第六章基因预测和基因结构分析

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1、第六章基因预测和基因结构分析人们获得各种核酸和蛋白质序列的目的是了解这个序列在生物体中充当了怎样的角色。例如,DNA序列中重复片段、编码区、启动子、内含子/外显子、转录调控因了结合位点等信息;蛋口质的分了量、等电点、二级结构、三级结构、四级结构、膜蛋白的跨膜区段、酶的活性位点、以及蛋白质Z间相互作用等结构和功能信息。虽然用实验的方法是多年以来解决这类问题的主耍途径,但新的思路是利用已有的对生物大分子结构和功能特性的认识,用生物信息学的方法通过计算机模拟和计算来“预测',出这些信息或提供与之相关的辅助信息。由于生物信息学的特点,可以用较低的

2、成木和较快的时间就能获得可靠的结果。近10年來生物学序列信息的爆炸性增长人人促进了各种序列分析和预测技术的发展,目前已经可以用理论预测的方法获得大量的结构和功能信息。要注意的是,尽管各种预测方法都基于现有的生物学数据和已有的生物学知识,但在不同模型或算法基础上建立的不同分析程序有其一定的适用范围和相应的限制条件,因此最好对同一个生物学问题尽量多用儿种分析程序,综合分析各种方法得到的结果和结果的可靠性。此外,生物信息学的分析只是为生物学研究提供参考,这些信息能提高研究的效率或提供研究的思路,但很多问题还需要通过实验的方法得到验证。在构建一个

3、基因结构预测模型吋,一些主要问题是值得注意的:(1)对真核生物序列,遮蔽重复序列应先于其它分析过程;(2)大多程序都冇特定生物物种适用性;(3)许多程序只能特定适用于基因组DNA数据或者只适用于cDNA的数据;(4)序列的长度也是一个重要因素。6.1针对核酸序列的预测方法针对核酸序列的预测就是在核酸序列中寻找基因,找出慕因的位置和功能位点的位置,以及标记已知的序列模式等过程。在此过程中,确认一段DNA序列是-个基因需耍冇多个证据的支持。一般而言,在重复片段频繁岀现的区域里,基因编码区和调控区不太可能岀现;如果某段DNA片段的假想产物与某个

4、已知的蛋白质或其它基因的产物具有较高序列相似性的话,那么这个DNA片段就菲常可能属于外显了片段;在一段DNA序列上出现统计上的规律性,即所谓的“密码子偏好性",也是说明这段DNA是蛋白质编码区的有力证据;其它的证据包括与“模板''序列的模式相匹配、简单序列模式如TATABox等相匹配等。一般而言,确定基因的位置和结构需要多个方法综合运用,而且需要遵循一定的规则:对于真核生物序列,在进行预测Z前先要进行重复序列分析,把重复序列标记出来并除去;选用预测程序时要注意程序的物种特异性;要弄清程序适用的是基因组序列述是cDNA序列;很多程序对序列长

5、度也冇要求,冇的程序只适用于长序列,而对EST这类残缺的序列则不适用。6.1.1重复序列分析对丁•真核生物的核酸序列而言,在进行基因辨识Z前都应该把简单的大量的重复序列标记岀来并除去,因为很多情况下重复序列会对预测程序产生很大的扰乱,尤其是涉及数据库搜索的程序。常见的重复序列分析程序有GrailEXP等,可以在Web界面上使用这些程序,或者用Email来进行。6.1.2数据库搜索把未知核酸序列作为查询序列,在数据库里搜索与之相似的已有序列是序列分析预测的有效手段,在上一节中已经专门介绍了序列比对和搜索的原理和技术。但值得注意的是,由相似性

6、分析作出的结论可能导致错误的流传;冇一定比例的序列很难在数据库里找到合适的同源伙伴。对于EST序列而言,序列搜索将是非常有效的预测手段。6.1.3编码区统计特性分析统计获得的经验说明,DNA屮密码子的使用频率不是平均分布的,某些密码子会以较高的频率使用而另一些则较少出现。这样就使得编码区的序列呈现出可察觉的统计特异性,即所谓的“密码子偏好性二利用这一特性对未知序列进行统计学分析可以发现编码区的粗略位置。这一类技术包括:双密码了计数(统计连续两个密码子的出现频率);核首酸周期性分析(分析同一个核昔酸在3,6,9,…位置上周期性出现的规律);

7、均一/复杂性分析(长同聚物的统计计数);开放可读框架分析等。常见的编码区统计特性分析工具将多种统计分析技术组合起来,给出对编码区的综合判别。著名的程序有GRAIL和GenMark等,GRAIL提供了基于Web的服务。6.1.4启动子分析启动了是基因表达所必需的重要序列信号,识别出启动了对于基因辨识十分重耍。冇一些程序根据实验获得的转录因子结合特性来描述启动子的序列特征,并依次作为启动子预测的依据,但实际的效果并不I•分理想,遗漏和假阳性都比较严重。总的来说,启动子仍是值得继续研究探索的难题。6.1.5内含子/外显子剪接位点剪接位点一般具有

8、较明显的序列特征,但是要注意可变剪接的问题。由于可变剪接在数据库里的注释非常不完整,因此很难评估剪接位点识别程序预测剪接位点的敏感性和精度。如果把剪接位点和两侧的编码特性结合起来分析则有助于提

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