发现 DNA 中的隐藏信息(生物信息学 I)

Finding Hidden Messages in DNA (Bioinformatics I)

本课程会在开头的几节课中介绍计算在现代生物学中发挥出的重大作用。请和我们一道探索生物信息学的前沿,无需进入实验室也可发现DNA中的隐藏信息。在回顾了算法的相关知识后,我们将学习如何才能使用随机化算法解决生物信息学领域的相关问题。

加州大学圣地亚哥分校

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发现DNA中的隐藏信息

课程概述

一个基因组看起来就像是由字母A、C、G和T组成的一组难以理解的字符串。但是隐藏在你基因组中的三十多亿个核苷酸实际上是一个密码系统。本课程会向你介绍我们应如何运用算法破解DNA中的隐藏信息,从而着手逐步理解这种语言。

这些隐藏信息表达的是什么?在本课程的第一章中,DNA的隐藏信息将向我们讲解一个应用于生物工程及更广泛领域的问题,即细菌是从何处开始复制其自身的基因组。在第二章中,DNA的隐藏信息将告诉我们生物体是如何区分昼夜,以及引发结核病的细菌如何能躲过抗生素的“追捕”。并且,我们还将通过抛硬币和掷骰子的例子讲解随机化算法,以及如何使用此算法破解上述信息。
课程每一章都包含一个单独的生物学问题,并逐渐建立起解决这些问题所需要的算法知识。在整个学习过程中,课本文本里融入了大量当时需要的编程的挑战和练习(其中大部分需要你处理真实的遗传数据)。

课程大纲

基因组从哪里开始复制? (算法预热):
DNA复制导论
复制起点中的隐藏消息
一些隐藏信息比其他信息更惊人
隐藏信息的爆炸
复制DNA最简单的方法
不对称复制
针对DNA正向链和反向链的特定统计
一些隐藏信息比其他信息更难以捉摸
最后一次试图找出大肠杆菌中的DnaA结合位
尾声:预测OriC位置的难点

哪种DNA图谱充当“细胞时钟”?(随机化算法)
我们是否拥有“时钟”基因?
模体识别比你想象的更难
模体打分
从模体识别到中位字串识别
模体贪婪搜索法
当模体识别偶遇奥利弗·克伦威尔(Oliver Cromwell)
模体随机搜索法
随机算法如何才能发挥出良好的效果?
Gibbs sampling(吉布斯采样)
吉布斯采样实战操作
寻找模体的难点
尾声:结核病细菌是如何进入冬眠状态来躲过抗生素的“追捕”?

背景知识

你应当了解你选择的编程语言的基础知识(本课程没有规定的语言)。我们推荐以下资源帮助你学习编程:

Codecademy上的语言跟踪功能(language track),尤其是Python跟踪。
Python交互式编程入门,这门Coursera课程也非常受欢迎。
Rosalind上面的引导问题(Introductory problems) ,这是由授课教师提供的学习生物信息学的资源
网络上还有更多学习编程的资源,我们鼓励你自己寻找并学习。

参考资料

你可以选择购买Compeau和Pevzner所著的 《生物信息学算法:主动学习法》(Bioinformatics Algorithms: An Active-Learning Approach)的复印本。

授课形式

本课程的大部分作业将采用练习和编程作业的形式。本课程涵盖Compeau和Pevzner所著的《生物信息学算法:主动学习法》(Bioinformatics Algorithms: An Active-Learning Approach)中两章内容。

每一章均含有一个总结测验和几个教学视频。

常见问题

问:我参加完该课程能获得“结业证书”吗?
是的。顺利完成这门课程的学生将获得由授课教师签署的结业证书。

问:学完这门课,我能否获得相关证书?
是的,想要获得认证证书的同学可以在注册课程时勾选Signature Track(签名认证)选项。

问:我记得本课程原先是属于大型课程“生物信息学算法(第1部分)”的内容。为什么将其被拆分为三门课程?
在进行了调查反馈、收集了完成数据并研究了其他课程之后,我们发现缩短课程长度可让学生在繁忙的日程中更灵活地安排时间学习。虽然原先的课程被拆分为三部分,但是其整体内容保持不变,所以我们有信心能够保证学习资源的质量标准。

问:如果我获得了重修旧版课程的Signature Track™课程兑换券要怎办?我是否能在本课程使用该兑换券?
从旧版课程获得的Signature Track™课程兑换券可用于新版课程。如果你选修了旧版课程并获得了Signature Track™课程兑换券,将向你发放可用于本课程”“基因组组装“和 “抗生素测序”以及“对比基因、蛋白质和基因组”的Signature Track™课程兑换券”  (总计三种Signature Track™课程兑换券)。

问:这是否代表现在获取本课程认证证书的总费用比之前高?
是的。因为现在增加了课程内容,所以与之前相比,认证证书的总费用有所提高。本课程会向有严重经济困难的学生提供参加“助学金”项目的机会。除此之外,如果你只是想参与并查看课程内容,便无需付费,因为本课程向公众免费开放。

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