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计算生物学在药学研究中的应用

药学学报 2024年第8期59卷 2192-2198页

作者：汤佳宁孙洋南京大学生命科学学院医药生物技术全国重点实验室江苏南京210023

计算生物学(computational biology)属于生物学的一个分支,是指开发和应用数据分析及理论的方法、数学建模和计算机仿真技术等,用于生物学、行为学和社会群体系统的研究的一门学科。近年来,计算生物学越来越受到重视,这主要是因为高通... 详细信息

计算生物学(computational biology)属于生物学的一个分支,是指开发和应用数据分析及理论的方法、数学建模和计算机仿真技术等,用于生物学、行为学和社会群体系统的研究的一门学科。近年来,计算生物学越来越受到重视,这主要是因为高通量技术大大提高了数据的生成能力。海量计算数据的生成带动了设备计算能力的不断增长,数据的复杂性和异质性也需要更加系统的分析方法,它们共同推动着计算生物学的发展。随着大数据时代的发展,生物学研究和实验的数据呈指数型增长,单一的观察和实验已经无法支撑高复杂性的数据,计算生物学成为药物研究的一个重要且有力的工具。目前,计算生物学已经应用于肽合成与小分子设计、虚拟筛选、蛋白质结构与蛋白质相互作用预测、数据库构建、生物活性物质预测和药物释放监测等多个领域,从而为药物靶点预测、药物设计、药物筛选及药物的临床应用等多个药物研究的过程提供帮助。计算生物学如今已成为相较于传统药物研究工具更加省时省力的“臂膀”,同时药物研发的需求也不断推动着计算生物学的发展。二者相辅相成,共同发展,计算生物学已成为药物研究不可分割的一部分。

关键词：计算生物学药学药物靶点预测药物筛选药物设计应用

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植物气孔计算生物学模型及其应用

科学通报 2021年第9期66卷 994-1001页

作者：何冰清芮蒙蒙马越王一州浙江大学农业与生物技术学院作物科学研究所杭州310058 浙江省作物种质资源重点实验室杭州310058

气孔作为植物与外界进行碳、水交换的重要器官,将光合作用所需要的二氧化碳导入植物体内,并且通过蒸腾作用将水分散失到大气中.因此,深入了解气孔行为、有效调控气孔开度,对于提高植物的光合作用和水分利用效率具有深远的意义.气孔运动... 详细信息

气孔作为植物与外界进行碳、水交换的重要器官,将光合作用所需要的二氧化碳导入植物体内,并且通过蒸腾作用将水分散失到大气中.因此,深入了解气孔行为、有效调控气孔开度,对于提高植物的光合作用和水分利用效率具有深远的意义.气孔运动是由离子的运输、积累和释放所驱动的保卫细胞体积变化所引起的.然而,复杂的离子交换机制阻碍了人们对气孔运作机制的深入了解.定量系统的计算生物学分析方法为探索微观离子运输与宏观气孔生理活动之间的联系提供了一种有效的研究手段.通过系统整合保卫细胞离子运输、信号传导和离子稳态平衡等相关信息建立定量动态保卫细胞模型,可以为研究者在细胞和分子层面上对保卫细胞离子运输和气孔行为的研究工作提供有效的指导.本文通过回顾气孔建模工作的发展历程和研究现状,比较了传统经验、半经验的气孔模型和新式计算生物学模型,提出进一步发展气孔计算生物学促进计算生物学在我国农业领域的发展.

关键词：气孔计算生物学离子稳态离子运输模拟预测

计算生物学中的高性能计算(Ⅰ)—分子动力学

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计算机工程与科学 2014年第12期36卷 2242-2250页

作者：王涛上海超级计算中心上海201203

分子动力学是高性能计算应用的重要领域,大量的高性能计算资源或机时被用于分子动力学模拟。描述了分子动力学的计算方法和特点,包括常用并行算法、性能改进方式等,介绍了常用的分子动力学大规模并行计算软件及其功能特性,最后展望了分... 详细信息

分子动力学是高性能计算应用的重要领域,大量的高性能计算资源或机时被用于分子动力学模拟。描述了分子动力学的计算方法和特点,包括常用并行算法、性能改进方式等,介绍了常用的分子动力学大规模并行计算软件及其功能特性,最后展望了分子动力学模拟的发展与挑战。

关键词：高性能计算应用分子动力学计算生物学

计算生物学中有关基因组翻转距离的NPC问题

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计算机科学 2002年第11期29卷 59-64页

作者：栾峻峰朱大铭马绍汉山东大学计算机科学与技术学院济南250100

Problems of computing the reversal distance between genomes are discussed. Problems of computing the reversal distance between genomes are fundamental problems of Computational Biology, these problems have important meanings in studying the biological race evolution and the bio-pharmaceuticals etc. The problem of evolutionary trees based on reversal distance between genomes and it's NPC property are especially discussed.

关键词：计算生物学基因组翻转距离 NPC问题基因序列

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计算生物学中的高性能计算(Ⅱ)—序列分析

计算机工程与科学 2015年第1期37卷 7-13页

作者：王涛上海超级计算中心上海201203

序列分析是高性能计算应用的一个重要方向。随着高通量测序技术的发展,基因数据呈现爆炸性增长,对高性能计算的需求也更加迫切。介绍了高性能计算在序列分析中的应用和序列分析算法的并行实现,包括序列比对、检索、重测序、拼接等。

关键词：高性能计算应用计算生物学序列分析

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计算生物学在RNA研究中的应用

中国科学：生命科学 2024年第4期54卷 668-693页

作者：陈志荣黄钧鸿李斌杨建华中山大学生命科学学院基因功能与调控教育部重点实验室水产动物疫病防控与健康养殖全国重点实验室广州510275 中山大学附属第五医院珠海519000

计算生物学在非编码RNA(non-coding RNA,ncRNA)研究领域中发挥着重要的作用.计算生物学是利用计算机科学方法来研究和理解生命科学问题的交叉学科,而ncRNA作为一类数目庞大且功能多样的RNA分子,参与了广泛的生物学过程.本文对RNA计算生... 详细信息

计算生物学在非编码RNA(non-coding RNA,ncRNA)研究领域中发挥着重要的作用.计算生物学是利用计算机科学方法来研究和理解生命科学问题的交叉学科,而ncRNA作为一类数目庞大且功能多样的RNA分子,参与了广泛的生物学过程.本文对RNA计算生物学中的常用算法和工具进行综述,并着重介绍专家系统、机器学习、深度学习等计算生物学研究策略在ncRNA鉴定、ncRNA靶标预测、RNA修饰、RNA二级结构检测、RNA-蛋白质互作及RNA功能预测中的应用.

关键词：非编码RNA 计算生物学专家系统机器学习深度学习

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计算生物学——一门充满活力的新兴交叉学科

科学学与科学技术管理 2006年第3期27卷 11-15页

作者：程妍刘仲林中国科学技术大学科技哲学教研部安徽合肥230052

在人类基因组计划的推动下,应运产生了由计算机技术、物理、化学、分子生物学等多学科相互渗透、融合而成的新兴交叉学科——计算生物学。介绍了计算生物学的产生背景、研究内容、研究方法、应用案例以及发展前景。

关键词：计算机生物学交叉计算生物学

基于计算生物学和动物实验探究党参抗皮肤衰老的作用机制

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中药新药与临床药理 2024年第8期35卷 1107-1114页

作者：王振娟柳立军安琪张婧韩亚鹏王晶甘肃中医药大学公共卫生学院甘肃兰州730000 兰州大学第一医院甘肃兰州730000 中国农业科学院兰州兽医研究所甘肃兰州730046 陇东学院甘肃庆阳745000

目的应用计算生物学和动物实验研究党参水提物抗皮肤衰老的作用机制。方法选取50只SPF级8周龄C57BL/6小鼠随机分为5组,构建D-半乳糖小鼠衰老模型,并用不同剂量党参水提物进行干预;运用苏木精-伊红染色法(HE)和马松(Masson)染色观察小鼠... 详细信息

目的应用计算生物学和动物实验研究党参水提物抗皮肤衰老的作用机制。方法选取50只SPF级8周龄C57BL/6小鼠随机分为5组,构建D-半乳糖小鼠衰老模型,并用不同剂量党参水提物进行干预;运用苏木精-伊红染色法(HE)和马松(Masson)染色观察小鼠皮肤组织病理变化;生化检测分析小鼠皮肤中羟脯氨酸(HYP)、超氧化物歧化酶(SOD)和丙二醛(MDA)含量变化;利用透射电镜观察小鼠皮肤组织超微结构变化。GEO数据库获取皮肤老化芯片数据,筛选皮肤老化差异基因,应用TCMSP及UniProt数据库检索党参活性成分及其药物靶点。将以上数据整合后获得党参-皮肤老化的交集靶点;通过STRING数据库构建党参干预皮肤老化的核心基因蛋白互作网络。实时荧光定量PCR(RT-qPCR)和蛋白免疫印迹验证靶点基因和其所在通路主要蛋白在党参干预衰老模型后的表达情况。结果与正常对照组比较,衰老模型组小鼠皮肤组织结构有明显损伤,党参干预后明显改善了皮肤组织结构损伤;与正常对照组比较,衰老模型组小鼠皮肤组织中HYP、SOD含量显著减少(P学意义(P计算生物学预测得到党参干预皮肤老化的核心靶点。与正常对照组比较,衰老模型小鼠皮肤中MMP9的表达显著升高(P<0.05),经党参干预后,MMP9的表达量显著下降(P<0.05),其所在通路NF-κB中的关键蛋白核因子κB抑制蛋白α(IκBα)、IκB激酶α(IKKα)、核转录因子κB(NF-κB)P65的表达在党参干预后的皮肤组织中有显著变化(P<0.05)。结论党参水提物可以有效减轻衰老模型小鼠皮肤组织的老化,通过抑制NF-κB通路中IκBα、IKKα、NF-κB P65蛋白的表达,减少下游基因MMP9的表达,从而减轻皮肤胶原破坏,抵抗皮肤老化。

关键词：党参计算生物学 D-半乳糖小鼠皮肤老化作用机制 NF-κB通路 MMP9

基于计算生物学技术和实验验证探讨黄芪、当归有效成分治疗特发性肺纤维化的分子机制

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基于计算生物学技术和实验验证探讨黄芪、当归有效成分治疗特发性...

作者：刘珊珊北京中医药大学

学位级别：硕士

1研究目的基于计算生物学技术中的网络药理学和分子对接技术探索黄芪、当归有效成分治疗特发性肺纤维化的信号通路及作用机制,并用细胞实验进行验证,证明黄芪、当归治疗特发性肺纤维化具有多成分-多靶点-多通路的作用。2研究方法2.1网... 详细信息

1研究目的基于计算生物学技术中的网络药理学和分子对接技术探索黄芪、当归有效成分治疗特发性肺纤维化的信号通路及作用机制,并用细胞实验进行验证,证明黄芪、当归治疗特发性肺纤维化具有多成分-多靶点-多通路的作用。2研究方法2.1网络药理学方法通过TCMSP、TCMID、Batman数据库查找黄芪、当归药物成分和对应靶点,通过Genecard、OMIM数据库查找特发性肺纤维化疾病靶点,利用韦恩图求药物靶点与疾病靶点的交集靶点,利用交集靶点绘制PPI网络图,并使用Cytoscape软件中的CytoNCA插件功能对PPI网络进行拓扑分析,选出Degree值较高的靶点,这些靶点可能是黄芪当归治疗特发性肺纤维化的核心靶点。利用DAVID数据库对交集靶点进行GO分析和KEGG通路富集分析,依据KEGG通路富集分析中的P值和富集靶点数,找出靶点对应的成分,绘制“药物-成分-靶点-通路”网络图。查找文献,选择通路图中要研究的通路,绘制网络通路图,并根据网络通路中的靶点找出对应的成分,利用Autodock Vina软件对靶点和成分进行分子对接。2.2细胞实验验证选取Ⅱ肺泡上皮细胞(A549),复苏细胞、传代,将A549细胞接种在6孔细胞培养板中,每孔5×105个细胞数,分为空白组、DMSO组、IL-6组、IL-6+槲皮素组、IL-6+厚朴酚组、IL-6+槲皮素+厚朴酚组,每组设置3个复孔,24h后每组给予对应的药物,4h后收集细胞,Western blot检测JAK2、P-JAK2、STAT3、P-STAT3和α-SMA、β-Actin的蛋白表达量,RT-qPCR检测HIF-1α、α-SMA、GAPDH mRNA表达量,验证槲皮素和厚朴酚对IL-6/JAK2/STAT3/HIF-1α信号通路的作用。3研究结果3.1网络药理学研究结果通过TCMSP、TCMID、Batman数据库查找黄芪、当归药物成分和对应靶点,共获得黄芪、当归药物成分355个,药物靶点1588个;通过Genecard、OMIM数据库查找特发性肺纤维化疾病靶点,共获得疾病靶点1035个;通过绘制韦恩图,共获得260个交集靶点,通过PPI网络图可获得260个节点,2034条边,表明260个靶点能够发生相互作用;将260个交集靶点进行GO分析和KEGG通路富集分析,主要涉及HIF-1信号通路、JAK-STAT信号通路、PI3K-AKT信号通路、MAPK信号通路等,通过成分-靶点-通路图,发现Degree值较高的靶点主要为IL-6、STAT3、TNF等,分子对接结果显示:IL-6与槲皮素结合,JAK2与厚朴酚结合时,结合能相对较低,对接活性较强。3.2细胞实验研究结果Western blot结果显示:与空白组相比,IL-6组JAK2磷酸化水平显著增加,与IL-6组相比,IL-6+槲皮素组JAK2磷酸化水平显著降低,具有显著统计学差异(P学差异(P学差异(P学差异(P学差异(P学差异(P学和分子对接的相关结果一致。

关键词：黄芪、当归有效成分计算生物学实验验证特发性肺纤维化