可視化技術(shù)在基因組測(cè)序中的應(yīng)用研究

廉士珍，閆喜軍，胡 博，張 蕾，薛向紅（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130112）

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可視化技術(shù)在基因組測(cè)序中的應(yīng)用研究

廉士珍，閆喜軍，胡 博，張 蕾，薛向紅
（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130112）

摘 要：隨著人類基因組計(jì)劃的順利研究以及新型測(cè)序技術(shù)的不斷發(fā)展，其逐步推動(dòng)了農(nóng)業(yè)中對(duì)動(dòng)植物基因進(jìn)行測(cè)序的計(jì)劃進(jìn)展。通過在農(nóng)業(yè)中對(duì)動(dòng)植物的基因進(jìn)行測(cè)序可有效顯示動(dòng)植物疾病病變中的基因變化情況，為相關(guān)疾病的診治提供可靠依據(jù)。本文就計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)在基因組信息測(cè)序中的應(yīng)用進(jìn)行一下綜述。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)；基因組；信息測(cè)序

隨著對(duì)基因組信息測(cè)序的不斷發(fā)展，人類掌握了大量的基因表達(dá)模式、蛋白質(zhì)相互作用以及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面的數(shù)據(jù)?；驕y(cè)序的信息數(shù)據(jù)不斷增加，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、儲(chǔ)存以及分析成為目前的主要任務(wù)［1］。計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)在基因組信息測(cè)序中的應(yīng)用極大的解決了海量數(shù)據(jù)分析的難題［2］。現(xiàn)就其相關(guān)應(yīng)用作一下分析，以表明計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)在基因組信息測(cè)序中的不可或缺性。

1　計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)的發(fā)展

自遠(yuǎn)古時(shí)代起就有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化的處理，計(jì)算機(jī)的可視化技術(shù)對(duì)信息數(shù)據(jù)的處理則源于人類歷史上首臺(tái)數(shù)字式計(jì)算機(jī)的發(fā)明。目前計(jì)算機(jī)的可視化技術(shù)在醫(yī)學(xué)、天文物理學(xué)、材料科學(xué)、人類學(xué)和考古學(xué)、海洋學(xué)、環(huán)境與生態(tài)科學(xué)、建筑設(shè)計(jì)學(xué)、地質(zhì)勘探、航天工業(yè)、氣候模型與預(yù)測(cè)、工業(yè)無損探傷以及生物學(xué)等多方面、多領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用［3］。

2　計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)解析

可視化技術(shù)即將數(shù)據(jù)或者符號(hào)轉(zhuǎn)化成形象直觀的幾何圖形或者圖像，方便研究者進(jìn)行觀察研究的技術(shù)。計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)即為利用計(jì)算機(jī)的圖形學(xué)以及圖像處理技術(shù)將信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖形或者是圖像在屏幕上展現(xiàn)出來，并進(jìn)行交互處理的理論、方法以及技術(shù)［4］。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)探索中也獲取一定成效。計(jì)算機(jī)的可視化技術(shù)主要涉及到計(jì)算機(jī)的圖形分析、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺以及計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)等多方面、多領(lǐng)域的內(nèi)容，是對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合表示、處理以及決策分析的計(jì)算機(jī)技術(shù)［5］。其基本途徑一般包含三方面：第一是將需要計(jì)算處理的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、組織并壓縮，第二是將計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何元素的提取以及對(duì)其可視模型進(jìn)行構(gòu)建，第三是繪制相關(guān)圖形并將其顯現(xiàn)出來。

3　基因組學(xué)解析

在生物科學(xué)中，一個(gè)生物體的基因組是指包含在該生物體內(nèi)的全部DNA和/或RNA中的遺傳信息，又稱為基因體（genome）?；蚪M包含了基因和非編碼DNA。更精確地講，一個(gè)生物體的基因組是指一套染色體中的完整的 DNA序列。早在一九二零年，德國(guó)漢堡大學(xué)的植物學(xué)教授漢斯.溫克勒（Hans Winkler）就首次使用了基因組這一名詞?，F(xiàn)代遺傳學(xué)家認(rèn)為，基因是 DNA（脫氧核糖核酸）分子上具有遺傳效應(yīng)的特定核苷酸序列的總稱，基因位于染色體上，并在染色體上呈線性排列，形成具有遺傳效應(yīng)的DNA分子片段。通過控制人體基因的生化特性，人類將能夠恢復(fù)或修復(fù)人體細(xì)胞和器官的功能，甚至改變?nèi)祟惖倪M(jìn)化過程。此外利用基因，人們可以改良果蔬品種，提高農(nóng)作物的品質(zhì)，更多的轉(zhuǎn)基因植物和動(dòng)物、食品將問世。

4　可視化技術(shù)用于基因組信息測(cè)序

計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)的強(qiáng)大圖形分析、圖像處理以及數(shù)據(jù)分析能力，使其在基因組信息測(cè)序中得到成功的應(yīng)用。利用計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)可以有效的反映出生物序列的三維結(jié)構(gòu)，并且能直觀、準(zhǔn)確且短時(shí)間內(nèi)快速地整理出其復(fù)雜的相互關(guān)系。目前基于基因組信息測(cè)序的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)可視化技術(shù)主要包括語義鏡技術(shù)、信息壁技術(shù)、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、聚焦+關(guān)聯(lián)技術(shù)等。

計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)在基因信息測(cè)序中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾方面：第一，計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)可以對(duì)基因組測(cè)序獲得的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)其序列相關(guān)結(jié)構(gòu)分析測(cè)得其相似性；第二，計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)可對(duì)基因組測(cè)序中獲得的大規(guī)模數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，將雜亂的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成清晰的數(shù)字信息；第三，計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)可對(duì)規(guī)模龐大的基因功能表達(dá)譜進(jìn)行有效分析；第四，通過計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)可以對(duì)已經(jīng)完成測(cè)序的完整基因組進(jìn)行比較分析，使得人類對(duì)生物進(jìn)化、遺傳疾病可疑突變基因的分離以及相關(guān)基因新功能的預(yù)測(cè)取得巨大的進(jìn)步；第五，計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)下，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的挖掘，可以發(fā)現(xiàn)并鑒定新型基因以及新單核苷酸的多態(tài)性，發(fā)現(xiàn)基因插入以及缺失等結(jié)構(gòu)變化，為對(duì)新型基因以及新單核苷酸的多態(tài)性相關(guān)的生物功能以及疾病的研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)［6-7］。其中UCSC基因組瀏覽器可將任何類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行基因組比對(duì)，比對(duì)后將其形成圖像在服務(wù)器端的網(wǎng)頁中顯現(xiàn)出來?；蚪M瀏覽器對(duì)基因組測(cè)序數(shù)據(jù)的展示是以染色體位置作為索引、以相關(guān)參考基因組為標(biāo)準(zhǔn)，具有可定制性以及良好交互性的模式，它可以根據(jù)用戶的具體需求進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)容的展示以及隱藏。在各組織轉(zhuǎn)錄組之間存在著一定的表達(dá)差異性，往往需要通過一定的聚類手段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類統(tǒng)計(jì)，后對(duì)其進(jìn)行直觀結(jié)果分析。計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)中的聚類工具，使用熱圖對(duì)基因組測(cè)序獲得的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行集成化統(tǒng)計(jì)分析并直觀展現(xiàn)出來，并利用生物數(shù)據(jù)庫中的先驗(yàn)知識(shí)提供相關(guān)性分析、富集分析以及數(shù)據(jù)顯著性計(jì)算等多種數(shù)據(jù)分析手段，通過對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的排序、過濾隱藏、聚集以及可視化分析使應(yīng)用者能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行可視化以及交互性觀測(cè)。

5　結(jié)束語

基因組信息測(cè)序獲得的數(shù)據(jù)信息數(shù)量龐大且復(fù)雜，數(shù)據(jù)信息具有一定的不明確性以及不完整性，而計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)具有強(qiáng)大的復(fù)雜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化能力，其可以將大量的無規(guī)律數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有規(guī)律可循的有用信息。將其應(yīng)用在基因組測(cè)序獲得信息數(shù)據(jù)的整理分析中，可有效發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)聯(lián)，明確其變化規(guī)律，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化探索。計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)是基因組信息測(cè)序獲得數(shù)據(jù)分析的必不可少的手段。

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（責(zé)任編輯：張時(shí)瑋）

中圖分類號(hào)：C39

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1672-7304.2016.01.062

文章編號(hào)：1672–7304（2016）01–0133–02

作者簡(jiǎn)介：廉士珍（1976-），吉林人，助理研究員，研究方向：動(dòng)物疫病防控。

Research on the application of visualization technology in genome sequencing

LIAN Shi-zhen， YAN Xi-jun， HU Bo， ZHANG Lei， XUE Xiang-hong
（Specialty Research Institute， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Changchun Jilin 130112）

Abstract:As the study of the human genome project and the development of new sequencing technologies， and gradually promote the agriculture of animal and plant gene sequencing plan in progress. By gene sequencing of animals and plants in agriculture can effectively according to genetic changes in animal and plant disease situation， provide a reliable basis for the diagnosis and treatment of related diseases. In this paper， the application of computer visualization technology in genome sequencing is reviewed.

Key words:Computer visualization technology； genome； information sequencing