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绪论1

第一节 生物信息与生物信息学1

一、迅速增长的生物信息1

二、生物信息学的概念2

第二节 生物信息学简史与展望5

一、生物信息学发展简史5

二、生物信息学技术的应用8

三、生物信息学学科展望10

第三节 本书的组织与使用13

第一篇　生物信息学基础16

第1-1章 生物信息类型及其产生途径16

第一节 生物信息的类型16

第二节 　DNA测序技术18

一、第一代测序技术18

二、第二代测序技术21

三、第三代测序技术29

第三节 高通量测序技术的应用32

一、DNA/RNA相关测序32

二、蛋白质-DNA/RNA互作测序34

三、甲基化／宏基因组测序34

第四节 蛋白质序列及其结构测定35

一、蛋白质序列与蛋白质互作测定35

二、蛋白质结构测定37

第1-2章 分子数据库38

第一节 分子数据库概述38

一、分子数据库概念38

二、数据库记录格式38

三、数据库冗余、序列递交和检索41

第二节 核苷酸及其相关数据库45

一、DNA/RNA序列数据库45

二、基因组数据库47

三、非编码RNA数据库49

第三节 蛋白质及其相关数据库51

第四节 代谢途径等专业数据库54

一、代谢途径数据库54

二、代谢组学数据库和表型数据库55

第1-3章 两条序列联配算法及序列搜索57

第一节 序列联配基本概念57

第二节 计分矩阵58

一、计分矩阵的一般原理58

二、氨基酸替换矩阵60

三、位置特异性计分矩阵（PSSM）62

第三节 两条序列联配算法64

一、Needleman-Wunsch算法64

二、Smith-Waterman算法67

第四节 　BLAST算法及数据库搜索69

一、BLAST算法70

二、利用BLAST进行数据库序列搜索71

三、序列相似性的统计推断78

第1-4章 多条序列联配算法及功能域分析81

第一节 多序列联配概念及其算法81

一、多序列联配概念81

二、多序列全局联配算法81

三、多序列局部联配算法83

第二节 蛋白质序列功能域分析与模型86

一、功能域概念86

二、功能域模型88

第三节 熵与信息量91

一、不确定性与信息量91

二、信息熵的应用92

第1-5章 基因预测与功能注释94

第一节 基因组序列构成与基因预测94

一、基因组序列的基本构成94

二、基因预测及其基本方法96

三、基因注释流程99

第二节 从头预测——隐马尔可夫模型（HMM）方法101

一、马尔可夫和隐马尔可夫模型101

二、隐马尔可夫模型问题及其算法103

三、HMM基因预测模型及其应用104

第三节 贝叶斯统计及其在基因预测方面的应用107

一、贝叶斯统计与生物信息学107

二、利用贝叶斯统计进行基因预测110

第四节 基因功能注释112

一、利用序列和结构域数据库进行注释112

二、利用功能分类和代谢途径信息进行注释114

第五节 基因序列构成分析114

一、碱基构成与分布114

二、DNA行走与Z曲线118

三、同向重复序列分析119

四、蛋白质序列跨膜等特征分析123

第1-6章 系统发生树构建126

第一节 系统发生树与遗传模型126

一、系统发生树概述126

二、遗传模型129

第二节 距离法131

一、非加权平均连接聚类法（UPGMA法）132

二、Fitch-Margoliash算法134

三、邻接法（NJ法）137

第三节 简约法139

第四节 似然法141

一、DNA序列的似然模型141

二、两条序列系统发生树142

三、三条及多条序列系统发生树143

第五节 基因组组分矢量方法145

一、组分矢量方法（CVTree算法）145

二、基因组关联“距离”与系统发生树构建146

第1-7章 蛋白质结构预测与药物设计148

第一节 蛋白质结构概述148

一、蛋白质结构及其预测148

二、蛋白质结构数据库150

三、蛋白质结构主要预测工具151

第二节 蛋白质二级结构预测153

一、蛋白质二级结构预测方法153

二、结构预测实例154

第三节 蛋白质三级结构预测156

一、同源建模法157

二、折叠识别法159

第四节 计算机辅助药物设计160

一、间接药物设计160

二、直接药物设计161

第1-8章 生物信息学计算机基础163

第一节 使用Unix/Linux操作系统163

一、Unix/Linux操作系统及其结构163

二、Linux Shell常用命令165

第二节 掌握一门计算机编程语言168

一、计算机编程语言168

二、Python语言170

三、R语言183

四、MySQL语言188

第三节 并行与自动化195

一、并行式计算196

二、并行化模型及其实例197

第四节 其他202

一、算法202

二、可视化与画图204

第二篇　高通量测序数据分析210

第2-1章 基因组拼接与分析210

第一节 基因组序列拼接概念210

一、基因组短序列拼接问题210

二、基因组从头拼接主要方法211

三、利用遗传图谱等进行基因组组装211

第二节 基于图论的拼接算法213

一、图论213

二、基于德布鲁因图的拼接算法215

第三节 第三代测序数据拼接方法220

第四节 基于字符串（K-mer）的基因组调查与分析223

一、基因组大小估计223

二、基因组复杂度估计224

三、基因组“肖像”及缺失字符串分析225

第2-2章 基因组变异与分析228

第一节 基因组变异类型与检测方法228

一、基因组遗传变异类型228

二、基因组变异检测方法228

第二节 基因组重测序及其应用232

一、基因组重测序应用领域233

二、基因组重测序数据分析235

第2-3章 转录组分析241

第一节 转录组测序与拼接241

一、转录组及其技术平台241

二、转录组序列拼接244

第二节 基因表达分析245

一、差异表达基因的鉴定246

二、差异表达基因富集分析246

第三节 可变剪切和基因融合分析251

一、基因可变剪切251

二、融合基因253

第2-4章 非编码RNA分析257

第一节 非编码RNA简介257

一、非编码RNA类型与功能257

二、非编码RNA进化259

三、样品采集及其测序方法266

四、非编码RNA主要数据库269

第二节 小RNA计算识别与靶基因预测273

一、miRNA主要特征及计算识别273

二、siRNA主要特征及计算识别277

三、miRNA和siRNA靶基因预测280

第三节 长非编码RNA鉴定与功能分析282

一、线性lncRNA鉴定282

二、环化RNA鉴定283

三、lncRNA功能预测288

第2-5章 甲基化与组蛋白修饰分析291

第一节 表观遗传机制概述291

第二节 甲基化测序与分析292

一、甲基化测序原理292

二、生物信息学分析方法296

第三节 组蛋白修饰测定与分析298

一、组蛋白样品的制备298

二、组蛋白修饰分析方法298

第2-6章 宏基因组分析301

第一节 宏基因组及其分析方法301

一、宏基因组概述301

二、宏基因组学技术的应用304

第二节 　16S rDNA序列分析305

一、质控与分析流程306

二、物种多样性分析309

三、群落结构分析313

第三节 全基因组序列数据分析316

一、分析内容与流程316

二、基因预测及功能注释321

第2-7章 蛋白质组分析324

第一节 蛋白质组学概述324

一、蛋白质组及其分析324

二、高通量分离和鉴定技术325

第二节 双向电泳图像与质谱组合分析332

一、胶图获取与分析332

二、利用指纹图谱鉴定蛋白质334

第三节 质谱数据采集与分析335

一、质谱数据采集策略335

二、肽段数据库搜索与质量控制340

第四节 定量蛋白质组分析345

一、同位素标记定量分析345

二、非同位素标记定量分析348

第三篇　生物信息学外延与交叉352

第3-1章 系统生物学352

第一节 系统生物学概述352

一、系统生物学的兴起和基本概念352

二、研究领域及其与生物信息学的交叉353

第二节 网络与生物网络353

一、无标度和阶层网络353

二、生物网络模块及其算法工具355

第三节 基因调控网络356

一、布尔网络模型357

二、贝叶斯网络模型360

第3-2章 群体遗传学363

第一节 群体遗传多态性与结构363

一、遗传多态性及其估计363

二、群体结构366

第二节 正向选择的统计检验368

一、自然选择与中性检验368

二、基于种内多态性的检验方法369

三、基于种内多态和种间分歧度的检验方法373

第三节 群体进化的溯祖测验374

一、溯祖理论374

二、溯祖测验的应用376

第四节 统计测验相关问题与策略379

一、复合测验问题379

二、全基因组检测的优势和假阳性问题379

三、影响统计测验的因素381

第3-3章 数量遗传学383

第一节 数量性状遗传基本概念383

第二节 连锁分析387

一、连锁分析原理387

二、试验群体的连锁分析387

三、常用连锁分析软件393

第三节 关联分析397

一、关联分析基本原理397

二、常用关联分析软件402

第3-4章 合成生物学409

第一节 合成生物学概述409

一、合成生物学定义和研究内容409

二、合成生物学引发的争议411

第二节 基因线路：模块化工程化412

一、基因线路的基本概念412

二、几个经典基因线路设计415

第三节 基因组人工合成与重构418

一、噬菌体基因组人工合成与重构418

二、细菌基因组人工合成与重构420

第四篇　生物信息学资源与实践424

第4-1章 生物信息学常用代码和关键词424

第一节 核苷酸和氨基酸代码424

第二节 遗传密码426

第三节 核苷酸和蛋白质序列记录特征关键词426

一、核苷酸序列记录关键词及其说明426

二、蛋白质序列记录相关的关键词及其说明430

第4-2章 生物信息学数据库和在线分析工具433

第一节 重要门户网站与分子数据库433

一、主要门户网站433

二、主要分子数据库433

第二节 主要在线分析工具436

第三节 主要开源分析软件438

第4-3章 生物信息学实验440

实验1　分子序列数据库记录格式与检索440

实验2　数据库搜索与未知序列功能预测443

实验3　多序列联配及其功能域预测445

实验4　蛋白质编码基因预测与功能注释447

实验5　非编码miRNA二级结构及其靶基因预测450

实验6　基因组浏览器GBrowser及其应用453

实验7　系统发生树构建457

实验8　蛋白质结构预测460

第4-4章 生物信息学常用英文术语及释义464

参考文献499