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1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 What is Bioinformatics? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 What Can BioinformaticsDo? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Part I Information
2 The Nature of Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1 Structure and Quantity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.1 The Generation of Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.2 Conditional and Unconditional Information . . . . . . . . . . 15
2.1.3 Experiments and Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 Constraint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1 The Value of Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.2 The Quality of Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3 Accuracy, Meaning, and Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.1 Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.2 Meaning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.3 Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.4 Significs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4 Further Remarks on InformationGeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3 The Transmission of Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1 The Capacity of a Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3 Decoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4 Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4.1 Use of Compression toMeasure Distance. . . . . . . . . . . . 41
3.4.2 Ergodicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5 Noise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
xi
xii Contents
3.6 Error Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4 Sets and Combinatorics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1 The Notion of Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2 Combinatorics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2.1 Ordered SamplingWith Replacement . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2.2 Ordered SamplingWithout Replacement . . . . . . . . . . . . 48
4.2.3 Unordered SamplingWithout Replacement . . . . . . . . . . 49
4.2.4 Unordered SamplingWith Replacement . . . . . . . . . . . . . 51
4.3 The Binomial Theorem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5 Probability and Likelihood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1 The Notion of Probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2.1 GeneralizedUnion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.2.2 Conditional Probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2.3 Bernoulli Trials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.3 Moments of Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.3.1 Runs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.3.2 The HypergeometricDistribution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.3.3 Multiplicative Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.4 Likelihood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.5 TheMaximumEntropyMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6 Randomness and Complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.1 Random Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.2 Markov Chains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.3 RandomWalks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.4 Noise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.5 Complexity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
7 Systems, Networks, and Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.1 General Systems Theory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
7.1.1 Automata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.1.2 Cellular Automata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.1.3 Percolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.2 Networks (graphs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
7.2.1 Trees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7.2.2 Complexity Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7.2.3 Dynamical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7.3 Synergetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7.3.1 Some Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7.3.2 Reception and Generation of Information . . . . . . . . . . . . 96
7.4 Evolutionary Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Contents xiii
8 Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
8.1 Evolutionary Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
8.2 Pattern Recognition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8.3 Botryology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
8.3.1 Clustering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.3.2 Principal Component and Linear
DiscriminantAnalyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.3.3 Wavelets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
8.4 Multidimensional Scaling and Seriation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.5 Visualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Part II Biology
9 Introduction to Part II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
9.1 Genotype, Phenotype, and Species . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
9.2 Adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
9.3 Timescales of Adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
9.3.1 The Rˆole ofMemory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
9.3.2 The Integrating Rˆole of Directive Correlation . . . . . . . . 119
9.4 Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
9.5 The Concept ofMachine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
9.6 The Architecture of Functional Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
10 The Nature of Living Things . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
10.1 The Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
10.1.1 The Structure of a Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
10.1.2 ObservationalOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
10.2 Metabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
10.3 The Cell Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
10.3.1 The Chromosome. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
10.3.2 The Structure of Genome and Genes . . . . . . . . . . . . . . . . 133
10.3.3 The C-Value Paradox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
10.3.4 The Structure of the Chromosome . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
10.4 The Immune System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
10.5 MolecularMechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
10.5.1 Replication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
10.5.2 Proofreading and Repair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
10.5.3 Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
10.5.4 Summary of Sources ofGenome Variation . . . . . . . . . . . 145
10.6 Gene Expression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
10.6.1 Transcription. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
10.6.2 Regulation of Transcription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
10.6.3 Prokaryotic Transcriptional Regulation . . . . . . . . . . . . . . 147
10.6.4 Eukaryotic Transcriptional Regulation . . . . . . . . . . . . . . 147
xiv Contents
10.6.5 mRNA Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
10.6.6 Translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
10.7 Ontogeny (Development) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
10.7.1 Stem Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
10.7.2 Epigenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
10.7.3 r and K Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
10.7.4 Homeotic Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
10.8 Phylogeny and Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
10.8.1 Models of Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
10.8.2 Sources of GenomeVariation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
10.8.3 The Origin of Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
10.8.4 Geological Eras and Taxonomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
11 The Molecules of Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
11.1 Molecules and Supramolecular Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
11.2 Water. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
11.3 DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
11.4 RNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
11.5 Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
11.5.1 Amino Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
11.5.2 Protein Folding and Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
11.5.3 Experimental Techniques for Protein Structure
Determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
11.5.4 Protein StructureOverview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
11.6 Polysaccharides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
11.7 Lipids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Part III Applications
12 Introduction to Part III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
13 Genomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
13.1 DNA Sequencing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
13.1.1 Extraction of Nucleic Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
13.1.2 The Polymerase Chain Reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
13.1.3 Sequencing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
13.1.4 Expressed Sequence Tags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
13.2 DNAMethylation Profiling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
13.3 Gene Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
13.4 Extrinsic Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
13.4.1 Database Reliability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
13.4.2 Sequence Comparison and Alignment . . . . . . . . . . . . . . . 194
13.4.3 Dynamic ProgrammingAlgorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
Contents xv
13.5 Intrinsic Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
13.5.1 Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
13.5.2 HiddenMarkovModels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
13.6 Beyond Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
13.7 Minimalist Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
13.7.1 Nucleotide Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
13.7.2 Word Occurrences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
13.8 Phylogenies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
14 Proteomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
14.1 Transcriptomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
14.1.1 Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
14.2 Proteomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
14.2.1 Two-Dimensional Gel Electrophoresis . . . . . . . . . . . . . . 212
14.2.2 Column Chromatography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
14.2.3 Other Kinds of Electrophoresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
14.3 Protein Identification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
14.4 Isotope-CodedAffinity Tags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
14.5 ProteinMicroarrays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
14.6 Protein Expression Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
14.7 The Kinome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
15 Interactomics: Interactions and Regulatory Networks . . . . . . . . . . . . . 221
15.1 Inference of Regulatory Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
15.2 The Physical Chemistry of Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
15.3 Intermolecular Interactions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
15.3.1 Time-DependentRate “Constants” . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
15.3.2 Specificity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
15.3.3 Nonspecific Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
15.3.4 Cooperative Binding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
15.3.5 Sustained Activation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
15.4 In vivo Experimental Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
15.4.1 The Yeast Two-HybridAssay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
15.4.2 Crosslinking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
15.4.3 Correlated Expression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
15.4.4 Other Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
15.5 In vitro Experimental Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
15.5.1 Chromatography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
15.5.2 Direct AffinityMeasurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
15.5.3 Protein Chips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
15.6 Interactions fromSequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
15.7 Global Statistics of Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
xvi Contents
16 Metabolomics and Metabonomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
16.1 Data Collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
16.2 Data Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
16.3 Metabolic Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
16.3.1 Metabolic ControlAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
16.3.2 TheMetabolic Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
16.4 MetabolicNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
17 Medical Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
17.1 The Genetic Basis of Disease . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
17.2 Cancer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
17.3 Toward Automated Diagnosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
17.4 DrugDiscovery and Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
17.5 PersonalizedMedicine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
18 The Organization of Knowledge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
18.1 Ontology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
18.2 KnowledgeRepresentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
18.3 The Problemof Bacterial Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
18.4 TextMining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
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发表于 2010-12-17 00:48:05
发表于 2011-6-1 15:58:40