生物資訊課程綱要

 

課程目標

 

1.       介紹生物資訊之意義與內涵。

2.       生物資訊相關網路資源導覽。

3.       相關應用軟體之取得與使用。

4.       生物資訊在生物技術應用實例介紹。

5.       生物資訊網路資源使用實務演練。

授課時間

 

民國九十年十月六日  10:00 ~ 12:00

教學資源

                   來源                 說明  

1

IBM-PC

本校

 

2

Netscape

網路

網路瀏覽器

3

Rasmol

網路

分子檢視軟體; plug-in

4

Chime

網路

分子檢視軟體; plug-in

5

PDBviewer

網路

分子檢視軟體

    課程項目

教學重點

網路資源

實作範例

1

 

生物資訊之定義與進展

1.       什麼是生物資訊

2.       生物資訊發展回顧

3.       生物學”基本教義”

4.       基因解碼

人類基因體

 

稻米基因體

 

 

瀏覽基因圖譜

 

2

 

生物高分子組成與結構

 

1.       鹼基與核酸

2.       胺基酸與蛋白質

3.       蛋白質結構

4.       蛋白質功能

胺基酸資訊

 

蛋白質教學

 

鹼基對分子檢視

 

胺基酸分子檢視

3

 

資源與工具

 

1.       分子檢視軟體

2.       資料庫類別與功能

3.       整合型資源系統

Protein Data Bank (PDB)

Protein Information Resources (PIR)

Swiss-Prot

EXPASY

DNA序列

蛋白質特性

 

4

生物資訊系統之使用

1.       序列比對

2.       結構預測

3.       資訊蒐尋

BLAST, FASTA

PHD, NNPredict

PubMed

DNA 序列比對

蛋白質序列比對

 

5

 

生物資訊應用實例

1.       疾病與製藥

2.       人工嗅覺之設計

 

 

6

實    務    練    習

參閱實務操作說明

 

實務操作 I

在此實務操作中將介紹如何使用蛋白質資料庫(PDB)及基因資料庫（GeneBank）進行蒐尋，下載資料及瀏覽分子。

操作主題

 

資料庫之使用入門及分子瀏覽軟體之安裝與使用

資源與軟體

                                         網      址

1.

PDB

蛋白質結構資料庫

http://www.rcsb.org/pdb/

2.

GenBank

基因序列相關資料庫

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Genbank/

3.

Rasmol

分子檢視軟體

 

4.

Chime

分子檢視軟體

http://www.mdlchime.com/chime/

項     目

步       驟

說     明

1.

分子瀏覽軟體之安裝

1.       進入chime之網站下載壓縮檔

2.       解壓縮並安裝chime軟體

3.       進入Rasmol網站下載壓縮檔

4.       解壓縮並安裝Rasmol軟體

瀏覽軟體之安裝

2.

PDB之使用

1.        以Netscape瀏覽PDB主頁並於蒐尋選項中選取SerachLite

2.        於蒐尋條件欄位鍵入關鍵字AFP

3.        於蒐尋結果清單中選取代碼為1OPS之資料,並點選EXPLORE畫面上即出現該蛋白質結構之基本資訊。

4.        注意該資料之主要文獻來源

5.        於左方選項欄位中點選Sequence Details

6.        撿視序列及二級結構特徵

7.        點選 Download in FASTA format 下載序列

8.        點選Sting Millennium Suite檢視序列與結構

9.        點選Protein Dossier檢視該序列之性質特徵

10.     於左方選項欄位中點選View Structure

11.     分別選擇Rasmol及Protein Explorer比較所觀測之結果並練習二瀏覽軟體之功能

以抗凍蛋白(AFP)為例進行相關資料蒐尋

1OPS為x光繞射法所測定之黏魚第三型抗凍蛋白

 

 

檢視序列及其特徵

 

下載檔案可命名1OPS

 

 

檢視蛋白質結構

3.

GenBank之使用

1.       進入Genbank首頁

2.       於上方Search欄位中選取nucleotide並於蒐尋蒐尋條件中輸入「type III AFP AND eel pout」

3.       選取代碼為U20443之資料

4.       蒐尋基因序列並以FASTA模式呈現並下載

以黏魚第三型抗凍蛋白為例進行基因相關資料搜尋

 

 

下載檔案可命名為U2443-AFPgene

 

實務操作 II

在此實務操作中將介紹如何使用資料庫進行基因序列比對、蛋白質序列分析與比對等功能

操作主題

 

使用資料庫之功能進行抗凍蛋白(AFP)序列之比對與分析

資源與軟體

                                         網      址

1.

Swiss-Prot/TrEMBL

蛋白質結構資料

http://www.expasy.ch/sprot

2.

ExPASy

蛋白質分析系統

http://tw.expasy.org/       (此為臺灣鏡像站)

3.

Netscape

網頁瀏覽器

 

4.

BLAST

序列比對

 

 

步       驟

說     明

1.

基因序列之比對

5.       在Genbank中點選BLAST功能選項.

6.       將操作I所下載之基因序列(存於檔案U2443-AFPgene)複製至search欄位中.

7.       點選Format!功能鍵瀏覽蒐尋結果.

比較抗凍蛋白之基因序列

2.

蛋白質序列分析

基因碼轉換

1.       進入ExPASy首頁並於Tools and Software Packages項目下點選DNAàprotein之選項

2.       於DNAàprotein中選取MBS Translater 工具

3.       將U2443-AFPgene檔案中之基因序列複製到輸入欄位內進行轉換

4.       檢視並下載轉換之結果

蛋白質基本性質(以分子量及pI為例)

1.       進入進入ExPASy首頁並於Tools and Software Packages項目下點選:PI/MW compute工具

2.       將1OPS檔中序列複致於輸入欄位

3.       進行分子量及PI之計算,檢視結果.

一級結構分析

1.       進入進入ExPASy首頁並於Tools and Software Packages項目下點選:colorseq工具

2.       將1OPS檔中序列複致於輸入欄位

3.       根據胺基酸特性以顏色顯現於蛋白質序列中

分析抗凍蛋白之性質

 

將基因碼轉換為蛋白質序列

 

 

 

下載檔案可命名為translate1

3.

蛋白質序列比對

12.     在Genbank中點選BLAST功能選項.

13.     選擇Pairwise BLAST中BLAST 2 Sequences

14.     分別將1OPS及translate1中序列複製到sequence1及sequence2之輸入欄位中並點選Align送出資料進行比對

15.     研判比對結果

比較二抗凍蛋白序列

 

實務操作 III

在此實務操作中將以ribose operon repressor為待測蛋白質而以lactose operon repressor為模組蛋白質，藉由序列比對進行二及級及三級結構之預測。藉由此時操做演練將可熟悉如何使用生物資料庫進行序列比對及結構預測以及使用檢視軟體分析蛋白質構型之方法。

操作主題

 

根據類似序列預測蛋白質構型

 

 

待測蛋白質: ribose operon repressor

模組蛋白質: lactose operon repressor

資源與軟體

                                         網      址

 

PIR

序列資料

http://pir.georgetown.edu/

 

PDB

蛋白質結構資料

http://www.rcsb.org/pdb/

 

Blast (in NCBI)

序列比對

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/

 

FASTA (in EBI)

序列比對

http://www2.ebi.ac.uk/fasta3/

 

PHD

二級結構預測

http://cubic.bioc.columbia.edu/predictprotein/

 

NNPredict

二級結構預測

http://www.cmpharm.ucsf.edu/~nomi/nnpredict.html

 

SWISS-MODEL

產生三度空間結構檔

http://www.expasy.org/swissmod/SWISS-MODEL.html

 

Chime

分子檢視軟體

http://www.mdlchime.com/chime/

 

步       驟

說     明

 

 

 

蛋白質序列及相關資料蒐尋

8.       進入PIR資料庫分別蒐集ribose operon repressor及lactose operon repressor二蛋白質之序列。

9.       由PIR資料庫提供之註解比對二蛋白質之功能及性質。

10.   進入PDB確認並下載lactose operon repressor之結構檔案。(PDB ID = )

以lactose operon repressor 為已知結構之模組, ribose operon repressor 則為待測之蛋白質。

 

 

 

 

 

序列比對

以BLAST進行二蛋白質之序列比對。比對將分兩類進行。

全序列比對

1.        進入使用者界面，分別將二蛋白質序列輸入

2.        選取submit，送出比對資料

3.        待比對結果顯現後確認相似度及相似部位

N-端序列比對

1.       重覆全序列比對之步驟，但僅輸入二蛋白質序列前端62個胺基酸

2.       分析比較全序列及N-端序列比對結果。

3.       比較全序列比對及N-端序列比對之相似度有何差異?

以BLAST比對序列，包括雙序列比對 (pairwise  alignment )及多序列比對。

 

 

 

截取不同片斷長度進行比較會影響比對結果。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

二級結構預測與比對

分別以PHD及NNPredict兩種工具，依據所輸入之蛋白質序列預測二級結構

NNPredict:

16.     進入使用者界面，選取待測蛋白質分類(none)

17.     輸入待測蛋白質名稱。

18.     輸入待測蛋白質ribose operon repressor N-端序列(62個胺基酸)。

19.     選取submit

20.     檢視分析預測結果。

PHD (ProteinPredict):

1.        進入使用者界面，輸入個人E-mail地址，以便資料回傳。

2.        輸入待測蛋白質名稱。

3.        輸入待測蛋白質ribose operon repressor N-端序列(62個胺基酸)。

4.        選取SUBMIT/RUN PREDICTION，送出序列資料。

5.        預測結果將由E-mail回傳，檢視分析結果。

6.        與NNPredict所得之結果進行比較。

根據序列相似性進行結構預測

 

NNPredict預測結果會直接在網頁上顯現。各二級結構以下列代號表示

H = helix

E = strand,

- = no prediction

PHD預測結果以電子郵回傳。各二級結構以下列代號表示

H=helix

E=extended (sheet)

blank=rest (loop)

 

 

 

 

 

 

 

根據模組構型

產生3D結構

使用SWISS-MODEL模擬ribose operon repressor之3D結構

1.        進入使用者界面，選取first approach mode。

2.        輸入電子郵件地址及姓名。

3.        輸入待測蛋白質名稱ribose operon repressor。

4.        輸入待測蛋白質ribose operon repressor N-端序列(62個胺基酸)。

5.        輸入模組蛋白質檔案位置。

l         可先下載模組蛋白質至使用者之電腦。使用者至多可自定五種模組。

l         直接輸入PDB檔名稱，由伺服器進自行蒐尋。

6.        選取SUBMIT/RUN PREDICTION，送出預測資料。

7.        預測結果將由E-mail回傳，下載所附之.pdb檔案。

根據待測蛋白質與模組蛋白質序列相似性進行三度空間結構之模擬

 

 

 

所有模組需簡約至單一chain。

 

 

檢視分析模擬結果

以Chime瀏覽模擬結果

1.        以顏色或不同標示法區分預測及模組蛋白質。

2.        比較二蛋白質構型差異。

Chime程式可由網路免費下載後進行安裝。需配合Netscape瀏覽器開啟。

 

參考文獻

 

“Structure Analysis and Modeling of Proteins on the Web”, Darryl León, Sarah Uridil and James Miranda, J. Chem. Ed., 1998, Vol. 75, No. 6, 731~734.

 

 

 

 

示範流程