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1 生物信息学 第五章 : 生物序列的数据库信息检索

2 本章内容提要 1, 序列数据库 2, 序列家族分类及功能数据库 3, 检索系统 4, 双序列 Blast 比对实例 5, 序列数据信息检索实例

3

4 1, 序列数据库 核酸序列数据库 国际三大核酸序列数据库 : GenBank, EBML, DDBJ dbest: Expressed Sequences Tags 数据库 UniGene 等 RefSeq: The Reference Sequence Database 蛋白质序列数据库 UniProt (Swiss-prot & TrEMBL, PIR) 基因组数据库 : Ensembl

5 NCBI 数据资源

6 Nucleotide: 核酸序列数据库 PubMed: 生物医学科学文摘数据库 GEO: 基因表达谱数据库 收集存储微阵列基因表达数据 Protein: 蛋白质序列数据库 SNP: 单核苷酸多态性数据库 Taxonomy: 物种分类学数据库 Gene: 基因数据库 提供序列及基因描述信息 Structure: 大分子三维结构数据库 3D Domains: 特定功能域的三维结构数据库 UniGene: GenBank 分离的非冗余基因簇 包含已确定基因和 EST 每个簇包含唯一的非冗余的基因序列 表达的组织类型和基因图谱位点

7 UniSTS: 序列标签位点数据库, 用于作图位点 PopSet: 人口研究数据库 Books: 在线生物医学图书数据库 OMIM: 在线人类孟德尔遗传目录数据库 Conserved Domains: 保守结构域数据库 Cancer Chromosomes: 癌症染色体数据库 Homologene: 基因同源物数据库 Journals: 杂志及出版社信息数据库 Genome: 基因组数据库, 提供完成的基因组 / 染色体图形 GDS: GEO 的基因表达实验与生物芯片数值结果数据库

8 NCBI 主要基因序列数据库 GenBank: 包含了所有已知的核酸序列和蛋白质序列, 以及与它们相关的文献著作和生物学注释 其数据直接来源于测序工作者提交的序列, 为原始数据积累的开放数据库, 数据可能存在重复以及不准确 UniGene: 对核酸序列数据库的数据进行适当处理, 剔除冗余部分后, 同一基因包括表达序列标签的序列簇, 多用于研究基因的转录图谱 RefSeq: 提供非冗余的, 高质量的, 经检验校正的序列信息 ; 包括染色体 基因组 ( 细胞器 病毒 质粒 ) 蛋白质 RNA 等

9 Nucleotide database including GenBank, RefSeq, TPA and PDB. Genome, gene and transcript sequence data provide the foundation for biomedical research and discovery.

10 Entres-Gene 数据库 序列来源于 Refseq 数据库 ; 详尽的注释信息, 包括基因在基因组的定位, 基因名称 蛋白质名称, 基因结构等 ; 基因的命名主要来自权威命名委员会的官方符号以及 Refseq 记录中的基因名, 由 NCBI 工作人员进行数据收集并注释 NLM 的索引部门对基因功能进行阐述 沿用人类孟德尔遗传网 (OMIM) 中的疾病名称并与 NCBI 其他数据库形成交互链接

11 NCBI Gene

12 UniProt Universal Protein Resource: Swiss-prot(TrEMBL), PIR 两大蛋白数据库的整合体 ; 收录蛋白质序列目录最广泛 功能注释最全面的数据库 ; 包含三个子库 : UniProtKB(UniProt Knowledgebase) UniRef(UniProt Reference Clusters) UniParc(Uniprot Archive)

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14 2, 序列家族分类及功能数据库 蛋白质序列分类数据库 - Pfam 蛋白质序列功能位点数据库 PROSITE Gene Ontology (GO) 相互作用的蛋白质数据库 DIP 转录调控区数据库 TRRD

15 蛋白质序列分类数据库 - Pfam Pfam: 使用基于隐马尔可夫模型的多序列比对方法对蛋白质序列进行家族分类 分为 Pfam-A 与 Pfam-B 两个库 Pfam-A: 包含经人工编辑, 有完整注释的高质量记录条目 Pfam-B: 计算机工具自动编辑, 除 Pfam-A 外的条目, 质量较低

16 PROSITE 收集了生物学有显著意义的蛋白质位点和序列模式 ; 序列模式包括酶的催化位点 配体结合位点 与金属离子结合的残基 二硫键的半胱氨酸 与小分子或其它蛋白质结合的区域等 ; 根据这些位点和模式快速和可靠地鉴别一个未知功能的蛋白质序列应该属于哪一个蛋白质家族 ;

17 PROSITE

18 InterPro protein sequence analysis & classification 以结构域单位为基础的家族分类数据库 : PROSITE PRINTS Pfam SMART SWISS PROT ProDom 和 BLOCKS 等...

19 Gene Ontology (GO) 基因功能归类注释 ; 最基本的概念是 term; 每个 term 都有一个唯一的数字标记 (GO:nnnnnnn) 和一个 term 名, 比如 signal transduction 每个 term 都属于一个 ontology 一个基因或蛋白质可从三个 Ontology 层面来注解 : molecular function; cellular component; biological process;

20 Gene Ontology

21 相互作用的蛋白质数据库 DIP 收集了由实验验证的蛋白质 - 蛋白质相互作用 ; 包括蛋白质的信息 相互作用的信息和检测相互作用的实验技术三个部分 ; 用户可以根据蛋白质 生物物种 蛋白质超家族 关键词 实验技术或引用文献来查询 DIP 数据库 ;

22 转录调控区数据库 TRRD 在不断积累的真核生物基因调控区结构 - 功能特性信息基础上构建 ; 每一个 TRRD 的条目里包含特定基因各种结构 - 功能特性 : 转录因子结合位点 启动子 增强子 静默子 以及基因表达调控模式等 ;

23 3, 检索系统 NCBI:Entrez EBI:SRS ExPASy

24 NCBI:Entrez

25 检索规则 逻辑运算符 ( 大写 ): AND,OR,NOT 运算过程由左至右,() 部分优先 空格分隔默认逻辑关系为 AND 多个单词短语加双引号 模糊检索使用 * 用 [ ] 限定字段, 如限定基因名称为 ATG1 的检索 :ATG1[GENE]

26 EBI-SRS: Sequence Retrieval System 欧洲生物信息研究所 (EBI) 开发的基于 WEB 的数据库检索及导航系统 ;

27 ExPASy Expert Protein Analysis System; 瑞士生物信息研究所 SIB 下属的蛋白质分析专家系统 ; ExPASy 的 Web 服务器除了开发和维护 SwissProt 数据库外, 也是国际上蛋白质组和蛋白质分子模型研究的中心, 为用户提供大量蛋白质信息资源

28 4, 双序列 Blast 比对实例 PDGF-related-transforming protein sis (Woolly monkey sarcoma virus) MTLTWQGDPIPEELYKMLSGHSIRSFDDLQRLLQGDSGKEDGAEL DLNMTRSHSGGELESLARGKRSLGSLSVAEPAMIAECKTRTEVFEI SRRLIDRTNANFLVWPPCVEVQRCSGCCNNRNVQCRPTQVQLRP VQVRKIEIVRKKPIFKKATVTLEDHLACKCEIVAAARAVTRSPGTSQ EQRAKTTQSRVTIRTVRVRRPPKGKHRKCKHTHDKTALKETLGA Platelet-derived growth factor subunit B (Homo sapiens) MNRCWALFLSLCCYLRLVSAEGDPIPEELYEMLSDHSIRSFDDLQR LLHGDPGEEDGAELDLNMTRSHSGGELESLARGRRSLGSLTIAEP AMIAECKTRTEVFEISRRLIDRTNANFLVWPPCVEVQRCSGCCNNR NVQCRPTQVQLRPVQVRKIEIVRKKPIFKKATVTLEDHLACKCETV AAARPVTRSPGGSQEQRAKTPQTRVTIRTVRVRRPPKGKHRKFK HTHDKTALKETLGA

29 BCNI: Blast

30

31 双序列比对结果

32 Score Score: 使用打分矩阵对匹配的片段进行打分, 这是对各对氨基酸残基 ( 或碱基 ) 打分求和的结果, 一般来说, 匹配片段越长 相似性越高则 Score 值越大 Identities: exact matches Positives: similarities based on the scoring matrix used.

33 E-Value Expect value: 在一个特定大小的数据库中碰巧搜索到打分值约为 Score 的不同序列的个数 反映两条序列不相关的可能性 E 值随 Score 增加, 呈指数减少 ; 实质上,E 指反映随机本底噪音 ; 越接近零, 表明该打分值的显著性越好 相同序列相似性的比对, 序列越长则 E-Value 越小, 反映偶然发生的概率越小

34 5, 序列数据信息检索实例 某天,Prof. Gene 发现人的 Hela 细胞分裂迅速 (phenotype), 通过实验的方法 ( 例如, 酵母双杂交 ) 发现周期蛋白 H 与这个蛋白有较强相互作用, 测序结果如下 (genotype): TGTACCACCCTATTTGAAACCTCCATCCCTGCCCCTGCCCTGATTTGTTATCCTTTATCT GCTTTATTATCTCTATAG C ACTTATCACCTATG TATCATAAC AC ATATTTG ACTTGTTTT TTTATCTCCTCCCATTGGAAGGCAGGGATCTTTGCTCCCTGCTATCTCAGATTCTACAAT GGTGCTTGGCACATAGATAACACTCAATATCAGCATCCTAAGAGAGAGAAAAATGAAAAA GGAAAAGCACTCAATATGTTTTTGAATAAATGAATTAGTGTGTTTGTTATGACAATTTAT GATAATCAAGGGGTTGGGTACTCATTACTGCTAAGTTAATTGAGCACTGTCTCAATTAAT TGAGTTAATGTCTAAGCTTTCTGCATGTTTCATTTAATACCCACAATCTCCTGTGATGTA GTTCATTATTTTTTCCATTTTACCGAGTAGAAAACTGAGGACTAGAAGCTGATTCCCACA GCACGTTTCAGTTGAGTTGGATTTTGTTTTCCTGGGCCTGCTTCTTCATAAAGGGACTGG ACTAAGAATACTCTTGACCAGCCCGTAAGAACTTGGCACTCGTCTCAGTAATCTGAGATA GCAGGGTTTGGCGTCCATAGCAACCACGGCGACAGGACGCGCTCGAGCAAGAACCAAAAA GCGAGAACAGGTACAAGGCCAAACTTTCTACATTCACAGACACCTACCAAACCCCGAACA TGGAACACCAAATTAGAACGCTGACCAGTTCCTGGTAATGTAGAAAACACCCAAGTTAAA ACGGCAACAGAGTGACACAGCAGCCATTGAAGATGCCCCACTTCAGGCACCGACAGGCGT CACGTGACGGGTGGGGAACGCCAACCGCCTGGGCCTAGCGCAGCTTCCTCCGCCCACCAC GGAAGTGAGGCGGGGATACTAAAGCGACGGAGCCCGGTGGACGGAAGTGGGTGTTGGAGG CTTTAAGGTAGCTTTAAATTCGTGTTGTCCTGGGAGCTCG

35 问题一 : 这是什么基因?

36 nucleotide blast

37 提交序列 输入序列

38 Blast 结果

39 Blast 结果 2 Accession: NM_

40 CDK7

41 Related information Gene info: 5 号染色体

42 功能注释 :Gene Ontology

43 结论一 1. 该基因为人的 CDK7 基因, 染色体定位 :5 号染色体, ; 基因标识符 : NM_ ; 2. 初步的功能分析 :mrna 加帽 ( 与 ATP 结合转移磷酸 ),DNA 修复等等

44 问题二 : 编码的蛋白质序列是怎样的?

45 CDK7

46 获取蛋白质的序列信息

47 蛋白信息 NP_ :346aa

48 获取 FASTA 序列

49 FASTA 格式的序列

50 结论二 人的 CDK7 蛋白质包含 346 个氨基酸, 序列标识符为 : NP_ >gi ref NP_ cyclin-dependent kinase 7 [Homo sapiens] MALDVKSRAKRYEKLDFLGEGQFATVYKARDKNTNQIVAIKKIKL GHRSEAKDGINRTALREIKLLQELSHPNIIGLLDAFGHKSNISLVFD FMETDLEVIIKDNSLVLTPSHIKAYMLMTLQGLEYLHQHWILHRDL KPNNLLLDENGVLKLADFGLAKSFGSPNRAYTHQVVTRWYRAPE LLFGARMYGVGVDMWAVGCILAELLLRVPFLPGDSDLDQLTRIFE TLGTPTEEQWPDMCSLPDYVTFKSFPGIPLHHIFSAAGDDLLDLIQ GLFLFNPCARITATQALKMKYFSNRPGPTPGCQLPRPNCPVETLK EQSNPALAIKRKRTEALEQGGLPKKLIF

51 问题三 : 有没有保守的功能结构域 (domain)?

52 查询保守结构域

53 输入蛋白质的 FASTA 序列

54 PKc_like domain

55 结论三 CDK7 具有保守的功能结构域 PKc_like

56 问题四 : 它的功能是怎样的?

57 UniProt: 蛋白质数据库

58 在人源数据库中做 BLAST 搜索

59 P50613

60 CDK7 的蛋白质信息

61 功能注释

62 结论四 : 功能分析 转录因子 TFⅡH 的重要组成部分, 结合周期蛋白 H 调控细胞周期,DNA 修复 细胞亚定位 : 胞质, 核

63 问题五 : 它在真核生物中保守吗?

64 ExPASy Blast

65 在酵母中进行序列比对

66 酵母 FMP48: E9P9A1

67 酵母 FMP48 的信息

68 结论五 : 人的 CDK7 在酵母中的同源物可能是 FMP48

69 问题六 : 人的 CDK7 蛋白有没有三级结 构信息?

70 Uniprot PDB 三级结构数据库

71 PDB 的三级结构信息

72 用 pymol 显示三级结构

73 总结 现在,Prof. Gene 知道了 : 1. 该基因为人的 CDK7 基因, 染色体定位 :5 号染色体, ; 基因标识符 : NM_ ; 2. 人的 CDK7 蛋白质包含 346 个氨基酸, 序列标识符为 : NP_ CDK7 具有保守的功能结构域 PKc_like ; 4. 转录因子 TFⅡH 的重要组成部分, 结合周期蛋白 H 调控细胞周期,DNA 修复 ; 细胞亚定位 : 胞质, 核 ; 5. 人的 CDK7 在酵母中的同源物可能是 FMP48 ; 6. CDK7 的三级结构已知, 在 PDB 中的标识符为 1UA2 等

74 作业 : 自主选择你所感兴趣的问题, 利用生物信息学信息检索途径, 回答你的问题 格式 : 已知 : 待查询问题 : 解答途径 : 方法 数据库 结果 : 鼓励使用新途径解决新问题! 本科已修生物信息课的同学可以不用上机练习课, 但需要完成此项作业 作业保存为.txt 或.doc 文件, 发送至 sntt@ustc.edu.cn 截止日期 : 上机练习课后一周内交作业, 不能出现相同作业!

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