系統(tǒng)生物學系統(tǒng)生物學概況省公共課一等獎全國賽課獲獎課件

系統(tǒng)生物學

SystemBiology第1頁漢字參考書《系統(tǒng)生物學理論、方法和應用》[德]柯利普等著；賀福初等譯，復旦大學出版社，?！断到y(tǒng)生物學基礎》[日]北野宏明編；劉筆鋒，周艷紅等譯，化學工業(yè)出版社，?！断到y(tǒng)生物學：哲學基礎》[荷]布杰德等編著；孫之榮等譯，科學出版社，?！断到y(tǒng)生物學》，張自立，王振英編著，科學出版社，?！断到y(tǒng)生物學導論：生物回路設計原理》尤.阿隆著，王翼飛等譯，化學工業(yè)出版社，。第2頁EnglishBooksKlippE.etc.SystemsBiology:ATextbook,Wiley-VCH,AlberghinaL.&WesterhoffH.V.(Eds.)SystemsBiology:DefinitionsandPerspectives(TopicsinCurrentGenetics),Springer-VerlagBerlinHeidelberg,.PalssonB.O.SystemsBiology:PropertiesofReconstructedNetworks,CambridgeUniversityPress,.KonopkaA.K.SystemsBiology:Principles,Methods,andConcepts,CRCPress,.KrieteA.&EilsR.(Eds.)ComputationalSystemsBiology,ElsevierAcademicPress,.WilkinsonD.J.,StochasticModellingforSystemsBiology,CRCPress,.SangdunChoi(Eds.)IntroductiontoSystemsBiology,HumanaPress,.FrederickB.Marcus,BioinformaticsandSystemsBiology:CollaborativeResearchandResources,Springer-VerlagBerlinHeidelberg,.NakanishiS.etc.(Eds.)SystemsBiology:theChallengeofComplexity,SpringerTokyoBerlinHeidelbergNewYork,.McDerMottJasonetc.(Eds.)ComputationalSystemsBiology(SpringerProtocals:MethodsinMolecularBiology),HumanaPress,.OlegDemin&IgorGoryanin,KineticModellinginSystemsBiology,CRCPress,.第3頁第一章系統(tǒng)生物學概況第4頁什么是系統(tǒng)生物學（systemsbiology）？第5頁人類認識世界兩種方法論

Reductionism（還原論）Holism（整體論）RENEDESCARTES(1595-1650)

"IamthinkingthereforeIexist."JanSmuts(1870-1950)“HolismandEvolution”6第6頁生命是一個多層次、多功效復雜架構體系。研究其運動改變規(guī)律科學稱之為生物科學或生命科學。長久以來，科學家從群體、個體、細胞、分子等不一樣層次，以及形態(tài)解剖、生理生化、遺傳發(fā)育、免疫、種群、進化等不一樣側面探索者生命運動規(guī)律。第7頁全部生命都來自共同祖先C.Darwin第8頁不一樣有機體遵照著統(tǒng)一規(guī)律第9頁DNA是實現(xiàn)生命繁衍基本大分子第10頁繁殖就是將DNA雙螺旋傳給后代第11頁不一樣結構蛋白質負責不一樣生命活動酶運動蛋白血紅蛋白第12頁不一樣氨基酸序列蛋白質含有不一樣空間結構第13頁蛋白質是由20種氨基酸連成生物大分子第14頁蛋白質形成倚賴DNA上遺傳信息第15頁遺傳密碼（三個堿基）決定一個氨基酸第16頁基因就是含有遺傳密碼一段DNA序列起始位置結束位置基因第17頁基因1基因2蛋白質1蛋白質2一個基因決定一個蛋白質第18頁轉錄：解讀基因語言第19頁翻譯：依據(jù)遺傳密碼決定蛋白質氨基酸序列第20頁當代生命科學“中心法則”DNA信息RNA解讀

蛋白質產品生命活動用途第21頁當代生物學家眼中生命——還原論觀點個體水平細胞水平DNA分子水平蛋白質

生命與非生命沒有本質上不一樣，它們都遵照著統(tǒng)一物理化學規(guī)律。第22頁當代生命科學特征

簡單化

線性化

定性化

試驗化第23頁小結一直以來,人們在碩士物體系統(tǒng)時,都是采取還原論（reductionism）方法,分別對系統(tǒng)單個組成元素進行獨立分析研究。當前為止,還原論研究已經取得了大量成就,在細胞甚至在分子層次對生物體都有了很詳細了解,但對生物體整體行為卻極難給出系統(tǒng)、圓滿解釋。生物科學還停留在試驗科學階段,沒有形成一套完善理論來描述生物體怎樣在整體上實現(xiàn)其功效行為。第24頁還原論及其不足奠基人：笛卡爾分析-重構方法主導地位：分析、分解、還原4來，創(chuàng)造了一套可操作科學方法面臨巨大問題：復雜系統(tǒng)，用認識疊加方法，不宜發(fā)覺整體“涌現(xiàn)性”。從宇宙、生物圈、動物界、植物界，到個體，器官、組織、細胞、細胞器、DNA、基因片段…DNA雙螺旋結構發(fā)覺以及隨即基因突破已經抵到達有機生命與無機物質拐點，還原論在生命科學領域里所負擔使命大致已經終止。第25頁傳統(tǒng)思緒：信號通路實際情況：信號網(wǎng)絡第26頁人類認識世界兩種方法論Reductionism

HolismRENEDESCARTES(1595-1650)

"IamthinkingthereforeIexist."JanSmuts(1870-1950)“HolismandEvolution”27第27頁基因組(Genome)載有細胞或生物個體全套遺傳信息全部遺傳物質原核生物基因組：1.5Mb(1500個基因)~8Mb(7500個基因)古細菌基因組：1.5Mb(1500個基因)~3Mb(2700個基因)真核生物基因組細胞核基因組：1.3X107kb

(6千個基因)~3.3X109kb

(4萬個基因)線粒體基因組：16kb(13個基因)~399kb(34個基因)葉綠體基因組：120kb(87個基因)~190kb(183個基因)基因組是什么？“基因組——后基因組”時代第28頁人類基因組23條染色體：3.3X109bp常染色質：2.9X109bp異染色質：0.4X109bp基因數(shù)：2萬~2萬5千

~1.5%序列用于編碼基因第29頁人類基因組計劃HGP第30頁人類基因組計劃意義（1）催生了組學（Omics）研究基因組學（Genomics）功效基因組學(FunctionalGenomics)轉錄組學（Transcriptomics）

蛋白質組學（Proteomics）

代謝組學（Metabolomics）……

第31頁人類基因組計劃意義（2）第32頁生物信息學計算生物學促進了交叉學科發(fā)展人類基因組計劃意義（3）第33頁認識論目標大方法論視野大形成了生命科學“大科學”人類基因組計劃意義（4）第34頁高通量低成本測序技術：個性化醫(yī)學基礎：1萬美金測序費/百萬堿基：1美金測序費/百萬堿基個體化在近五年內，將實現(xiàn)一個人全基因組測序費用不超出1000美金；到，測序費用還將大大降低。第35頁個體基因組計劃第36頁美國個體基因組計劃DiploidgenomesequencingPersonalgenomesequencing第37頁英國10K項目是,WellcomeTrust在三年內支持1000萬英鎊，測定10000個人基因組序列，意在找出與肥胖和精神分裂癥等疾病相關罕見基因變異。英國萬人基因組計劃（UK10K）4000名英國人全基因組序列，其中二分之一是針對英國雙胞胎來進行，另二分之一則是針對父母與兒女來開展。

6000個人則只是測定其外顯子序列。參加外顯子測序人都得有“尤其突出表型”，這么就有利于將某一多基因相互作用疾病定位到特定基因上。其中，人是極度肥胖；3000人患有神經元發(fā)育障礙；另外1000人則患有先天性心臟病等比較稀少疾病。第38頁GenerateantigenGeneratespecificantibodiesabcdInvitroproteinprofiling

Invivoproteinprofiling

IsolationofproteincomplexesProteinchipIsolationofnativeprotein?Structure?Modification?BiochemistryTheHumanProteomeResource(HPR)program利用抗體系統(tǒng)地檢測人類蛋白質組Prof.MathiasUhlenRoyalInstituteofTechnologySweden第39頁生命進化與轉錄組第40頁非編碼RNA:復雜性源泉第41頁后基因組時代第42頁酵母基因功效網(wǎng)絡后基因組時代生命觀：復雜系統(tǒng)第43頁后基因組時代生命觀：復雜系統(tǒng)細胞信號轉導網(wǎng)絡第44頁神經網(wǎng)絡后基因組時代生命觀：復雜系統(tǒng)第45頁人類基因組終生在改變美國約翰霍普金斯大學醫(yī)學院研究了個體基因組內DNA甲基化改變。DNA樣原來自冰島大約600個人，分別于1991年和至年間采得。研究人員測量了111個樣本中每個樣本DNA甲基化總量，并比較了同一個人采自至年間和1991年DNA甲基化總量。

結果發(fā)覺，在這大約時間跨度中，大約三分之一個體甲基化量發(fā)生了改變。不過改變方向并不一致——一些人甲基化總量增加，另一些人則發(fā)生丟失。JAMA第46頁傳統(tǒng)生物科學（中國傳統(tǒng)醫(yī)學）輸入輸出經典生物試驗科學輸入輸出A(基因/蛋白質)B(基因/蛋白質)系統(tǒng)生物學輸入輸出系統(tǒng)生物學是認識生命復雜系統(tǒng)新角度綜合性研究分析性研究分析+綜合研究第47頁系統(tǒng)生物學是二十一世紀生命科學革命代表科學革命科學革命常規(guī)科學常規(guī)科學科學家對自然界認識程度中心法則發(fā)覺分子生物學誕生系統(tǒng)生物學誕生人類基因組計劃19501990時間第48頁49第49頁經典生命科學

簡單化線性化定性化試驗化系統(tǒng)生物學

復雜化網(wǎng)絡化定量化理論化經典生命科學與系統(tǒng)生物學之比較第50頁物理學物理現(xiàn)象觀察數(shù)學描述F=maE=MC2物理學描述經驗階段理性階段生命科學生命現(xiàn)象觀察數(shù)學描述？生物學描述經驗階段理性階段第51頁系統(tǒng)生物學(SystemsBiology)

定義：系統(tǒng)生物學是系統(tǒng)性地研究一個生物系統(tǒng)中全部組成成份（基因、mRNA、蛋白質等）組成以及在特定條件下這些組分間相互關系，并分析生物系統(tǒng)在一定時間內動力學過程。第52頁

系統(tǒng)思想（相互作用著整體）

中國古代哲學辯證唯物主義：物質世界是由無數(shù)相互聯(lián)絡、相互依賴、相互制約、相互作用事物和過程所形成統(tǒng)一整體---馬克思、恩格斯第53頁系統(tǒng)生物學從系統(tǒng)水平來了解生物學系統(tǒng)，利用一系列原理與方法學來研究分子行為與系統(tǒng)特征與功效關系，經過各種組學聯(lián)合以及計算生物學來定量說明和預測生物功效、表型和行為。

Systemsbiologyisadisciplinetostudythespatial-temporalinteractionsofcomponentsindifferentlevelsofbiologicalsystems,seekingtofindthelawsintheorganizationprinciples,dynamicbehaviorsandemergentpropertiesofsuchbiologicalsystems.第54頁系統(tǒng)生物學分類組學OMICS基因組學轉錄組學蛋白質組學糖組學脂質組學代謝組學表觀遺傳組學宏基因組學計算系統(tǒng)生物學第55頁近幾十年來發(fā)展最為快速生物科學二十一世紀生物學分子水平，系統(tǒng)生物學基礎整合性大科學分子生物學系統(tǒng)生物學

系統(tǒng)生物學與分子生物學56第56頁

分子生物學與系統(tǒng)生物學還原主義將生物學還原到分子水平

整體主義從系統(tǒng)層次上了解生物系統(tǒng)研究對象是生物系統(tǒng)組成部分（個別基因、個別蛋白質）研究對象是組成部分相互作用或部分之間關系——本質上就是信息57第57頁

分子生物學與系統(tǒng)生物學側重從試驗中獲取數(shù)據(jù)試驗數(shù)據(jù)挖掘（datamining）試驗深層次結果往往被忽略取得深層次結果，理論創(chuàng)新58第58頁傳統(tǒng)分子生物學各種“組學”系統(tǒng)生物學少多多對多(Interactions)組織原理動態(tài)行為涌現(xiàn)屬性研究范式轉變59第59頁“系統(tǒng)論是還原論和整體論辯證統(tǒng)一”-----錢學森對還原論超越Nature,Volume7,November/background/images/elephant.gif第60頁1948年，控制論之父NorbertWiener提出生物系統(tǒng)和控制系統(tǒng)能夠用一樣科學方法進行研究20世紀60年代生物化學系統(tǒng)理論（BST）

20世紀70年代謝控制理論（MCT）二十一世紀系統(tǒng)生物學穩(wěn)態(tài)或擬穩(wěn)態(tài)理論、模型數(shù)據(jù)不充分分子生物學、基因組測序以及高通量測量技術進展，使生物信息系統(tǒng)（BIS）建立成為可能人類基因組計劃和各種組學技術把生物學帶入系統(tǒng)科學時代第61頁第62頁第63頁InteractionPut

contents

into

context

Dimensionality

of

Genome

Annotation1D

Genome:

基因在基因組上線性排列

Two-dimensional

annotation

of

genomesNature

Biotechnology

22,

1218

-

1219

()

by

Bernhard

Palsson2D

Genome:

基因及其產物之間相互關聯(lián)和作用

Towards

multidimensional

genomeannotation

Nature

Reviews

Genetics

7,

130-141

()

Bernhard

O.

Palsson3D

(4D)

Genome:

時空中發(fā)生生物分子動態(tài)行為第64頁系統(tǒng)生物學研究方法第65頁系統(tǒng)生物學基本工作流程選擇可控生物系統(tǒng)定性和定量測量計算和數(shù)學建模第66頁

是生物學是大數(shù)據(jù)整合是建模仿真是系統(tǒng)科學系統(tǒng)生物學是什么第67頁系統(tǒng)生物學四個研究層次UnderstandingofsystemstructureUnderstandingbehaviorsofthesystemUnderstandinghowtocontrolthesystemUnderstandinghowtodesignthesystem--byHiroakiKitano68第68頁1.系統(tǒng)結構識別和研究（SystemStructure）這包含基因相互作用網(wǎng)絡、生化代謝路徑以及這些相互作用以何種機制調節(jié)生物系統(tǒng)研究等內容。第69頁2.系統(tǒng)動態(tài)特征分析（SystemDynamics）要碩士物系統(tǒng)在不一樣條件下不一樣時間不一樣條件行為，要對生物系統(tǒng)進行代謝分析，敏感性分析，動態(tài)分析等等從而發(fā)覺生物系統(tǒng)特定行為機理機制。第70頁3.系統(tǒng)控制方法（TheControlMethod）系統(tǒng)能夠控制一個細胞狀態(tài)使得細胞功能受損最小，經過研究可認為疾病治療提供潛在藥品靶標。第71頁4.系統(tǒng)設計方法（TheDesignMethod）將生物系統(tǒng)利用仿真、模擬等方法設計，最終到達建立數(shù)據(jù)系統(tǒng)模型目標。第72頁73第73頁

第一步：對選定某一生物系統(tǒng)全部組分進行了解和確定，描繪出該系統(tǒng)結構，包含基因相互作用網(wǎng)絡和代謝路徑，以及細胞內和細胞間作用機理，以此結構出一個初步系統(tǒng)模型。第二步：系統(tǒng)地改變被研究對象內部組成成份（如基因突變）或外部生長條件，然后觀察在這些情況下系統(tǒng)組分或結構所發(fā)生對應改變，包含基因表示、蛋白質表示和相互作用、代謝路徑等改變，并把得到相關信息進行整合。第三步：把經過試驗得到數(shù)據(jù)與依據(jù)模型預測情況進行比較，并對初始模型進行修訂。第四步：是依據(jù)修正后模型預測或假設，設定和實施新改變系統(tǒng)狀態(tài)試驗，重復第二步和第三步，不停地經過試驗數(shù)據(jù)對模型進行修訂和精練。系統(tǒng)生物學目標就是要得到一個理想模型，使其理論預測能夠反應出生物系統(tǒng)真實性。系統(tǒng)生物學研究四個步驟第74頁整合－系統(tǒng)生物學關鍵

系統(tǒng)內不一樣性質組成要素（基因、mRNA、蛋白質、生物小分子等）整合。從基因到細胞、到組織、到個體各個層次整合。研究思緒和方法整合。需要生命科學、信息科學、數(shù)學、計算機科學等各種學科共同參加，真正實現(xiàn)這種整合還有很長路要走。75第75頁經典分子生物學研究——垂直型研究?；蚪M學、蛋白質組學和其它各種“組學”——水平型研究。系統(tǒng)生物學特點——把水平型研究和垂直型研究整合起來，成為一個“三維”研究。ProteinGenesGenesProteinsTranscriptions●●●OMICsSystemBiologyGenesProteinGenomicsProteomics●●●第76頁GenomeTranscriptomeProteomeCitricacidcycleMetabolome系統(tǒng)生物學特征：各種生物分子整合第77頁系統(tǒng)生物學特征：各種層次整合第78頁系統(tǒng)生物學1，2，3，n

組學（發(fā)覺科學）基因（蛋白質）基因克隆

基因表示

基因突變

蛋白質結構

蛋白質相互作用

酶活力

試驗生物科學（假設驅動科學）系統(tǒng)生物學特征：小科學與大科學整合第79頁系統(tǒng)生物學特征：試驗科學與理論科學整合MolecularBiologyCellBiologyGenomicsProteomicsMetabolomicsWetLaboratoryComputingInformaticsModelingMathematicsDryLaboratory系統(tǒng)生物學第80頁生命科學信息科學系統(tǒng)科學系統(tǒng)生物學三大學科基礎第81頁生物學物理學化學工程學數(shù)學計算科學系統(tǒng)生物學學科交叉特征系統(tǒng)生物學，是把孤立在基因水平、蛋白水平各種相互作用、各種代謝路徑、調控路徑等融合起來，用以說明生物整體，高通量組學試驗平臺組成了系統(tǒng)生物學大科學工程.第82頁試驗技術（WetPart）信息技術（DryPart）兩大技術支撐第83頁試驗技術

基本技術離心與層析酶切與電泳

PCR技術雜交和印跡技術高通量技術新DNA測序技術克隆載體與DNA文庫

DNA和蛋白質芯片酵母雙雜交質譜技術

ChIP-chip和ChIP-PET技術轉基因生物、RNA干擾各種顯微示蹤技術等/第84頁計算技術

程序設計技術程序設計語言面向過程與面向對象程序設計慣用編程工具數(shù)據(jù)庫技術數(shù)據(jù)管理方式演變關系型數(shù)據(jù)庫與SQL語言數(shù)據(jù)集成與交換網(wǎng)絡技術計算機網(wǎng)絡概述服務器-客戶端結構網(wǎng)絡開發(fā)LAMP體系平行計算技術并行計算與串行計算比較微機集群架構與應用并行計算新趨勢：基于多核CPU與GPGPU程序設計計算含有試驗和理論雙重屬性：---相對于試驗，它是理論；---相對于理論，它是試驗。第85頁

慣用數(shù)據(jù)庫序列和結構數(shù)據(jù)庫基因表示數(shù)據(jù)庫蛋白相互作用數(shù)據(jù)庫代謝路徑數(shù)據(jù)庫動力學和模型數(shù)據(jù)庫慣用算法和網(wǎng)絡服務序列和結構比對算法進化樹構建方法網(wǎng)絡建模、比對和分析方法

慣用建模工具通用建模工具MatLab,Maple,MathematicaDizzy仿真工具

SBW平臺網(wǎng)上建模環(huán)境（PyBioS）建模程序包（PySCeS）生物信息資源第86頁包括生物學知識

生命起源與進化生命起源學說生命化學進化生命生物進化細胞結構與物質代謝細胞組成生物分子合成與分解生物分子中化學鍵和主要作用力分子生物學中心法則基因表示信息流向基因表示調控表示后蛋白修飾細胞周期與胚胎發(fā)育細胞分裂過程胚胎發(fā)育過程第87頁系統(tǒng)生物學與生物信息學Bioinformatics

is

the

application

of

statisticsand

computer

science

to

the

field

of

molecularbiology.

（from

Wiki）As

Science:

從信息角度，認識生命活動中規(guī)律。As

Technology:

信息技術(IT)在生命科學（尤其是）分子生物學中應用。88第88頁系統(tǒng)生物學基礎——信息

生物學是一門信息科學：生物學研究關鍵——基因組是數(shù)字化；生命數(shù)字化關鍵表現(xiàn)為兩大類型信息，第一類信息是指編碼蛋白質基因，第二類信息是指控制基因行為調控網(wǎng)絡；生物信息是有等級次序，而且沿著不一樣層次流動。第89頁系統(tǒng)生物學鑰匙——干涉系統(tǒng)生物學一方面要了解生物系統(tǒng)結構組成，其次要揭示系統(tǒng)行為方式。相比之下，后一個任務更為重要。系統(tǒng)生物學研究狀態(tài)下，揭示出特定生命系統(tǒng)在不一樣條件下和不一樣時間里具有什么樣動力學特征。所研究并非一種靜態(tài)結構，而是要在人為控制狀態(tài)下，揭示出特定生命系統(tǒng)在不一樣條件下和不一樣時間里具有什么樣動力學特征。人為設定某些條件作用于被實驗對象，達到實驗目，在系統(tǒng)生物學中稱之為干涉（perturbation）。第90頁系統(tǒng)生物學中干涉特點

首先，這些干涉應該是有系統(tǒng)性，如酵母果糖代謝9個基因逐一進行突變，研究在每一個基因突變下系統(tǒng)改變。其次，系統(tǒng)生物學需要高通量干涉能力，如高通量遺傳變異。系統(tǒng)生物學既需要“發(fā)覺科學”，也需要“假設驅動科學”。先選擇一個條件（干涉），然后利用“發(fā)覺科學”方法，對系統(tǒng)在該條件下全部元素進行測定和分析；在此基礎上做出新假設，然后再利用“發(fā)覺科學”研究伎倆進行新研究。這兩種不一樣研究策略和方法互動和整合，是系統(tǒng)生物學成功確保。第91頁DateAcqusitionHigh-throughput“omica”dataGlobalDatabasesAnalysisModulesNetworkRefinementHypothesisGenerationNetworkVisualization/Modeling網(wǎng)絡模型重復完善圖示第92頁仿真和分析仿真是對系統(tǒng)全部內容如基因和代謝網(wǎng)絡、染色體高水平結構、蛋白質之間相互作用等等變成數(shù)據(jù)流最終成為數(shù)學模型。參數(shù)優(yōu)化方法需要考慮全局/局部最小值，找到全局優(yōu)化設計。基于現(xiàn)有算法改進方法。第93頁第94頁最終目:經過這些詳細研究能夠使研究者按照特定設計原理進行模擬構建含有他們所需要特征生物系統(tǒng)第95頁系統(tǒng)生物學應用第96頁系統(tǒng)生物學應用

醫(yī)藥領域能源領域工業(yè)生產畜牧農林業(yè)改進環(huán)境與生態(tài)第97頁研究復雜生命活動和復雜性疾病主要工具小視頻第98頁系統(tǒng)生物學在醫(yī)學研究中應用

大部分疾病如癌癥、心血管疾病等復雜疾病發(fā)生發(fā)展不是由單一原因引發(fā)，而是受多原因影響；除了遺傳原因，還受環(huán)境原因影響，是多個遺傳原因和多個環(huán)境原因相互作用結果。所以，在本質上，很多疾病都是“系統(tǒng)”病，其預防、診療和治療都需要以“系統(tǒng)”觀點和方法來研究。高通量生物醫(yī)學技術迅猛發(fā)展為系統(tǒng)生物學興起奠定了數(shù)據(jù)基礎，復雜網(wǎng)絡理論以及信息學理論發(fā)展亦為系統(tǒng)生物學發(fā)展提供了堅實方法學基礎。系統(tǒng)生物學在醫(yī)學研究中得到了廣泛應用，在當代醫(yī)學各個方面發(fā)揮著越來越主要作用。中醫(yī)藥作為我國傳統(tǒng)醫(yī)學主要部分，在研究中因為其成份復雜，靶點不確定，在體內作用復雜等原因一直不能充分發(fā)掘和利用，系統(tǒng)生物學或成為解讀中醫(yī)藥復雜理論體系一個可能。第99頁系統(tǒng)生物學在醫(yī)學研究中應用

復雜疾病了解疾病基因預測疾病相關子網(wǎng)絡確定疾病生物標志物確定網(wǎng)絡藥理學中醫(yī)藥研究第100頁對復雜疾病了解

癌癥等復雜疾病本身屬于基因網(wǎng)絡病，單或多分子角度不能很好了解這類疾病，在網(wǎng)絡水平卻能夠發(fā)覺之前不能發(fā)覺現(xiàn)象和規(guī)律。伴隨各類癌癥基因組測序項目開始實施，結果表明癌癥基因突變異質性非常高，即使對同一個癌癥，不一樣病人發(fā)生遺傳變異基因也有很大區(qū)分。癌癥基因組測序目標是發(fā)覺癌癥基因組共性，從而了解、預防、診療和治療癌癥。但結果并不符合人們期望。以后，從系統(tǒng)角度猜測，即使在基因層面上不一樣癌癥病人基因突變異質性較高，但在網(wǎng)絡層面這些突變基因可能有共性規(guī)律?；谶@一思想，有學者以細胞信號傳導網(wǎng)絡為模型研究了癌癥突變基因在該網(wǎng)絡上分布。結果確實在一定程度上證實了之前猜測，癌癥病人突變基因即使很不一樣，但在網(wǎng)絡水平上，這些突變基因含有非常強規(guī)律，有熱點突變網(wǎng)絡區(qū)域存在。小視頻第101頁對復雜疾病了解

復雜疾病不但和遺傳原因相關，而且還受到了極強環(huán)境原因影響。這些疾病發(fā)生發(fā)展和環(huán)境原因密不可分，因而，其預防、診療和治療亦如此，受遺傳原因和環(huán)境原因相互作用影響。

比如：研究者在一項研究中發(fā)覺家庭生活環(huán)境原因對于腫瘤生長含有顯著影響，并確定了和腫瘤生長相關環(huán)境原因和遺傳原因相互作用網(wǎng)絡。第102頁疾病基因預測

疾病基因確定一直是醫(yī)學研究中熱點問題。除了高通量技術外，比如GWAS,microarray等，生物信息學也在其中飾演了主要角色。這些預測方法基本思想都是經過新基因和位置基因某種相同度，比如序列相同度、表示譜相同度，及其它諸如經過疾病相同度、基因功效注釋相同度和文件挖掘等。

系統(tǒng)生物學思想和方法也被應用到疾病基因預測。其預測算法各種多樣，但基本思想是功效相同基因，其關聯(lián)疾病也相同。也就是基于現(xiàn)有基因和疾病關聯(lián)數(shù)據(jù)，或者其它數(shù)據(jù)，經過網(wǎng)絡信息，預測新基因和已知疾病關聯(lián)基因關系，從而預測新基因和疾病關系。對于非編碼RNA，比如miRNA，其思想和方法也大約如此。第103頁疾病相關子網(wǎng)絡確定

在一個大分子網(wǎng)絡中，確定出和疾病親密相關子網(wǎng)絡也是系統(tǒng)生物學在醫(yī)學研究中主要應用。這類研究或基于試驗確定有明確物理作用分子網(wǎng)絡，如蛋白相互作用網(wǎng)絡、細胞信號傳導網(wǎng)絡，或者基于經過高通量數(shù)據(jù)構建出網(wǎng)絡，如基因共表示網(wǎng)絡，文件挖掘基因網(wǎng)絡，包括科學問題也是種類繁多，諸如疾病發(fā)展階段、藥品反應、非編碼RNA網(wǎng)絡等第104頁疾病生物標志物確定

疾病生物標志物是能夠反應某種疾病相關狀態(tài)，而且是能夠測量來自檢測對象身體、組織、細胞或體液生物特征。生物標志物在疾病風險預測、疾病診療、病情監(jiān)測、療效判斷和預后評定起著主要作用。一個好生物標志物對于降低疾病發(fā)病風險、疾病早期診療以及疾病有效治療起著至關主要作用，所以篩選高敏感性和高特異性疾病生物標志物是當前醫(yī)學研究中最主要科學問題之一。

第105頁疾病生物標志物確定

傳統(tǒng)分子生物標志物是基于單分子或多分子，并沒有充分考慮分子之間相互作用，而分子之間相互作用實際上是在復雜疾病中起主要作用。各種分子之間相互作用都有可能和疾病相關，所以，各種水平分子相互作用都可能成為疾病網(wǎng)絡生物標志物，比如轉錄調控關系，蛋白質相互作用關系，基因共表示網(wǎng)絡，疾病相同網(wǎng)絡等。即使疾病網(wǎng)絡生物標志物研究正處于起步階段，不過考慮到復雜疾病網(wǎng)絡本質，網(wǎng)絡生物標志物篩選方法是新興含有潛力疾病生物標志物篩選方法。第106頁網(wǎng)絡藥理學

藥品對于疾病治療含有主要意義。將系統(tǒng)生物學或網(wǎng)絡生物學概念、方法和技術應用到藥品相關研究，就形成了系統(tǒng)藥理學或網(wǎng)絡藥理學這一新興研究方向，網(wǎng)絡藥理學正在成為藥品發(fā)覺未來主要工具。在藥品研發(fā)許多方面發(fā)揮了主要作用。

網(wǎng)絡藥理學在藥品靶點篩選、藥品新適應證預測（老藥新用）、挖掘藥品研發(fā)規(guī)律等方面取得了較多應用。

年一項研究經過對FDA同意藥品藥品-靶點網(wǎng)絡研究揭示了FDA同意藥品和靶點很多規(guī)律和性質，比如在網(wǎng)絡上，藥品靶點和疾病基因有距離越來越近趨勢，這可能是一個藥品理性設計，所帶來好處是可能有利于藥品更加好發(fā)揮作用。研究者在考查了藥品靶點和疾病基因網(wǎng)絡距離和藥品不良反應關系后發(fā)覺，網(wǎng)絡距離縮短并不總是帶來好處，在網(wǎng)絡距離過于小情況下，藥品不良反應程度顯著增加，這提醒我們，從不良反應角度講，在篩選藥品靶點時網(wǎng)絡距離過大和過小均引發(fā)較大不良反應。第107頁中醫(yī)藥研究

中醫(yī)藥理論是一個復雜系統(tǒng)，其最具特色就是：整體觀，動態(tài)觀，辨證觀，這些與系統(tǒng)生物學研究思緒一致，系統(tǒng)生物學與中醫(yī)藥復雜理論體系有很多相同之處，系統(tǒng)生物學研究促使研究人員從整體上，系統(tǒng)上和信息水平上說明中醫(yī)藥理論，建立中藥藥效評定，實現(xiàn)數(shù)據(jù)基礎之上中醫(yī)藥當代化，系統(tǒng)說明中醫(yī)藥理論。利用系統(tǒng)生物學方法可能解讀出中醫(yī)藥復雜理論體系科學內涵，當前系統(tǒng)生物學已應用于中醫(yī)藥各個領域研究。主要包含：中醫(yī)基礎理論研究和中藥研究等兩個大方向第108頁中醫(yī)藥研究—中醫(yī)基礎理論研究

中醫(yī)作為我國傳統(tǒng)醫(yī)學，一直以來都沒有完備科學理論來解釋它作用原理，這在一定程度上妨礙了中醫(yī)健康發(fā)展和應用，主要還是缺乏對應研究伎倆和方法，不過最近有一些研究人員開始利用系統(tǒng)生物學方法嘗試解讀中藥一些基礎理論，是基礎理論研究一個新嘗試。如：“肺與大腸相表里”理論是中醫(yī)臟腑表里學說主要組成部分之一，當代研究證實肺與大腸存在某種物質及功效聯(lián)絡，認為肺與大腸有共同發(fā)育學基礎，相互影響氣體排泄路徑，而且神經系統(tǒng)，免疫系統(tǒng)，神經-內分泌-免疫網(wǎng)絡系統(tǒng)均參加了肺腸相關物質基礎，但其生理及病理功效關系上尚存在含糊性，有研究者提出從系統(tǒng)生物學角度說明肺與大腸相表里代謝組學改變，希望能找出“肺與大腸表里”物質基礎和內涵。第109頁中醫(yī)藥研究—中藥研究

作用于單靶點高選擇性藥品在治療多基因疾病及影響多個組織或細胞疾病如腫瘤，糖尿病等常難到達預期效果或毒性很大，而那些多組分，多靶點，超出單一藥效藥品成為了新藥研發(fā)重點，中藥治病正是經過多路徑，多步驟，多靶點產生整合調整而發(fā)揮治療作用，但也同時因為這種特點，使得在研究其作用機理時比較困難。第110頁系統(tǒng)生物學研究展望第111頁系統(tǒng)生物學研究中問題1.數(shù)據(jù)質量及標準化2.生物網(wǎng)絡研究3.判定和定量不一樣類型分子4.縮小與自動微流學/納米技術平臺5.在單個細胞內進行動力空間多參數(shù)檢測第112頁系統(tǒng)生物學與合成生物學

系統(tǒng)生物學為合成生物學提供理論基礎合成生物學為系統(tǒng)生物學提供驗證伎倆“Syn