距离表示在 100 个 残基中发生一个可以接受的残基突变的概率。对应于一个更大进化距离间隔的突变概率矩 阵，可以通过对原始矩阵进行一定的数学处理获得。例如，PAM250 相似性分数矩阵相当于 在两个序列之间具有 20%的残基匹配。 在序列比对中，通常希望使用能够反映一个氨基酸发生改变的概率与两个氨基酸随机

09.04.2020
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遗传连锁图：通
过计算连锁的遗
传标志之间的重
组频率，确定它
配子
们的相对距离，
一般用厘摩（cM，
即每次减数分裂
的重组
频率为1%）
表示。
末 期 II
晚 期 II
中 期 II
间期 前期 I
同源染色体 形成配对
中期 I
前 期 II
晚期 I 发生交换
09.04.2020
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物理图谱
5、《生物信息学手册》 郝柏林 中科院物理所 上海科学技术出版社
6、《简明生物信息学》 钟扬 复旦大学 高等教育出版社
09.04.2020
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http://
编号
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
第九章
第十章
09.04.2020
网上资源
名称
书稿(word)
生物信息学引论 分子生物学基础
破译遗传语言、识别基因 预测蛋白质结构和功能 认识生物界信息存贮和传递的本质 研究药物作用机制和开发新药
09.04.2020
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第二节 生物信息学的发展历史
生物科学和 技术的 发展
人类基因组 计划的 推动
生物信息学 基本思想的产生
二十世纪 50年代
09.04.2020
生物信息学 的迅速发展
09.04.2020
生物体生长发育的本质就是遗 传信息的传递和表达
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DNA通过自我复制，在生物体的繁衍过 程中传递遗传信息
基因通过转录和翻译，使遗传信息在生物 个体中得以表达，并使后代表现出与亲代 相似的生物性状。
基因控制着蛋白质的合成

"(c|g|p)ar" => The car is parked in the garage.
正则表达式语法教程
2.6 | 或运算符
或运算符就表示或, 用作判断条件. 例如 (T|t)he|car 匹配 (T|t)he 或 car.
"(T|t)he|car" => The car is parked in the garage.
描述 匹配num个大括号之前的字符 (n <= num <= m). 字符集, 匹配与 xyz 完全相等的字符串. 或运算符,匹配符号前或后的字符. 转义字符,用于匹配一些保留的字符 [ ] ( ) { } . * + ? ^ $ \ | 从开始行开始匹配. 从末端开始匹配.
正则表达式语法教程
2.1 点运算符
正则表达式语法教程
2.4 {}号
在正则表达式中 {} 是一个量词, 常用来一个或一组字符可以重复出现的次数. 例如, 表达式 [0-9]{2,3} 匹配最少 2 位最多 3 位 0~9 的数字.
"[0-9]{2,3}" => The number was 9.9997 but we rounded it off to 10.0.
"[a-z]*" => The car parked in the garage #21.
*字符和.字符搭配可以匹配所有的字符.*.*和表示匹配空格的符号\s连起来 用, 如表达式\s*cat\s*匹配0或更多个空格开头和0或更多个空格结尾的cat 字符串.
"\s*cat\s*" => The fat cat sat on the concatenation.

Clustalx的工作界面 （多序列比对模式）
Clustalx的工作界面 （多序列比对模式）
Clustalx的工作界面 （剖面(profile)比对模式）
Clustalx的工作界面 （剖面(profile)比对模式）
Clustal的工作原理
Clustal输入多个序列 快速的序列两两比对，计算序列间的 距离，获得一个距离矩阵 邻接法(NJ)构建一个树（引导树） 根据引导树，渐进比对多个序列
基因调节因子预测
基因表达的主要调节环节是转录的控制,重要的一步是 确定每一个基因序列中的调节因子,也就是基因序列中用 于与转录因子或其他调节因子结合的区域,这些区域往往 具有一定的序列特征或称基序,而且具有一定的保守性. 传统预测方法:通过烦琐的重组DNA技术辅之以报告基因在 体外或体内进行功能评估. 现在预测方法:用一种称为进化遗传印记(phylogenetic fingerprinting)的计算方法来寻找比较的序列中的高度保守 的基因组区域.
序列同源性分析： 是将待研究序列加入到一组与之同源，但 来自不同物种的序列中进行多序列同时比 较，以确定该序列与其它序列间的同源性 大小。这是理论分析方法中最关键的一步。 完成这一工作必须使用多序列比较算法。 常用的程序包有CLUSTAL等.
相似性与同源性关系
相似性不说明任何的历史过程,而是对两个 序列间用一定方法进行比较.尽管同源和相 似的定义不同,但这两个术语相互关联,因为 显著的相似性通常意味着同源. 两个基因间只有同源或不同源的关系.同源 的序列被假设起源于一个我们并不知道的 共同的祖先序列,通过反复的分子变化而互 相有差异.
Clustal的应用
1.输入输出格式。
输入序列的格式比较灵活，可以是前面介 绍过的FASTA格式，还可以是PIR、 SWISS-PROT、GDE、Clustal、 GCG/MSF、RSF等格式. 输出格式也可以选择，有ALN、GCG、 PHYLIP和NEXUS等，用户可以根据自己 的需要选择合适的输出格式.