基因组组装数学建模
基因组组装
摘要
基因组测序是生物信息学的核心，有着极其重要的应用价值。新的测序技术大量涌现，产生的reads长度更短，数量更多，覆盖率更大，能直接读取的碱基对序列长度远小于基因组长度。所以测序之前DNA分子要经过复制若干份、随机打断成短片段。要获取整个DNA片段，需要把这些片段利用重合部分信息组织连接。如何在保证组装序列的连续性、完整性和准确性的同时设计耗时短、内存小的组装算法是本题的关键。
本文建立改进后OLC算法模型。该模型首先使用了特定的编码规定，通过C++程序对庞大的数据先后进行十进制和二进制的处理，不改变数据准确性的前提下尽可能减小内存和缩短计算机操作时间，并引入解决碱基识别错误问题的一般思路消除初始reads中的碱基错误。然后通过深度优先算法，设定适当的阈值，找出具有重叠关系的碱基片段并形成一有向赋权图，其中点是碱基片段，边代表具有重叠关系，权值代表片段重叠的多少，将问题转化为图论中寻找最大赋权通路的问题，从而对OLC算法进行改进，采用图论的方法更直观和更具操作性的解决DNA的拼接问题，从而对OLC算法进行改进。最后再根据OLC算法对Hamilton 路劲进行拼接，生成共有序列，通过多序列比对等方法，获得最终的基因组序列。
关键词：基因组测序 OLC算法深度优先算法Hamilton路径
一问题的重述
1.1 问题背景
快速和准确地获取生物体的遗传信息对于生命科学研究具有重要的意义。对每个生物体来说，基因组包含了整个生物体的遗传信息，这些信息通常由组成基因组的DNA或RNA分子中碱基对的排列顺序所决定。获得目标生物基因组的序列信息，进而比较全面地揭示基因组的复杂性和多样性，成为生命科学领域的重要研究内容。
1.2 问题提出
确定基因组碱基对序列的过程称为测序。目前能直接读取的碱基对序列长度远小于基因组序列长度，因此需要利用一定的方法将测序得到的短片段序列组装成更长的序列。通常的做法是，将基因组复制若干份，无规律地分断成短片段后进行测序，然后寻找测得的不同短片段序列之间的重合部分，并利用这些信息进行组装。例如，若有两个短片段序列分别为
ATACCTT GCTAGCGT
GCTAGCGT AGGTCTGA
则有可能基因组序列中包含有ATACCTT GCTAGCGT AGGTCTGA这一段。
由于技术的限制和实际情况的复杂性，最终组装得到的序列与真实基因组序列之间仍可能存在差异，甚至只能得到若干条无法进一步连接起来的序列。对组装效果的评价主要依据组装序列的连续性、完整性和准确性。连续性要求组装得到的（多条）序列长度尽可能长；完整性要求组装序列的总长度占基因组序列长度的比例尽可能大；准确性要求组装序列与真实序列尽可能符合。
利用现有的测序技术，可按一定的测序策略获得长度约为50–100个碱基对的序列，称为读长（reads）。基因组复制份数约为50–100。基因组组装软件可根据得到的所有读长组装成基因组，这些软件的核心是某个组装算法。一个好的算法应具备组装效果好、时间短、内存小等特点。新一代测序技术在高通量、低成本的同时也带来了错误率略有增加、读长较短等缺点，现有算法的性能还有较大的改善空间。具体解决问题如下：
(1)建立数学模型，设计算法并编制程序，将读长序列组装成基因组。你的算法和程序应能较好地解决测序中可能出现的个别碱基对识别错误、基因组中存在重复片段等复杂情况。
(2)现有一个全长约为120,000个碱基对的细菌人工染色体，采用Hiseq2000测序仪进行测序，测序策略以及数据格式的简要说明见附录一和附录二，测得的读长数据见附录三，测序深度约为70×，即基因组每个位置平均被测到约70次。试利用你的算法和程序进行组装，并使之具有良好的组装效果。
二问题分析
2.1 问题一分析
鉴于现代测序技术的不完备性，各种基因组测序技术还有待改进和发展的空间，本文尝试性的建立数学模型，一方面对经典的OLC（overlap-layout-consensus）算法进行改进和发展，另一方面对现代测序技术提供参考和见解。对于基因组测序问题，本文采用图论的方法更直观和更具操作性的解决DNA的拼接问题。为了较好地解决测序中可能出现的个别碱基对识别错误，本文首先引入解决碱基识别错误问题的一般思路。鉴于OLC技术需要对碱基片段进行两两配对寻找重叠的碱基片段所造成的时间度复杂问题。本模型使用了特定的编码规定，通过C++程序对庞大的数据先后进行十进制和二进制的处理，使得不改变数据准确性的前提下大大降低了内存和缩短计算机操作时间。本模型首先通过深度优先算法，设定适当的阈值，找出具有重叠关系的碱基片段并形成一有向赋权图。其中点是碱基片段，边代表具有重叠关系，权值代表片段重叠的多少。这样问题将转化为图论中寻找最大赋权通路的问题。
2.2 问题二分析
基于问题一建立的模型，代入数据进行验算。
三模型假设
(1)假设测序过程中没有其他因素的干扰；
(2)假设题目所给定的序列相对位置的碱基全部遵循GU-AC法则；
(3)假设题目中所有的序列都是正常可判别的序列，没有出现序列的基因突变等情况；
(4)假设一个完整基因组，打断成500bp的片段是随机的；
(5)假设基因组每个位置被测到的几率是等可能的；
(6)所有片段上的碱基都已经被识别出来，不存在未知碱基。
四符号说明
符号意义
reads 利用现有的测序技术，可按一定的测序策略获得长度约为50–100个碱基对的序列，称为读长
contig由reads经过一定算法拼接产生3kb～10Mb以内的一些基因组片段k-mer长度为k的一段DNA片段
quality 每一个reads都含有一个质量值，该值能反映该reads的正确率。质量值越高，reads的正确率越高
五模型建立及求解
5.1 数据预处理
5.1.1 数据简化处理
由于基因组进行编码的时候信息量非常的巨大，而且本文采用的数学模型需要对待定的所有reads进行两两的配对，以此确定无向图。若采用字符串的存储方式，显然会造成内存空间的大量消耗，甚至内存耗尽。为此，必须寻找其他的的存储方式，以达到降低内存空间消耗的目的。算法采用一套编码规则，将字符 A 编码为 00，字符 T 编码为 11，字符 G 编码为 01，字符 C 编码为 10。为便于研究，将二进制数转再化为对应的十进制数，这样就能大大的减少数据庞大给计算机运行和计算带来的难度，如图1
图1 编码规则
5.1.2 消除初始reads中的碱基错误
(1)收集的大量资料表明，测序数据中会有许多全A或者基本上全是A的reads，这些数据很可能是Solexa测序过程中的人工数据，需要去除。方法为：设定A的含量阈值为0.9，过滤掉含量大于等于0.9的reads。
(2)测序数据中含有一些未知的碱基，通常用“N”或“.”表示，其对拼接有不利的影响，因此含有未知碱基的read需要过滤掉。
5.1.3 序列片段中错误碱基的修正
本模型建立在传统测序技术中的OLC（overlap-layout-consensus）算法的改进上，由于现代测序技术并不完美，在测序前要通过 PCR 手段对待测片段进行扩增，从而增加了测序的错误率。在测序模型建立之前，为了降低PCR手段扩增带来的错误。有必要对 reads 数据进行预处理，修正 reads 中测序错误的碱基从而提高 DNA 序列拼接的效果。以下将引用常用的一种修正序列片段中错误碱基的方法。
由于基因组中每个位置进行测序的次数可能不止一次,每个位置的碱基在测序得到的序列片段集合中出现的期望次数为序列片段集合的覆盖率,因此在序列片段集合中可能存在多条在某一区域重叠的序列片段,如图 2 所示。
图2 序列片段集合中可能存在多条在某一区域重叠的序列片段
基于这个事实,当某个公共序列 U 达到一定的长度,并且序列片段集合中包含该公共序列的序列片段达到一定的数目时,我们可以认为该公共序列 U 是从基因组 G 的某一个区域测序得到的,并且序列片段集合中所有包含该公共序列 U 的序列片段都是从该区域附近的某一个位置开始测序得到的。我们可以对紧跟在满足上述条件的公共序列后面的序列进行多序列比对,以此来修正序列片段中的错误碱基。图 3 是修正序列片段中错误碱基的一个简单、直观的例子,我们可以看到,通过这种方法第二条序列片段的倒数第四个碱基 C 被改为 G,最后一条序列片段第 19 个位置缺失的碱基 G 也被补上了。
图3 修正序列片段中错误碱基过程
5.2 基于OLC策略及改进的深度优先算法对问题一模型的建立
针对 Sanger 测序技术产生的长度较长、错误率较低的序列片段,人们进行了广泛的研究，其中大部分技术都是采用基于 Hamilton 路径的算法实现的。本文基于哈密顿路径问题建立数学模型，使得传统的OLC测序算法达到更优。
以全部待拼接的reads为节点，给定一个适当的阈值λ，则用节点间的连线代表reads点之间有重叠部分，且这个重叠部分大于阈值λ。那么就把DNA测序问题转化为一般图论问题。
对于可定图）
V
E
G=，V，E和W分别代表图的顶点、边和边上的权的集
，
（W
，
合。其中，W表示重叠部分）
W，以待定reads为始点，寻找一条通路，使得有
≥
（λ
i
且只有一次经过尽可能多的点并使得权值最大，即哈密顿通路。此时DNA测序问题将转化为图论中对于给定图求赋权值最大的所有哈密顿通路问题。其中哈密度通路的条数为contig条数，权值最大的哈密顿通路为最长contig。如图4所示：
图4 重叠关系图
该算法的核心是构建重叠关系图对于处理 Sanger 数据或者 454、Ion Torrent 数据具有优势。主要包括 2个步骤：
（1）处理
本模型首先需要对待定的所有reads进行两两的配对，当两对reads的重叠部分超过某个设定的阈值的时候，说明这一对reads有联系。针对该问题，我们采用改进的深度优先算法把有联系的reads点连接起来，从而得到一个复杂的有向赋权图G。首先介绍改进的深度优先算法的基本思路：
1）把一个具体的问题抽象成了一个图论的模型有向图状态对应着结点，状态之间的关系（或者说决策方案）对应着边；
2）从当前的某个节点开始历遍所有的点，去掉所有低于阈值的路，构成一个新的有向赋权图；
3）在各个阶段尝试方案时，采取的是穷举的思想。
根据该算法，我们定义每两条reads重叠部分的碱基数量为权，两个reads之间重叠越多则两个节点之间的权越大。
（2）拼接
该步骤是将第一步中全局比对得到的覆盖信息组装并构建一张重叠关系图。根据节点处数
的大小，可以判断该链接是否为可靠链接。计算机根据全图的节点，计算 Hamiltonian通路。所有通路上的reads串联就构成了一条完整的链。
1）首先取任一条reads为contig，接着寻找与该reads的两端含有重叠区域的reads，则可能存在无数条这种reads，那么我们需要先设定一个阈，当重叠区域的碱基数量超过阈值时才能将其视为满足条件；
2）排列reads，确定reads之间的相对位置，建立overlap图，然后分析overlap，获得历遍整个图的最佳近似路径，找到Hamilton 路径；
3）生成共有序列，通过多序列比对等方法，获得最终的基因组序列。
六模型评价
6.1优点：
(1)本模型的算法容易推广到实际的基因组组装中，具有一定的实际应用价值；
(2)利用并行技术提高数据处理效率。新一代测序平台产生的序列片段数据量庞大,要将本文的数据处理方法用于实际测序工程需要解决速度和内存两方面的问题。利用并行技术,实现算法在集群环境的并行化将是不错的解决方案。
6.2缺点：
(1)忽略了碱基存在的内环境因素及其生化结构的影响；
(2)在实际中，基因组组装是一个复杂的数学问题，存在着大量的不确定性；
(3)一些新的想法缺乏足够的理论根据，所以有些问题的解决带有一定的主观性
(4)该模型处理重复片段的能力较弱。当有reads拼接失败时，意味着小于reads长度的重复片段被检验出来，但无法处理大于reads长度的重复片段。
6.3模型的改进
对于处理重复片段弱的情况，尝试使用覆盖度分析，建立相应对的概率模型，必要时使用配对reads信息，来发现大于reads长度的重复片段。
七模型推广
运用本模型可以在个人计算机上解决相对不大的数据，也可以在内存较大的计算机上解决数据量较大的基因组组装问题，同时此种算法模型还可以作为基础模型，解决一些降低重复数
据的生产生活问题。
八参考文献
[1]陈传艺.针对新一代测序技术的序列拼接算法研究[D].福建农林大学,2012.
[2]赵洁,赵志军.新一代测序技术及其应用[J].白求恩军医学院学报,2012,04:344-345.
[3]韩东涛.基于概率模型的基因组从头测序算法研究[D].哈尔滨工业大学,2012.
[4]蔡毅,骆志刚.DNA序列拼接算法分析及并行化探讨[A].中国电子学会信息论分会、北京邮电大学研究生院.2007北京地区高校研究生学术交流会通信与信息技术会议论文集（上册）[C].中国电子学会信息论分会、北京邮电大学研究生院:,2008:6.
[5]张书翠. 基于高通量测序的Klebsiella pneumoniae基因组拼接的研究[D].上海师范大学,2013.
九附录
1.提取数据及处理数据的C++程序
程序1
#include
#include
#include
using namespace std;
void main()
{
ifstream in("F://McMc_BAC_1.fq.gz.clean.dup.clean");//打开文件1
if(!in){
cout<<"File open error!"< return; } ifstream fin("F://McMc_BAC_2.fq.gz.clean.dup.clean");//打开文件2 if(!fin){ cout<<"File open error!"< return; } ofstream f("F://read1碱基序列集.txt");//打开写入文件，若文件不存在则新建if(!f){ cout<<"File write error!"< return; } int i=0;string s; while(getline(in,s))//着行读取文件1数据并存于s中，直至数据全部读取 {i=i+1; if((i+2)%4==0) f< } ofstream of("F://read2碱基序列集.txt");//打开写入文件，若文件不存在则新建if(!of){ cout<<"File write error!"< return; } while(getline(fin,s))//着行读取文件2数据并存于s中，直至数据全部读取 {i=i+1; if((i+2)%4==0) of< } } 2.OLC算法的MATLAB程序 程序1 %% % 求那些数据相同 % 其中： % j表示有n-j个连续碱基相同 % i，k表示第i个与第j个数据相同 % 假定k=4 % 计算相同项的位置 clear,clc fid=fopen('E:\123.txt','r'); data=fread(fid); [m,n]=size(data); data=reshape(data,[90,85]); data=data'; K=84; [m,n]=size(data); n=n-2; d1=[]; d2=[]; d3=[]; for j=1:K-1 for i=1:m for k=i+1:m index1=[]; for t=j+1:n index=abs(data(i,t)-data(k,t-j)); index1=[index1,index]; end index2=sum(index1); if index2==0 d1=[d1,j]; d2=[d2,i]; d3=[d3,k]; end end end end d=[d1;d2;d3]; c=d'; xlswrite('E:\dnanew.xlsx',c); fclose(fid); 程序2 %% % 计算最佳路径 clear,clc c=xlsread('E:\dnanew.xlsx'); c=c'; j=c(1,:); i=c(2,:); k=c(3,:); n=length(j); a=[]; b0=0; a0=[]; for t=1:n a=i(t); b=88; for tt=t:n if k(t)==i(tt) k(t)=k(tt); i(t)=i(tt); a=[a,i(tt)]; b=b+j(tt); end end if b0<=b b0=b; a0=a; end end a0,b0 l=a0'; xlswrite('E:\a0.xlsx',l); % 将所得的数据储存在a0.xlsx中 程序3 %% % 此程序解决基因链组装 clear,clc fid=fopen('E:\123.txt','r'); % 打开E盘123.txt文件，其中储存基因链组data=fread(fid); % 将fid转换成数据（更具ASCII码） [m,n]=size(data); data=reshape(data,[90,85]); % 重塑数据成90*85的矩阵（多了回车和换行字符） data=data'; c=xlsread('E:\dnanew.xlsx'); % 读取前期形成的dnanew.xlsx，其中储存路径c=c'; j=c(1,:); a=xlsread('E:\a0.xlsx'); % 读取前期形成的a0.xlsx，其中储存具体路径a=a'; dt=data(a(1),1:88); for i=2:length(a) k=89-j(a(i)); dt=[dt,data(i,k:88)]; end dt; dlmwrite('E:\final.txt',char(dt),''); % 将获得的长链储存在final.txt中fclose(fid); 实 验 报 告 册 课程名称：电脑组装与维护 姓名：_______aaaaaaaaa_______ 班级：_____ 111030600______ 学号：______11103060100___ 日期：_______2012.03.18___ 重庆理工大学计算机教学实验中心 实验一模拟攒机 实验题目电脑基本配置日期2012.03.18 实验目的： 1.初步掌握计算机基础知识； 2.了解一些电脑选购常识； 3.了解如何选购零部件； 4.根据需求配置一台自己的电脑。 实验内容： 配件类型配件情况 CPU 英特尔赛扬处理器2.0GHz 主板昂达P4D2主板 硬盘希捷40GB 硬盘（7200转）内存HY 256MB DDR 内存 显卡艾尔莎517SED显卡 显示器飞利浦107S5 显示器 移动存储爱国者32M迷你王 键盘明基超薄 鼠标双飞燕3D 机箱八达e家机箱 声卡 2.1 声卡 光驱明基16速DVD 音箱轻骑兵B2288音箱 实验步骤： 1.明确该为自己组装一台什么样的电脑； 2.向高手学习攒机经验； 3.选择合适的零部件； 4.根据用途确定电脑的基本配置。 实验心得： 1.配置电脑时，一定要明确自己需要什么样的配置； 2.明白电脑的保修期； 3.要识别水货和假货； 4.不要花钱买频率，全面考虑电脑的整体性能才是正确选购电脑的关键； 5.关注售后服务。 实验二硬件拆装 实验题目组装电脑日期 实验目的： 1.熟悉各电脑配件； 2.了解主板结构； 3.熟悉内部连线； 4.学会进行硬件的拆装。 实验内容： 1.认识计算机各部件； 2.拆卸外设； 3.拆卸主机； 4.重新组装电脑。 实验步骤： 1.断开电源； 2.准备工具； 3.拆卸外设； 4.拆卸主机； 5.组装电脑：（1）打开机箱盖；（2）安装电源；（3）安装主板；（4）安装CPU和风扇； （5）安装内存条；（6）安装显卡；（7）安装声卡；（8）安装驱动器； （9）连接线缆；（10）装上机箱盖；（11）连接鼠标和键盘； （12）连接显示器；（13）连接音箱；（14）连接电源。 实验心得： 1．注意首先要断开电源； 2．实验前应做好充分的准备； 3．实验中要做到尽然有序，各配件要放在制定的位置； 4．各连线要正确连接； 5．连接好线后，要梳理内部连线，以免发生不必要的故障。 MAS830L 数字万用表装配实验报告 实验日期： 5月5 实验名称：MAS830L 数字万用表装配 一：实验目的 1、 通过MAS830L 数字万用表装配实验，进一步加深对数字万用表电路原理的认识，能熟练的测量 各种物理量。 2、 了解ICL7106的各个引脚和他的数模转换功能。 3、 了解液晶显示的原理和使用方法。 4、 初步学会通过电路图焊接电路板。掌握一些简单的电路焊接工艺。 5、 了解各种测试仪器的用法并样品进行测试和矫正 二：实验器材 1、 MAS830L 型31/2位数字万用表的各种零配件和相关的材料说明。见MAS830L 元件清单（一）和 MAS830L 元件清单（二）。 2、 焊接电路板所需的烙铁和锡以及松香。 3、 一个标准的数字万用表、螺丝刀、镊子、刀片等。 三：实验原理 1、ICL7106原理介绍 ICL7106是目前广泛应用的一种3?位A/D 转换器，能构成3?位液晶显示的数字电压表。 一、ICL7106的工作原理 1. ICL7106的性能特点 （1）采用＋7V ～＋15V 单电源供电，可选9V 叠层电池，有助于实现仪表的小型化。低功耗（约16mW ），一节9V 叠层电池能连续工作200小时或间断使用半年左右。 （2）输入阻抗高（1010Ω）。内设时钟电路、＋2.8V 基准电压源、异或门输出电路，能直接驱动3?位LCD 显示器。 （3）属于双积分式A/D 转换器，A/D 转换准确度达±0.05％，转换速率通常选2次／秒～5次／秒。具有自动调零、自动判定极性等功能。通过对芯片的功能检查，可迅速判定其质量好坏。 年级：14机电1 班组： 姓名： 朱宇凯 学号： 144030308 《人类基因组计划及其意义》活动单 第1课时共1课时 活动目标： ⒈捕捉文章中的关键信息，对说明对象形成综合理解。 ⒉把握本文总分结构对于表达说明对象与文章内容的意义。 ⒊领会本文为了更好地说明事理所运用的各种说明方法及其效果。 活动方案 一、课前活动 1.作者简介 杨焕明，1952年生于浙江。1978年毕业于杭州大学1988年获丹麦哥本哈根大学博士学位。后为法国INSERE-CRNS马塞免疫中心博士后；1989年～1992年为美国哈佛大学医学院博士后；1992年～1994年美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)博士后。现为博士生导师。现为北京华大基因研究中心暨中国科学院基因组信息中心主任，为争取和主持完成中国参与人类基因组序列的测定定下汗马功劳。国际“人类基因组计划”中国协调人。2003年被《科学美国人》杂志评为年度领袖人物。 2、背景介绍 人类基因组计划最早在1985年由诺贝尔奖获得者、美国的杜尔贝克提出。1990年10月，国际人类基因组计划正式启动。中国于1999年9月获准加入人类基因组计划并承担了l％的测序任务。本文作者杨焕明教授为争取和主持完成中国参与人类基因组1％序列的测定立下汗马功劳。在这篇文章中，作者对这一计划尤其是实施这一计划的意义作了详细的说明。3、给下列加点的字注音 核苷．（）酸辜．（）负胰．（）岛疟．（）疾滥．（）用衍．（）生免疫．（）解．读（）押解．（）解．数（） 二、课堂活动： 1、整体感知：通读全文，给文章划分层次。并思考文章这样安排结构有什么好处？ 第一部分(第—段)： 第二部分(第—段)： 第三部分(第—段)： 第一层(第—段)： 第二层(第—段)： 2、结合文章的具体内容，分析文章运用了哪些说明万法、有什么作用。 收音机组装与调试实验报告记录 ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 收音机组装与调试实验报告 实验名称：收音机的组装与调试 学院： 班级： 姓名： 学号： 指导老师： 实验日期： 一实验目的： 1.熟悉电阻、电容、电感线圈、中周、变压器、二极管、三极管、电位器、耳机插座、喇叭等电子元件。 2.在散件的组装过程中进一步学习电子技术。 3.掌握电子安装工艺了解测量和调试技术。 4. 熟练焊接的基本技巧 5. 熟悉收音机的工作原理 6. 掌握收音机的调试方法,能安装、调试出成品收音机 二、实验电路图 由输入回路高放混频级、一级中放、二级中放、前级低放兼检波级、低放级和功放级等部分组成，接收频率范围为535~1605KHZ的中波段。 三、实验原理 天线收到电磁波信号，经过调谐器选频后，选出要接收的电台信号。同时，在收音机中，有一个本地振荡器，产生一个跟接收频率差不多的本振信号，它跟接收 信号混频，产生差频，这个差频就是中频信号。中频信号再经过中频选频放大，然 后再检波，就得到了原来的音频信号。音频信号通过功率放大之后，就可送至扬声 器发声了。天线接收到的高频信号通过输入电路与收音机的本机振荡频率（其频率 较外来高频信号高一个固定中频，我国中频标准规定为465KHZ）一起送入变频管 内混合一一变频，在变频级的负载回路（选频）产生一个新频率即通过差频产生的 中频，中频只改变了载波的频率，原来的音频包络线并没有改变，中频信号可以更 基因组组装 摘要 基因组测序是生物信息学的核心，有着极其重要的应用价值。新的测序技术大量涌现，产生的reads长度更短，数量更多，覆盖率更大，能直接读取的碱基对序列长度远小于基因组长度。所以测序之前DNA分子要经过复制若干份、随机打断成短片段。要获取整个DNA片段，需要把这些片段利用重合部分信息组织连接。如何在保证组装序列的连续性、完整性和准确性的同时设计耗时短、内存小的组装算法是本题的关键。 本文建立改进后OLC算法模型。该模型首先使用了特定的编码规定，通过C++程序对庞大的数据先后进行十进制和二进制的处理，不改变数据准确性的前提下尽可能减小内存和缩短计算机操作时间，并引入解决碱基识别错误问题的一般思路消除初始reads中的碱基错误。然后通过深度优先算法，设定适当的阈值，找出具有重叠关系的碱基片段并形成一有向赋权图，其中点是碱基片段，边代表具有重叠关系，权值代表片段重叠的多少，将问题转化为图论中寻找最大赋权通路的问题，从而对OLC算法进行改进，采用图论的方法更直观和更具操作性的解决DNA的拼接问题，从而对OLC算法进行改进。最后再根据OLC算法对Hamilton 路径进行拼接，生成共有序列，通过多序列比对等方法，获得最终的基因组序列。 关键词：基因组测序 OLC算法深度优先算法Hamilton路径 一问题的重述 1.1 问题背景 快速和准确地获取生物体的遗传信息对于生命科学研究具有重要的意义。对每个生物体来说，基因组包含了整个生物体的遗传信息，这些信息通常由组成基因组的DNA或RNA分子中碱基对的排列顺序所决定。获得目标生物基因组的序列信息，进而比较全面地揭示基因组的复杂性和多样性，成为生命科学领域的重要研究内容。 1.2 问题提出 确定基因组碱基对序列的过程称为测序。目前能直接读取的碱基对序列长度远小于基因组序列长度，因此需要利用一定的方法将测序得到的短片段序列组装成更长的序列。通常的做法是，将基因组复制若干份，无规律地分断成短片段后进行测序，然后寻找测得的不同短片段序列之间的重合部分，并利用这些信息进行组装。例如，若有两个短片段序列分别为 ATACCTT GCTAGCGT GCTAGCGT AGGTCTGA 则有可能基因组序列中包含有ATACCTT GCTAGCGT AGGTCTGA这一段。 由于技术的限制和实际情况的复杂性，最终组装得到的序列与真实基因组序列之间仍可能存在差异，甚至只能得到若干条无法进一步连接起来的序列。对组装效果的评价主要依据组装序列的连续性、完整性和准确性。连续性要求组装得到的（多条）序列长度尽可能长；完整性要求组装序列的总长度占基因组序列长度的比例尽可能大；准确性要求组装序列与真实序列尽可能符合。 利用现有的测序技术，可按一定的测序策略获得长度约为50–100个碱基对的序列，称为读长（reads）。基因组复制份数约为50–100。基因组组装软件可根据得到的所有读长组装成基因组，这些软件的核心是某个组装算法。一个好的算法应具备组装效果好、时间短、内存小等特点。新一代测序技术在高通量、低成本的同时也带来了错误率略有增加、读长较短等缺点，现有算法的性能还有较大的改善空间。具体解决问题如下： (1)建立数学模型，设计算法并编制程序，将读长序列组装成基因组。你的算法和程序应能较好地解决测序中可能出现的个别碱基对识别错误、基因组中存在重复片段等复杂情况。 (2)现有一个全长约为120,000个碱基对的细菌人工染色体，采用Hiseq2000测序仪进行测序，测序策略以及数据格式的简要说明见附录一和附录二，测得的读长数据见附录三，测序深度约为70×，即基因组每个位置平均被测到约70次。试利 模拟电路仿真实验报告 张斌杰生物医学工程141班 MUltiSim软件使用 一、实验目的 1、掌握MUltiSim软件的基本操作和分析方法。 二、实验内容 1、场效应管放大电路设计与仿真 2、仪器放大器设计与仿真 3、逻辑电平信号检测电路设计与仿真 4、三极管Beta值分选电路设计与仿真 5、宽带放大电路设计与仿真 三、MUItiSim软件介绍 MUItiSim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以WindOWS为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用MUItiSinl交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。MUltiSiIn提炼了SPICE 仿真的复杂内容,这样工程师无需懂得深入的SPlCE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过MUItiSiIn和，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到和测试这样一个完整的综合设计流程。 实验名称: 仪器放大器设计与仿真 二、实验目的 1、 掌握仪器放大器的设计方法 2、 理解仪器放大器对共模信号的抑制能力 3、 熟悉仪器放大器的调试功能 4、 掌握虚拟仪器库中关于测试模拟电路仪器的使用方法，如示波器，毫伏 表信 号发生器等虚拟仪器的使用 三、设计实验电路图： 四、测量实验结果: 出为差模放大为399mvo 五、实验心得： 应用MUIti S im 首先要准备好器件的PSPiCe 模型，这是最重要的，没有这个 东西免谈，当然SPiCe 高手除外。下面就可以利用MUItiSinl 的元件向导功 能制作 差模分别输入信号InW 第二条线与第三条线: 共模输入2mv 的的电压，输出为2mv 的电压。 第一条线输 《人类基因组计划及其意义》导学学案 编写：段素娟 诵读经典 鹊桥仙（北宋）秦观 纤云弄巧，飞星传恨，银汉迢迢暗度。金风玉露一相逢，便胜却、人间无数。 柔情似水，佳期如梦，忍顾鹊桥归路。两情若是久长时，又岂在、朝朝暮暮。 注释：1、金风：秋风。秋，在五行中属金。 2、玉露：晶莹如玉的露珠，指秋露。 3、忍顾：不忍心回头看。 4、朝朝暮暮：日日夜夜。这里指日夜相聚。 赏析：这是一首咏七夕的词，借牛郎织女悲欢离合的故事，讴歌了真挚、细腻、纯洁、坚贞的爱情。词中明写天上双星，暗写人间情侣；其抒情，以乐景写哀，以哀景写乐，倍增其哀乐，读来荡气回肠，感人肺腑。结句“两情若是久长时，又岂在朝朝暮暮”最有境界，这两句既指牛郎、织女的爱情模式的特点，又表述了作者的爱情观，是高度凝练的名言佳句。这首词因而也就具有了跨时代、跨国度的审美价值和艺术品位。 课标点击 1.了解人类基因组计划的基本情况和意义，把握科学的时代前沿性。 2.学习作者在这篇报告中的科学态度与人文关怀融为一体的精神。 相关链接 人类基因组“中国卷”大事记 ?1995年，杨焕明等人呼吁参与国际人类基因组计划。 ?1998年6月，中国科学院遗传所人类基因组中心挂牌成立。 ?1999年4月，遗传所人类基因组中心开始进行人类基因组测序，在中国实现零的突破。 ?1999年9月1日，杨焕明在第五次伦敦国际人类基因组战略讨论会上介绍情况。 ?2000年6月26日，包括中国在内的六国科学家共同宣布，人类有史以来第一个基因组“工作框架图”绘制完成，这是人类历史上值得“载入史册的一天。”?2001年4月1日，随着运算速度超千亿次的曙光3000超级计算机正式落户杭州华大基因研究中心，从而标志着一个完整的世界级基因组信息学中心在我国诞生。 ?2001年8月26日，人类基因组计划中国部分测序项目汇报及联合验收会在京召开，标志人类基因组“中国卷”通过国家验收。 一、积累整合 1.给下列词语中加点的字注音。 疟．疾解．读 痢．疾押解． 2.掌握以下词语的辨析。 ①成分：事物构成的部分和要素。如：化学成分、句子成分。 成份：人的出身及经历、职业等。如：地主成份。 ②致病：使得病。如：查明致病原因。 治病：治疗疾病。如：治病救人。 ③估计：可以是对事物发展的时间、可能性、作用的推测，也可以是对事物的质量、数量等的推测。 估量：多用于对事物的轻重、大小、强弱、数量等方面的推测。 二、理解感悟 作者是从那些方面来阐述人类基因组计划对生命科学研究与生物产业发展的巨大导向性意义的？ 三、品味鉴赏 品味本文作为一篇学术报告，试简析其写作的方法特色。 综合电子系统实验实验报告 学院：电子信息工程学院 班级： 完成日期： 实验组员： 一、实验目的： 了解电子设备制作、装调的全过程，了解电子设备制作、装调的全过程，掌了解电子设备制作、装调的全过程，了解电子设备制作、装调的全过程，掌握查找及排除电子电路故障的常用方法。握查找及排除电子电路故障的常用方法。握查找及排除电子电路故障的常用方法。握查找及排除电子电路故障的常用方法。培养学生综合运用所学的理论知识和基本技能的能力，培养学生分析和解决题的能力，以及相互协作能力。 二、实验内容： 1、利用各种电阻、电容等元器件组装电视机。 2、学习电视机的原理与电路组成。 3、锻炼学生的动手与实践能力。 三、实验原理： 1、机型介绍 XL-2008型是一款5.5英寸小屏幕黑白电视机套件。该套件采用大规模单片机集成专用电路CD5151CP，由于该芯片把所有小信号处理电路都集成在使你的理论水平和动手能力有较大的提高。 2、本机参数介绍 电源变压器输入为交流220V，输出为交流12V，外接直流输入电压为12V，整机电流为0.8-1.2A，显像管灯丝电压为6.3V(有效值)，阳极高压为6-7V。天线输入阻抗为75欧姆，视频输入阻抗为75欧姆，图像清晰度大于380线，伴音输出功率大于0.5W，整机消耗功率为10W。 3、基本原理 采用大规模单片黑白机集成电路D5151，由于它把所有小信号处理电路都集成在一块芯片上，所以整机和结构十分简单，外围元件少，调试也很容易。与35CM（14英寸）黑白电视机相比，该机工作电流小，工作电压低，因而不易烧毁元器件，即或稍有失误也不至造成重大损失。显像管型号为14SX3Y4，屏幕尺寸（5.5英寸）。采用大规模单片黑白机集成电路D5151，由于它把所有小信号处理电路都集成在一块芯片上，所以整机和结构十分简单，外围元件少，调试也很容易。与35CM（14英寸）黑白电视机相比，该机工作电流小，工作电压低，因而不易烧毁元器件，即或稍有失误也不至造成重大损失。显像管型号为14SX3Y4，屏幕尺寸（5.5英寸）。 人类基因组计划及其意义同步练习 1.下面是语段空白处的句子，怎样排列它们的顺序才合理（） ……虽然地球上的水非常丰富，但是，。，，它们才是被人类直接利用的水资源。 ①淡水大约只占3%②只有极少部分存在于大气、河流、湖泊以及地表浅层③海洋水约占地球全部水量的97%④这大约3%的淡水绝大部分又分布在南极、北极和人迹罕至的高山地区 A、①③②④ B、①④③② C、③②①④ D、③①④② （二）阅读下面一段文字 基因工程（节选） 所谓基因工程是指在其因水平上的操作，并改变生物遗传性状的技术。具体地说，按照人们的需要用类似工程设计的方法将不同生物的基因（目的基因）进行分离、剪切、拼接等操作，并通过分子载体（如质粒、人噬菌、SV40及其它病毒）转入适宜的受体细胞中而获得复制和表达的一种分子生物技术。由该技术构建的且具有新遗传性状的生物称之为“基因工程生物”，一般简称为“工程生物”。1973年基因工程的诞生，标志着新的生物革命的开始。这一年，美国斯坦福大学分子生物学家S?柯恩第一个建成“基因工程菌”，并创立基因工程模式，科学界把这一年定为基因工程元年，而S?柯恩成为基因工程发展史上第一位创始人。然而，基因工程的诞生不是偶然的，1953年，美国生物学家沃森和物理学家克拉克，在前人发现生物遗传物质DNA（脱氧核糖核酸，或者说基因）的基础上，发现了DNA的双螺旋结构，最终揭示了生物遗传之谜；60年代确定遗传信息传递方式以及“工程酶”与分子载体研究取得一系列成就有关系。这些成就为基因工程诞生做了理论和技术方面的充分准备。以基因工程诞生为标志，20多年来，生物技术飞速发展，通过“工程微生物”生产的新药有胰岛素、荷尔蒙、干扰素、乙肝疫苗等等；还有转基因动物生产医药品和优质营养品以及基因农作物抗各种病虫害等等。1990年开始实施、至今已取得重大进展并正在加紧进行的“人体基因组计划”，将为人类创造奇迹。这一计划一旦完成，人体基因组图谱绘制出来，图解整个人体10万种基因，并了解其功能，这将成为遗传病诊治或基因治疗以及寻找医治癌症、艾滋病等药物的指南。我国参与了“人类基因组计划”的进程，如制订了水稻基因组计划；人体基因计划项目在我国南方、北方均已启动，发现了一些新基因及其功能，研究工作取得可喜进展。 2．对“基因工程”理解正确的一项是（） A、基因工程是一种改变生物遗传性状的技术。 B、基因工程是按照工程设计的方法，将生物的基因分解后获得一种新分子的生物技术。 C、基因工程是将不同生物的基因进行操作，然后将它转入受体细胞，从而获得一种新的遗传性状的生物技术。 D、基因工程是将不同生物的基因转入受体细胞后，所获得的一种新的遗传性状的分子生物。 3．基因工程的诞生经历了三个阶段，这三个阶段突出的成就是： 50年代成就是： 60年代成就是： 70年代成就是： 4．划线句子是一个长句，这个长句是阐述的主要意思是（） A、这个计划将成为指南。 B、这个计划一旦完成，将成为指南。 C、人体基因组图谱图解人体基因将成为指南。 D、人体基因组将成为指南。 小车组装实验报告 篇一：智能小车实验报告 北京邮电大学实习报告 附1 实习总结 为期两周的电子工艺实习，我过得十分忙碌和充实。从茫然地走进实验室，到学习最基本的焊接，到组装小车，再到无数次地调试程序，最后获得全院比赛的二等奖，有很多的辛苦，但是有更多的收获。 焊接是电子工艺实习最基本的部分，也是我们小学期的第一课。最开始是焊接基本的元件，包括电阻、电容、二极管、三极管等，虽然看起来是很简单的工作，但总是掌握不好电烙铁和焊锡，于是焊点有大有小，还有一些虚焊和漏焊的点。直到按照老师的要求一点一点把整块板子焊满，才逐渐掌握了标准、规范的焊接方法，最后烙铁往上一提很重要。到后来焊连着的四十个点时，焊点已经比较整齐划一了。对于焊接这种基本功来说，反复练习真的十分重要，这也考验了我们的耐心和细心。 焊接部分的小测试，是焊一个发光二级管交替亮的功能电路，老师要求正面用硬线布线，背面用软线连接。由于一开始设计布线的时候，元件之间距离比较近，导致在背面焊接连线时必须把线剪得特别短，我们两个人一个扶着线，一 个焊，位置十分不好把握，一不小心就会碰到旁边的焊点，又需要吸掉重焊，浪费了很多时间。所以我们的工作进行得十分慢，到中午很晚才焊完。虽然焊完后通电顺利地亮了，但以后再布线的时候一定要考虑到背面连线的问题，把原件之间的距离排得大一些。 基本焊接技术后就正式进入小车的组装了。小车的零件有很多都不认识，电路板也很复杂，刚拿到手里有些摸不着头脑，还好说明书上对焊接步骤有详细的说明。在焊芯片和散热片的时候，我们把顺序搞反了，应该先焊散热片，再根据螺丝孔的位置焊芯片，才能把两个元件固定在一起。但我们先焊了芯片，把散热片插在板子上后，发现两个孔怎么也对不上，可是芯片已经焊死了，即使用吸锡器也拆不下来。最后我们只好在散热片上又钻了一个孔，才勉强把螺丝拧上去。所以焊接的顺序是极其重要的，不光要考虑元件的高低，还要考虑元件之间的关系，才能少做无用功。还好其他步骤我们没有再出问题，小车焊出来后把测试程序烧进去，也能够正常的跑。 进入程序编写阶段，我们两个人先一起在测试程序的基础上编写了一个逻辑，预想了小车在行进过程中可能遇到的各种状况，主要使用了if??else if??else的多层嵌套。这个逻辑我们梳理了好长时间，在纸上画了逻辑图，想办法把 电子产品装配实践实验报告 装配流程 首先要做好实验前准备工作。组装烙铁架，加热烙铁。识别元器件，看懂电路图。对于调频收音机，要把元器件管脚插入面包板后焊接。而贴片收音机则需要小心焊接，毕竟贴片电容电阻体积太小不易焊接。焊接完毕之后，需用万用表对电路进行检查。检查加工无误后，即可组装外壳，接通电源，调台接收电台。 具体操作 组装烙铁架，给烙铁通电。待5~10min后（此期间可以检查以及分类元器件，测量电阻以便装配），在烙铁头处涂锡并且用松香洗润以保证烙铁使用效果以及寿命。接下来就可以进行装配。始终记住装配原则：看清正负，对号入座，从低到高，从小到大，灵活机动，认真细心。首先是调频收音机，电阻、瓷片电容没有正负极，而其它元器件基本都有正负极，三极管分ebc管脚，务必对号入座。管脚插入也有讲究，电阻可以将管脚完全插入，但对于电容、三极管这些高温易损坏的器件，其管脚则需留一小段使得他们远离面包板，从而减少焊接时烫坏元器件的可能。对于焊接有管脚的器件，应该先将烙铁头放在管脚与面包板上铜片交接处加热2~3秒，再将锡丝一段放在交接处熔化适量后移开，待液态锡形状良好后移开烙铁使其凝固。这样一个管脚就焊好了。另外，为了防止虚焊，可以适当加长加热的时间。当然实验中不免会发生错误，焊错管脚时可以借助吸焊器吸掉锡拔出元器件。焊完之后不要急于组装，应当用蜂鸣档测量是否有虚焊、短路、断路等错误，早发现早修正。第二个贴片收音机比第一个焊接难度大一些，因为元器件太小不易焊接而且容易丢失，但贴片电容不分正负极。对于贴片的焊接另有方法。对于面包板上两铜片，首先应该在其中一个铜片上焊少量锡，然后左手用镊子小心轻轻捏住贴片，右手持烙铁熔化铜片上的锡同时将贴片一头插入锡中，调整贴片位置放正之后移开烙铁待冷却（烙铁放置时间不要过长，否则容易烫坏贴片），最后再将另一个铜片以及贴片另一端焊起来即可。过程漫长，操作反复单一，需要细心耐心。 实验结果 第一个调频收音机，我按照步骤仔细认真焊接，最后收音机的LED灯亮， 但是喇叭声音太小，怎么也找不出原因，后 来经过老师的帮助，结论是有元器件有问 题或损坏了。我不太甘心，决心第二个贴 片收音机一定还要认真。值得庆幸，贴片收 音机元件完好，焊完之后可以收到5~6个清 晰的台。 心得体会 收音机的焊接是一项技术活，它考验你的使用烙铁的能力，识别元器件和使用万用表的能力。同时，它也更加考验你的毅力耐力。在重复单一的焊接中，你能不能保持专注；在一次次失败时，能不能抵抗失望而冷静思考检查问题；在漫长的三个小时中，你能否坚持专一从始至终。作为电子信息学院的未来的工程师，我们不仅要认真读书，学习理论知识，更要将所学付诸实践。毕竟世界是偏向物质的，我们只有兼顾理论与动手操作能力，才能更大程度地融入社会，发挥我们的作用，展现我们的价值。 14电信1428403037 孙思聪 开卷有益 你能活多少岁？你想活多少岁？长寿是人类梦寐以求的，但是疾病等因素一直困扰着我们，癌症、糖尿病等大多是基因病。如果能攻克人类基因的奥秘，活到一百五十岁并不是异想天开。我们也能够在超市买到抗感冒的苹果、防肝炎的梨，能吃到治疗艾滋病的大米。如果能攻克人类基因的奥秘，我们的生活将发生翻天覆地的变化，我国正是人类基因组计划的成员国之一，承担着百分之一的任务，而这正是本文作者杨焕明博士争取而来的。今天我们就随他走进基因世界，去领略基因世界的多姿多彩！ 话题链接——科学与生活 1．教材赏悟 全文通过介绍人类基因组计划的科学地位及六大导向性的意义，阐明了该计划是人类科学史上的重大工程，可以奠定揭开生命最终奥秘的基础，反映了当前领先于科技前沿的基因组研究的重大突破和广阔前景，体现了人文关怀性和科学严谨性，并呼吁人们要加强国际性合作，走良性发展的科研之路。 2．名句赏记 ◆科学家的成果是全人类的财产，而科学是最无私的领域。——高尔基 ◆数理科学是大自然的语言。——伽利略 ◆科学是我心中的温暖和愉快，你使我无所畏惧，视死如归。入狱者虽难得重见天日，你却能把锁链和铁窗粉碎。——布鲁诺 ◆科学是人类智慧的结晶和硕果……展望科学的未来，人类将高举科学的火炬登上宇宙的天堂。——霍金 ◆科学是人们生活中最重要、最美好和最需要的东西。——契诃夫 ◆没有科学和艺术，就没有人和人的生活。——列夫·托尔斯泰 ◆科学是我们时代的神经系统。——高尔基 ◆科学的真正的、合法的目标说来不外是这样：把新的发现和新的力量惠赠给人类生活。——培根 ◆科学、科学知识总是假设的：它是猜想的知识。科学的方法是批评的方法： 寻求和消灭错误并服务于真理的方法。——卡尔·波普尔 ◆科学本身就有诗意。——斯宾塞 3．典例赏析 揭开遗传奥秘 原文：1832年的一天，奥地利西里西亚地区一个名叫海因赞多夫的小村庄，10岁的约翰正忙着帮助父亲嫁接果树。父亲酷爱园艺，是果树栽培嫁接方面的行家，左邻右舍的农民经常来向他请教。约翰从小就在父亲影响下学会了干各种农活，并且对果树嫁接产生了浓厚的兴趣。 一次小约翰问父亲：“爸爸，一枝小小的良种接穗，尽管全部养料都由劣种砧木供给，为什么仍能长成粗大的枝干和香甜的果实？” “孩子，我也不知道为什么！但事实的确如此。比养料力量更大是树木的本性，就是人们称为‘遗传’的那种性质吧！”父亲根据自己掌握的知识回答了约翰的问题。 小约翰默默地听着听着，陷入了沉思：“树木的本性”“遗传”，那是怎么一回事呢？他不断地喃喃自语。 童年的嫁接经验和学校里组织的生物活动，这些生物学的遗传现象在约翰幼小的心灵里扎下了深深的根基，这对他成为举世闻名、发现遗传规律的伟大的生物学家影响极大，他就是发现遗传三大定律的孟德尔。 悟语：伟大的发现常产生于我们普通的生活中，但是如果没有刨根究底的精神，如果没有持之以恒的坚持，没有把好奇心继续到底的决心，这伟大的发现还会是平常的生活现象。 4．时文赏读 电路实验二实验报告 实验题目：仪器仪表的使用 实验内容： 1.熟悉示波器和函数信号发生器的使用； 2.测量示波器自带的校准信号； 3.用示波器测量函数信号发生器提供的正弦波、三角波和方波； 4.在面包板上搭接一个积分电路，用示波器观测其波形。 实验环境： 示波器DS1052E，函数发生器EE1641D，面包板SYB-130。 实验原理： 1.示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。把肉眼看不见的电信号变换成看得见的 图象，便于研究各种电现象的变化过程。利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。 2.函数发生器是一种多波形的信号源。它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波，甚 至任意波形。有的函数发生器还具有调制的功能，可以进行调幅、调频、调相、脉宽调制和VCO控制。 3.面包板是专为电子电路的无焊接实验设计制造的。由于各种电子元器件可根据需要随 意插入或拔出，免去了焊接，节省了电路的组装时间，而且元件可以重复使用，所以非常适合电子电路的组装、调试和训练。 实验记录及结果分析： 1.示波器自带的校准信号： 2.函数发生器提供正弦波： 3.函数发生器提供的方波： 最大值:2.40V 最小值:-2.64V 峰峰值:5.04V 频率:2.016kHz 周期:496.0μs 占空比:48.0% 4.函数发生器提供的三角波： 最大值:2.40V 最小值:-2.64V 峰峰值:5.04V 频率:2.016kHz 周期:496.0μs 实验总结： 示波器能够产生波形，把肉眼看不见的电信号转为我们很容易看见的图形，而函数发生器则会产生不同类型的电信号，这样利用示波器和函数发生器就可以对函数发生器所发 人类基因组计划的重要性 “以破解人类遗传和生老病死之谜，解决人类健康问题为目的的人类基因组计划，对人类自身的生存和发展具有重要的意义。其旨在通过测定人类基因组DNA约3×109对核苷酸的序列，探寻所有人类基因并确定它们在染色体上的位置，明确所有基因的结构和功能，解读人类的全部遗传信息，使得人类第一次在分子水平上全面认识自我。” 基因作为掌控人类自身性状、特征和遗传的根本因子，以其简单的双螺旋结构、复杂的排列方式，使全世界范围内的每一个人类都有着相同的本质和不同的特质。基因的轰动范围极为广泛，我们身上的每一处体态特征几乎都由基因所决定，大到一个人的身高、外貌，小到一颗牙形的状，甚至是一根头发的直径都与基因有着密不可分的联系。众所周知，基因由五种碱基对以庞大的数量按一定顺序排列组合而成，其本质是核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸。在一个活跃的细胞内，特定的基因通过解旋、转录、翻译等一系列过程，来实现RN A、蛋白质等相应物质的合成，这些数以万计的不同形态不同功能的RN A、蛋白质在细胞内外发挥出他们自身的作用，从而达到控制人类机体、完善结构功能、协调组织器官运作的神奇效果。 由以上的事实我们可以看出，要想解开人类自身的秘密，就要从破解基因的密码做起。 人类基因组计划便应运而生了。该计划是由美国科学家于1985年率先提出，于1990年正式启动的。美国、英国、法兰西共和国、德意志联邦共和国、日本和我国科学家共同参与了这一预算达30亿美元的人类基因组计划。按照这个计划的设想，在2005年，要把人体内约10万个基因的密码全部解开，同时绘制出人类基因的谱图。换句话说，就是要揭开组成人体4万个基因的30亿个碱基对的秘密。人类基因组计划与曼哈顿原子弹计划和阿波1罗计划并称为三大科学计划。 “HDP（人类基因组计划）的目的是解码生命、了解生命的起源、了解生命体生长发育的规律、认识种属之间和个体之间存在差异的起因、认识疾病产生的机制以及长寿与衰老等生命现象、为疾病的诊治提供科学依据。” 实验时间：3月30日晚6:00-9:00 一、实验目的 项技术指标和参数。 3.能掌握现代计算机组成结构、内部部件的连接和装机步骤 4.能够熟练掌握计算机的基本组装技巧。 二、实验内容 三、实验步骤 （一）计算机主要器件及外部设备 1、计算机系统硬件组成：微处理器、主板、内存、外存储器、 输入系统设备、显示系统设备、机箱与电源。 2、计算机的结构构成和功能 ⑴.主板：主板是一块方形的电路板，在其上面分布着众多电子 元件和各种设备的插槽等。 ⑵.主板的插座：主板上的插座主要是指主板上的 CPU 插座和电 源插座。 计算机 硬件的组装 1.加深对理论知识的理解, 提咼实际动手能力; 2. 了解计算机的主要部件, 理解各部件的功能，了解微型机的各 学号： 姓名: 1、 了解计算机主要器件、外部设备的种类和发展情况; 2、 掌握计算机主要器件、外部设备的主要性能指标; 3、 知道如何选购计算机的主要器件和外部设备; 4、 根据了解的知识，动手实践组装一台微型计算机系统; 5、 了解并掌握计算机系统的调试、维护方法。 ⑶.主板的插槽 ⑷.主板的芯片组：主板的芯片组是整个主板的核心，主板上各 个部件的运行都是通过主板芯片组来控制的。 ⑸.CPU CPU由控制器和运算器这两个主要部件组成。控制器 是整个计算机系统的指挥中心。控制器的指挥控制下，运算器、 存储器和输入/输出设备等部件协同工作，构成了一台完整的通 用计算机。运算器是计算机中用于实现数据加工处理等功能的部 件，它接受控制器的命令，负责完成对操作数据的加工处理任务, 其核心部件是算术逻辑单元。 ⑹.内存：内存主要由内存颗粒、PCB电路板、金手指等部分组成。 内存的作用是和CPL进行数据交换的，用于直接提供CPU要处理的 数据，同时内存容量有限，它需要不断的从外存调入当前操作需要 的数据以备CPU使用。 3.计算机的拆装 工具：螺丝刀 ⑴.拆卸部件操作步骤：关闭电源，用螺丝刀拆下螺丝，拆卸机箱。 观察主机各部件的连接线（电源和信号线），各部件的固定位置和方式（固定点、螺钉类型），并登记。拆除电源和信号线、板卡、内存、硬盘和软驱。（不要拆除CPU风扇、主板） ⑵.安装计算机部件的操作步骤: 全基因组从头测序(de novo测序) https://www.wendangku.net/doc/3413124245.html,/view/351686f19e3143323968936a.html 从头测序即de novo 测序，不需要任何参考序列资料即可对某个物种进行测序，用生物信息学分析方法进行拼接、组装，从而获得该物种的基因组序列图谱。利用全基因组从头测序技术，可以获得动物、植物、细菌、真菌的全基因组序列，从而推进该物种的研究。一个物种基因组序列图谱的完成，意味着这个物种学科和产业的新开端！这也将带动这个物种下游一系列研究的开展。全基因组序列图谱完成后，可以构建该物种的基因组数据库，为该物种的后基因组学研究搭建一个高效的平台；为后续的基因挖掘、功能验证提供DNA序列信息。华大科技利用新一代高通量测序技术，可以高效、低成本地完成所有物种的基因组序列图谱。包括研究内容、案例、技术流程、技术参数等，摘自深圳华大科技网站 https://www.wendangku.net/doc/3413124245.html,/service-solutions/ngs/genomics/de-novo-sequencing/ 技术优势: 高通量测序：效率高，成本低；高深度测序：准确率高；全球领先的基因组组装软件：采用华大基因研究院自主研发的SOAPdenovo软件；经验丰富：华大科技已经成功完成上百个物种的全基因组从头测序。 研究内容: 基因组组装■K-mer分析以及基因组大小估计；■基因组杂合模拟（出现杂合时使用）； ■初步组装；■GC-Depth分布分析；■测序深 度分析。基因组注释■Repeat注释； ■基因预测；■基因功能注释；■ ncRNA 注释。动植物进化分析■基因家族鉴定（动物TreeFam；植物OrthoMCL）；■物种系统发育树构建； ■物种分歧时间估算（需要标定时间信息）；■基因组共线性分析； ■全基因组复制分析（动物WGAC；植物WGD）。微生物高级分析 ■基因组圈图；■共线性分析；■基因家族分析； ■CRISPR预测；■基因岛预测（毒力岛）； ■前噬菌体预测；■分泌蛋白预测。 熊猫基因组图谱Nature. 2010.463:311-317. 案例描述 大熊猫有21对染色体，基因组大小2.4 Gb，重复序列含量36%，基因2万多个。熊猫基因组图谱是世界上第一个完全采用新一代测序技术完成的基因组图谱，样品取自北京奥运会吉祥物大熊猫“晶晶”。部分研究成果测序分析结果表明，大熊猫不喜欢吃肉主要是因为T1R1基因失活，无法感觉到肉的鲜味。大熊猫基因组仍然具备很高的杂合率，从而推断具有较高的遗传多态性，不会濒于灭绝。研究人员全面掌握了大熊猫的基因资源，对其在分子水平上的保护具有重要意义。 黄瓜基因组图谱黄三文, 李瑞强, 王俊等. Nature Genetics. 2009. 案例描述国际黄瓜基因组计划是由中国农业科学院蔬菜花卉研究所于2007年初发起并组织，并由深圳华大基因研究院承担基因组测序和组装等技术工作。部分研究成果黄瓜基因组是世界上第一个蔬菜作物的基因组图谱。该项目首次将传 微机组装实验报告 一．实验内容 1、了解计算机的硬件系统 2、在规定的时间内完成一台计算机的完全拆卸并且完全还原的组装拆卸训练二．实验目的 1、熟悉计算机的基本配置及各部件的功能 2、掌握计算机的组装过程 三．实验过程及步骤 1、实验的主要过程及步骤 ①交代任务，强调实验的重点及注意事项 ②老师演示重点环节 ③拆卸计算机： 观察机箱外观---打开机箱并观察机箱内的部件---分解各个部件之间的连接---观察主板---拆卸主板上的部件 ④组装计算机： 安装cpu---散热风扇---内存条---电源盒---主板---显卡---光驱---硬盘---连接主板控制线 2、主要部件的功能及参数介绍： ①中央处理器（英文Central Processing Unit，CPU）是一台计算机的运算核心 和控制核心。CPU、内部存储器和输入/输出设备是电子计算机三大核心部件。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU由运 算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。 差不多所有的CPU的运作原理可分为四个阶段：提取（Fetch）、解码（Decode）、执行（Execute）和写回（Writeback）。CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码，并执行指令。所谓的计算机的可编程性主要是指对CPU的编程。 ②主机板：又叫主板(mainboard)、系统板(systemboard)或母板(motherboard)；它 安装在机箱内，是微机最基本的也是最重要的部件之一。主板一般为矩形电路板，上面安装了组成计算机的主要电路系统，一般有BIOS芯片、I/O 控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯插接件、扩充插槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等元件 ③内存条：内存条是连接CPU 和其他设备的通道，起到缓冲和数据交换作用。 库”太大，加上离CPU也很“远”，运输“原料”数据的速度就比较慢，导致 间，建了一个“小仓库”—内存。 四．实验心得及体会收获 通过学习计算机组装，我了解了计算机方面的一些基础知识，也了解到了CPU，主板，内存等配件的基本结构，原来在计算机方面不是很懂得的我，开始渐渐的深入了解它，相信我今后能更好的使用它。 “纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”这次计算机组装实验，让我真正将理论和实践融为一体，既巩固了旧知识，又掌握了新知识，在提高了我的动手能力 基因组组装 摘要 基因组组装是生物信息学的核心，有着极其重要的应用价值。本文针对提高基因组组装问题的不同途径和规模，利用了图论中的De Bruijn图法和欧拉路径问题的思想建立模型，并对传统De Bruijn图模型中存在的一些问题（如overlap 部分判定速度较慢、内存占用大等）建立了相应模型进行改进，利用所建模型对附录中给出的reads进行了组装，并对原文件中错误和低质量的reads进行了筛选，提高了原始数据的质量，对问题进行了拓展。 首先，在模型的建立方面，我们利用了图论中de Bruijn图法和欧拉路径问题的思想并结合实际，建立了基因组序列组装模型，基于de Bruijn图法的模型不仅避免了使用OLC方法组装第二代基因测序技术所产生的高通量、短序列、高覆盖的基因组易产生错误、运行较慢的弊端，并且还可以减少冗余数据量，提高了内存效率。 其次，在模型的优化改进方面，我们通过建立基于De Bruijn sequence的碱基序列替换改进模型和k值选择模型对传统De Bruijn 图模型进行了改进，很好的解决了原有模型存在的overlap比对速度慢、不同k取值导致资源占用不同等问题，提高了基因组组装过程中的时间效率和容错率。 最后，在对于原始reads数据的处理方面，我们利用了Hash算法的思想，对每条k-mer建立Hash值，并建立了基于Phred法的reads记录评分筛选模型，对于低质量和错误的reads记录进行了筛选去除，提高了原始reads数据的质量，使最终得到的contig更加准确。 关键词：De Bruijn图欧拉路径Phred质量评分Hash算法 快速和准确地获取生物体的遗传信息对于生命科学研究具有重要的意义，对每个生物体来说，基因组包含了整个生物体的遗传信息，这些信息通常由组成基因组的DNA或RNA分子中碱基对的排列顺序所决定。获得目标生物基因组的序列信息，进而比较全面地揭示基因组的复杂性和多样性，成为生命科学领域的重要研究内容。 确定基因组碱基对序列的过程称为测序（sequencing）。利用现有的测序技术，按一定的测序策略获得长度约为50–100个碱基对的序列，称为读长（reads）。基因组复制份数约为50–100。基因组组装软件可根据得到的所有读长组装成基因组，这些软件的核心是某个组装算法。常用的组装算法主要基于OLC （Overlap/Layout/Consensus）方法、贪婪图方法、de Bruijn图方法等。一个好的算法应具备组装效果好、时间短、内存小等特点。新一代测序技术在高通量、低成本的同时也带来了错误率略有增加、读长较短等缺点，现有算法的性能还有较大的改善空间。 1.1问题一的重述 问题一要求建立数学模型，设计算法并编制程序，将读长序列组装成基因组。对算法和程序的要求如下： （1）能较好地解决测序中出现的个别碱基对识别错误 （2）能较好地解决基因组中存在重复片段的情况 1.2问题二的重述 问题二要求将一个全长约为120,000个碱基对的细菌人工染色体（BAC），采用Hiseq2000测序仪进行测序，测序深度（sequencing depth）约为70×，即基因组每个位置平均被测到约70次。利用解决问题一建立的算法和程序进行组装，并使之具有良好的组装效果。电脑组装实验报告
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