系統(tǒng)生物學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)概況省公共課一等獎(jiǎng)全國(guó)賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

系統(tǒng)生物學(xué)

SystemBiology第1頁(yè)漢字參考書(shū)《系統(tǒng)生物學(xué)理論、方法和應(yīng)用》[德]柯利普等著；賀福初等譯，復(fù)旦大學(xué)出版社，?！断到y(tǒng)生物學(xué)基礎(chǔ)》[日]北野宏明編；劉筆鋒，周艷紅等譯，化學(xué)工業(yè)出版社，?！断到y(tǒng)生物學(xué)：哲學(xué)基礎(chǔ)》[荷]布杰德等編著；孫之榮等譯，科學(xué)出版社，?！断到y(tǒng)生物學(xué)》，張自立，王振英編著，科學(xué)出版社，?！断到y(tǒng)生物學(xué)導(dǎo)論：生物回路設(shè)計(jì)原理》尤.阿隆著，王翼飛等譯，化學(xué)工業(yè)出版社，。第2頁(yè)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(yè)第一章系統(tǒng)生物學(xué)概況第4頁(yè)什么是系統(tǒng)生物學(xué)（systemsbiology）？第5頁(yè)人類認(rèn)識(shí)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(yè)生命是一個(gè)多層次、多功效復(fù)雜架構(gòu)體系。研究其運(yùn)動(dòng)改變規(guī)律科學(xué)稱之為生物科學(xué)或生命科學(xué)。長(zhǎng)久以來(lái)，科學(xué)家從群體、個(gè)體、細(xì)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(jìn)化等不一樣側(cè)面探索者生命運(yùn)動(dòng)規(guī)律。第7頁(yè)全部生命都來(lái)自共同祖先C.Darwin第8頁(yè)不一樣有機(jī)體遵照著統(tǒng)一規(guī)律第9頁(yè)DNA是實(shí)現(xiàn)生命繁衍基本大分子第10頁(yè)繁殖就是將DNA雙螺旋傳給后代第11頁(yè)不一樣結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)負(fù)責(zé)不一樣生命活動(dòng)酶運(yùn)動(dòng)蛋白血紅蛋白第12頁(yè)不一樣氨基酸序列蛋白質(zhì)含有不一樣空間結(jié)構(gòu)第13頁(yè)蛋白質(zhì)是由20種氨基酸連成生物大分子第14頁(yè)蛋白質(zhì)形成倚賴DNA上遺傳信息第15頁(yè)遺傳密碼（三個(gè)堿基）決定一個(gè)氨基酸第16頁(yè)基因就是含有遺傳密碼一段DNA序列起始位置結(jié)束位置基因第17頁(yè)基因1基因2蛋白質(zhì)1蛋白質(zhì)2一個(gè)基因決定一個(gè)蛋白質(zhì)第18頁(yè)轉(zhuǎn)錄：解讀基因語(yǔ)言第19頁(yè)翻譯：依據(jù)遺傳密碼決定蛋白質(zhì)氨基酸序列第20頁(yè)當(dāng)代生命科學(xué)“中心法則”DNA信息RNA解讀

蛋白質(zhì)產(chǎn)品生命活動(dòng)用途第21頁(yè)當(dāng)代生物學(xué)家眼中生命——還原論觀點(diǎn)個(gè)體水平細(xì)胞水平DNA分子水平蛋白質(zhì)

生命與非生命沒(méi)有本質(zhì)上不一樣，它們都遵照著統(tǒng)一物理化學(xué)規(guī)律。第22頁(yè)當(dāng)代生命科學(xué)特征

簡(jiǎn)單化

線性化

定性化

試驗(yàn)化第23頁(yè)小結(jié)一直以來(lái),人們?cè)诖T士物體系統(tǒng)時(shí),都是采取還原論（reductionism）方法,分別對(duì)系統(tǒng)單個(gè)組成元素進(jìn)行獨(dú)立分析研究。當(dāng)前為止,還原論研究已經(jīng)取得了大量成就,在細(xì)胞甚至在分子層次對(duì)生物體都有了很詳細(xì)了解,但對(duì)生物體整體行為卻極難給出系統(tǒng)、圓滿解釋。生物科學(xué)還停留在試驗(yàn)科學(xué)階段,沒(méi)有形成一套完善理論來(lái)描述生物體怎樣在整體上實(shí)現(xiàn)其功效行為。第24頁(yè)還原論及其不足奠基人：笛卡爾分析-重構(gòu)方法主導(dǎo)地位：分析、分解、還原4來(lái)，創(chuàng)造了一套可操作科學(xué)方法面臨巨大問(wèn)題：復(fù)雜系統(tǒng)，用認(rèn)識(shí)疊加方法，不宜發(fā)覺(jué)整體“涌現(xiàn)性”。從宇宙、生物圈、動(dòng)物界、植物界，到個(gè)體，器官、組織、細(xì)胞、細(xì)胞器、DNA、基因片段…DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)覺(jué)以及隨即基因突破已經(jīng)抵到達(dá)有機(jī)生命與無(wú)機(jī)物質(zhì)拐點(diǎn)，還原論在生命科學(xué)領(lǐng)域里所負(fù)擔(dān)使命大致已經(jīng)終止。第25頁(yè)傳統(tǒng)思緒：信號(hào)通路實(shí)際情況：信號(hào)網(wǎng)絡(luò)第26頁(yè)人類認(rèn)識(shí)世界兩種方法論Reductionism

HolismRENEDESCARTES(1595-1650)

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

(6千個(gè)基因)~3.3X109kb

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

~1.5%序列用于編碼基因第29頁(yè)人類基因組計(jì)劃HGP第30頁(yè)人類基因組計(jì)劃意義（1）催生了組學(xué)（Omics）研究基因組學(xué)（Genomics）功效基因組學(xué)(FunctionalGenomics)轉(zhuǎn)錄組學(xué)（Transcriptomics）

蛋白質(zhì)組學(xué)（Proteomics）

代謝組學(xué)（Metabolomics）……

第31頁(yè)人類基因組計(jì)劃意義（2）第32頁(yè)生物信息學(xué)計(jì)算生物學(xué)促進(jìn)了交叉學(xué)科發(fā)展人類基因組計(jì)劃意義（3）第33頁(yè)認(rèn)識(shí)論目標(biāo)大方法論視野大形成了生命科學(xué)“大科學(xué)”人類基因組計(jì)劃意義（4）第34頁(yè)高通量低成本測(cè)序技術(shù)：個(gè)性化醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)：1萬(wàn)美金測(cè)序費(fèi)/百萬(wàn)堿基：1美金測(cè)序費(fèi)/百萬(wàn)堿基個(gè)體化在近五年內(nèi)，將實(shí)現(xiàn)一個(gè)人全基因組測(cè)序費(fèi)用不超出1000美金；到，測(cè)序費(fèi)用還將大大降低。第35頁(yè)個(gè)體基因組計(jì)劃第36頁(yè)美國(guó)個(gè)體基因組計(jì)劃DiploidgenomesequencingPersonalgenomesequencing第37頁(yè)英國(guó)10K項(xiàng)目是,WellcomeTrust在三年內(nèi)支持1000萬(wàn)英鎊，測(cè)定10000個(gè)人基因組序列，意在找出與肥胖和精神分裂癥等疾病相關(guān)罕見(jiàn)基因變異。英國(guó)萬(wàn)人基因組計(jì)劃（UK10K）4000名英國(guó)人全基因組序列，其中二分之一是針對(duì)英國(guó)雙胞胎來(lái)進(jìn)行，另二分之一則是針對(duì)父母與兒女來(lái)開(kāi)展。

6000個(gè)人則只是測(cè)定其外顯子序列。參加外顯子測(cè)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(jīng)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(yè)GenerateantigenGeneratespecificantibodiesabcdInvitroproteinprofiling

Invivoproteinprofiling

IsolationofproteincomplexesProteinchipIsolationofnativeprotein?Structure?Modification?BiochemistryTheHumanProteomeResource(HPR)program利用抗體系統(tǒng)地檢測(cè)人類蛋白質(zhì)組Prof.MathiasUhlenRoyalInstituteofTechnologySweden第39頁(yè)生命進(jìn)化與轉(zhuǎn)錄組第40頁(yè)非編碼RNA:復(fù)雜性源泉第41頁(yè)后基因組時(shí)代第42頁(yè)酵母基因功效網(wǎng)絡(luò)后基因組時(shí)代生命觀：復(fù)雜系統(tǒng)第43頁(yè)后基因組時(shí)代生命觀：復(fù)雜系統(tǒng)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)第44頁(yè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后基因組時(shí)代生命觀：復(fù)雜系統(tǒng)第45頁(yè)人類基因組終生在改變美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究了個(gè)體基因組內(nèi)DNA甲基化改變。DNA樣原來(lái)自冰島大約600個(gè)人，分別于1991年和至年間采得。研究人員測(cè)量了111個(gè)樣本中每個(gè)樣本DNA甲基化總量，并比較了同一個(gè)人采自至年間和1991年DNA甲基化總量。

結(jié)果發(fā)覺(jué)，在這大約時(shí)間跨度中，大約三分之一個(gè)體甲基化量發(fā)生了改變。不過(guò)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(yè)傳統(tǒng)生物科學(xué)（中國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)）輸入輸出經(jīng)典生物試驗(yàn)科學(xué)輸入輸出A(基因/蛋白質(zhì))B(基因/蛋白質(zhì))系統(tǒng)生物學(xué)輸入輸出系統(tǒng)生物學(xué)是認(rèn)識(shí)生命復(fù)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(yè)系統(tǒng)生物學(xué)是二十一世紀(jì)生命科學(xué)革命代表科學(xué)革命科學(xué)革命常規(guī)科學(xué)常規(guī)科學(xué)科學(xué)家對(duì)自然界認(rèn)識(shí)程度中心法則發(fā)覺(jué)分子生物學(xué)誕生系統(tǒng)生物學(xué)誕生人類基因組計(jì)劃19501990時(shí)間第48頁(yè)49第49頁(yè)經(jīng)典生命科學(xué)

簡(jiǎn)單化線性化定性化試驗(yàn)化系統(tǒng)生物學(xué)

復(fù)雜化網(wǎng)絡(luò)化定量化理論化經(jīng)典生命科學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)之比較第50頁(yè)物理學(xué)物理現(xiàn)象觀察數(shù)學(xué)描述F=maE=MC2物理學(xué)描述經(jīng)驗(yàn)階段理性階段生命科學(xué)生命現(xiàn)象觀察數(shù)學(xué)描述？生物學(xué)描述經(jīng)驗(yàn)階段理性階段第51頁(yè)系統(tǒng)生物學(xué)(SystemsBiology)

定義：系統(tǒng)生物學(xué)是系統(tǒng)性地研究一個(gè)生物系統(tǒng)中全部組成成份（基因、mRNA、蛋白質(zhì)等）組成以及在特定條件下這些組分間相互關(guān)系，并分析生物系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。第52頁(yè)

系統(tǒng)思想（相互作用著整體）

中國(guó)古代哲學(xué)辯證唯物主義：物質(zhì)世界是由無(wú)數(shù)相互聯(lián)絡(luò)、相互依賴、相互制約、相互作用事物和過(guò)程所形成統(tǒng)一整體---馬克思、恩格斯第53頁(yè)系統(tǒng)生物學(xué)從系統(tǒng)水平來(lái)了解生物學(xué)系統(tǒng)，利用一系列原理與方法學(xué)來(lái)研究分子行為與系統(tǒng)特征與功效關(guān)系，經(jīng)過(guò)各種組學(xué)聯(lián)合以及計(jì)算生物學(xué)來(lái)定量說(shuō)明和預(yù)測(cè)生物功效、表型和行為。

Systemsbiologyisadisciplinetostudythespatial-temporalinteractionsofcomponentsindifferentlevelsofbiologicalsystems,seekingtofindthelawsintheorganizationprinciples,dynamicbehaviorsandemergentpropertiesofsuchbiologicalsystems.第54頁(yè)系統(tǒng)生物學(xué)分類組學(xué)OMICS基因組學(xué)轉(zhuǎn)錄組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)糖組學(xué)脂質(zhì)組學(xué)代謝組學(xué)表觀遺傳組學(xué)宏基因組學(xué)計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)第55頁(yè)近幾十年來(lái)發(fā)展最為快速生物科學(xué)二十一世紀(jì)生物學(xué)分子水平，系統(tǒng)生物學(xué)基礎(chǔ)整合性大科學(xué)分子生物學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)

系統(tǒng)生物學(xué)與分子生物學(xué)56第56頁(yè)

分子生物學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)還原主義將生物學(xué)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(duì)象是生物系統(tǒng)組成部分（個(gè)別基因、個(gè)別蛋白質(zhì)）研究對(duì)象是組成部分相互作用或部分之間關(guān)系——本質(zhì)上就是信息57第57頁(yè)

分子生物學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)側(cè)重從試驗(yàn)中獲取數(shù)據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)挖掘（datamining）試驗(yàn)深層次結(jié)果往往被忽略取得深層次結(jié)果，理論創(chuàng)新58第58頁(yè)傳統(tǒng)分子生物學(xué)各種“組學(xué)”系統(tǒng)生物學(xué)少多多對(duì)多(Interactions)組織原理動(dòng)態(tài)行為涌現(xiàn)屬性研究范式轉(zhuǎn)變59第59頁(yè)“系統(tǒng)論是還原論和整體論辯證統(tǒng)一”-----錢學(xué)森對(duì)還原論超越Nature,Volume7,November/background/images/elephant.gif第60頁(yè)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(xué)方法進(jìn)行研究20世紀(jì)60年代生物化學(xué)系統(tǒng)理論（BST）

20世紀(jì)70年代謝控制理論（MCT）二十一世紀(jì)系統(tǒng)生物學(xué)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(xué)、基因組測(cè)序以及高通量測(cè)量技術(shù)進(jìn)展，使生物信息系統(tǒng)（BIS）建立成為可能人類基因組計(jì)劃和各種組學(xué)技術(shù)把生物學(xué)帶入系統(tǒng)科學(xué)時(shí)代第61頁(yè)第62頁(yè)第63頁(yè)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(chǎn)物之間相互關(guān)聯(lián)和作用

Towards

multidimensional

genomeannotation

Nature

Reviews

Genetics

7,

130-141

()

Bernhard

O.

Palsson3D

(4D)

Genome:

時(shí)空中發(fā)生生物分子動(dòng)態(tài)行為第64頁(yè)系統(tǒng)生物學(xué)研究方法第65頁(yè)系統(tǒng)生物學(xué)基本工作流程選擇可控生物系統(tǒng)定性和定量測(cè)量計(jì)算和數(shù)學(xué)建模第66頁(yè)

是生物學(xué)是大數(shù)據(jù)整合是建模仿真是系統(tǒng)科學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)是什么第67頁(yè)系統(tǒng)生物學(xué)四個(gè)研究層次UnderstandingofsystemstructureUnderstandingbehaviorsofthesystemUnderstandinghowtocontrolthesystemUnderstandinghowtodesignthesystem--byHiroakiKitano68第68頁(yè)1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)識(shí)別和研究（SystemStructure）這包含基因相互作用網(wǎng)絡(luò)、生化代謝路徑以及這些相互作用以何種機(jī)制調(diào)節(jié)生物系統(tǒng)研究等內(nèi)容。第69頁(yè)2.系統(tǒng)動(dòng)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(shí)間不一樣條件行為，要對(duì)生物系統(tǒng)進(jìn)行代謝分析，敏感性分析，動(dòng)態(tài)分析等等從而發(fā)覺(jué)生物系統(tǒng)特定行為機(jī)理機(jī)制。第70頁(yè)3.系統(tǒng)控制方法（TheControlMethod）系統(tǒng)能夠控制一個(gè)細(xì)胞狀態(tài)使得細(xì)胞功能受損最小，經(jīng)過(guò)研究可認(rèn)為疾病治療提供潛在藥品靶標(biāo)。第71頁(yè)4.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法（TheDesignMethod）將生物系統(tǒng)利用仿真、模擬等方法設(shè)計(jì)，最終到達(dá)建立數(shù)據(jù)系統(tǒng)模型目標(biāo)。第72頁(yè)73第73頁(yè)

第一步：對(duì)選定某一生物系統(tǒng)全部組分進(jìn)行了解和確定，描繪出該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包含基因相互作用網(wǎng)絡(luò)和代謝路徑，以及細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間作用機(jī)理，以此結(jié)構(gòu)出一個(gè)初步系統(tǒng)模型。第二步：系統(tǒng)地改變被研究對(duì)象內(nèi)部組成成份（如基因突變）或外部生長(zhǎng)條件，然后觀察在這些情況下系統(tǒng)組分或結(jié)構(gòu)所發(fā)生對(duì)應(yīng)改變，包含基因表示、蛋白質(zhì)表示和相互作用、代謝路徑等改變，并把得到相關(guān)信息進(jìn)行整合。第三步：把經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得到數(shù)據(jù)與依據(jù)模型預(yù)測(cè)情況進(jìn)行比較，并對(duì)初始模型進(jìn)行修訂。第四步：是依據(jù)修正后模型預(yù)測(cè)或假設(shè)，設(shè)定和實(shí)施新改變系統(tǒng)狀態(tài)試驗(yàn)，重復(fù)第二步和第三步，不停地經(jīng)過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行修訂和精練。系統(tǒng)生物學(xué)目標(biāo)就是要得到一個(gè)理想模型，使其理論預(yù)測(cè)能夠反應(yīng)出生物系統(tǒng)真實(shí)性。系統(tǒng)生物學(xué)研究四個(gè)步驟第74頁(yè)整合－系統(tǒng)生物學(xué)關(guān)鍵

系統(tǒng)內(nèi)不一樣性質(zhì)組成要素（基因、mRNA、蛋白質(zhì)、生物小分子等）整合。從基因到細(xì)胞、到組織、到個(gè)體各個(gè)層次整合。研究思緒和方法整合。需要生命科學(xué)、信息科學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等各種學(xué)科共同參加，真正實(shí)現(xiàn)這種整合還有很長(zhǎng)路要走。75第75頁(yè)經(jīng)典分子生物學(xué)研究——垂直型研究。基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和其它各種“組學(xué)”——水平型研究。系統(tǒng)生物學(xué)特點(diǎn)——把水平型研究和垂直型研究整合起來(lái)，成為一個(gè)“三維”研究。ProteinGenesGenesProteinsTranscriptions●●●OMICsSystemBiologyGenesProteinGenomicsProteomics●●●第76頁(yè)GenomeTranscriptomeProteomeCitricacidcycleMetabolome系統(tǒng)生物學(xué)特征：各種生物分子整合第77頁(yè)系統(tǒng)生物學(xué)特征：各種層次整合第78頁(yè)系統(tǒng)生物學(xué)1，2，3，n

組學(xué)（發(fā)覺(jué)科學(xué)）基因（蛋白質(zhì)）基因克隆

基因表示

基因突變

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)相互作用

酶活力

試驗(yàn)生物科學(xué)（假設(shè)驅(qū)動(dòng)科學(xué)）系統(tǒng)生物學(xué)特征：小科學(xué)與大科學(xué)整合第79頁(yè)系統(tǒng)生物學(xué)特征：試驗(yàn)科學(xué)與理論科學(xué)整合MolecularBiologyCellBiologyGenomicsProteomicsMetabolomicsWetLaboratoryComputingInformaticsModelingMathematicsDryLaboratory系統(tǒng)生物學(xué)第80頁(yè)生命科學(xué)信息科學(xué)系統(tǒng)科學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)三大學(xué)科基礎(chǔ)第81頁(yè)生物學(xué)物理學(xué)化學(xué)工程學(xué)數(shù)學(xué)計(jì)算科學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)學(xué)科交叉特征系統(tǒng)生物學(xué)，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(diào)控路徑等融合起來(lái)，用以說(shuō)明生物整體，高通量組學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)組成了系統(tǒng)生物學(xué)大科學(xué)工程.第82頁(yè)試驗(yàn)技術(shù)（WetPart）信息技術(shù)（DryPart）兩大技術(shù)支撐第83頁(yè)試驗(yàn)技術(shù)

基本技術(shù)離心與層析酶切與電泳

PCR技術(shù)雜交和印跡技術(shù)高通量技術(shù)新DNA測(cè)序技術(shù)克隆載體與DNA文庫(kù)

DNA和蛋白質(zhì)芯片酵母雙雜交質(zhì)譜技術(shù)

ChIP-chip和ChIP-PET技術(shù)轉(zhuǎn)基因生物、RNA干擾各種顯微示蹤技術(shù)等/第84頁(yè)計(jì)算技術(shù)

程序設(shè)計(jì)技術(shù)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言面向過(guò)程與面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)慣用編程工具數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)數(shù)據(jù)管理方式演變關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)與SQL語(yǔ)言數(shù)據(jù)集成與交換網(wǎng)絡(luò)技術(shù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概述服務(wù)器-客戶端結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)LAMP體系平行計(jì)算技術(shù)并行計(jì)算與串行計(jì)算比較微機(jī)集群架構(gòu)與應(yīng)用并行計(jì)算新趨勢(shì)：基于多核CPU與GPGPU程序設(shè)計(jì)計(jì)算含有試驗(yàn)和理論雙重屬性：---相對(duì)于試驗(yàn)，它是理論；---相對(duì)于理論，它是試驗(yàn)。第85頁(yè)

慣用數(shù)據(jù)庫(kù)序列和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)基因表示數(shù)據(jù)庫(kù)蛋白相互作用數(shù)據(jù)庫(kù)代謝路徑數(shù)據(jù)庫(kù)動(dòng)力學(xué)和模型數(shù)據(jù)庫(kù)慣用算法和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)序列和結(jié)構(gòu)比對(duì)算法進(jìn)化樹(shù)構(gòu)建方法網(wǎng)絡(luò)建模、比對(duì)和分析方法

慣用建模工具通用建模工具M(jìn)atLab,Maple,MathematicaDizzy仿真工具

SBW平臺(tái)網(wǎng)上建模環(huán)境（PyBioS）建模程序包（PySCeS）生物信息資源第86頁(yè)包括生物學(xué)知識(shí)

生命起源與進(jìn)化生命起源學(xué)說(shuō)生命化學(xué)進(jìn)化生命生物進(jìn)化細(xì)胞結(jié)構(gòu)與物質(zhì)代謝細(xì)胞組成生物分子合成與分解生物分子中化學(xué)鍵和主要作用力分子生物學(xué)中心法則基因表示信息流向基因表示調(diào)控表示后蛋白修飾細(xì)胞周期與胚胎發(fā)育細(xì)胞分裂過(guò)程胚胎發(fā)育過(guò)程第87頁(yè)系統(tǒng)生物學(xué)與生物信息學(xué)Bioinformatics

is

the

application

of

statisticsand

computer

science

to

the

field

of

molecularbiology.

（from

Wiki）As

Science:

從信息角度，認(rèn)識(shí)生命活動(dòng)中規(guī)律。As

Technology:

信息技術(shù)(IT)在生命科學(xué)（尤其是）分子生物學(xué)中應(yīng)用。88第88頁(yè)系統(tǒng)生物學(xué)基礎(chǔ)——信息

生物學(xué)是一門信息科學(xué)：生物學(xué)研究關(guān)鍵——基因組是數(shù)字化；生命數(shù)字化關(guān)鍵表現(xiàn)為兩大類型信息，第一類信息是指編碼蛋白質(zhì)基因，第二類信息是指控制基因行為調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；生物信息是有等級(jí)次序，而且沿著不一樣層次流動(dòng)。第89頁(yè)系統(tǒng)生物學(xué)鑰匙——干涉系統(tǒng)生物學(xué)一方面要了解生物系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，其次要揭示系統(tǒng)行為方式。相比之下，后一個(gè)任務(wù)更為重要。系統(tǒng)生物學(xué)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(shí)間里具有什么樣動(dòng)力學(xué)特征。所研究并非一種靜態(tài)結(jié)構(gòu)，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(shí)間里具有什么樣動(dòng)力學(xué)特征。人為設(shè)定某些條件作用于被實(shí)驗(yàn)對(duì)象，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)浚谙到y(tǒng)生物學(xué)中稱之為干涉（perturbation）。第90頁(yè)系統(tǒng)生物學(xué)中干涉特點(diǎn)

首先，這些干涉應(yīng)該是有系統(tǒng)性，如酵母果糖代謝9個(gè)基因逐一進(jìn)行突變，研究在每一個(gè)基因突變下系統(tǒng)改變。其次，系統(tǒng)生物學(xué)需要高通量干涉能力，如高通量遺傳變異。系統(tǒng)生物學(xué)既需要“發(fā)覺(jué)科學(xué)”，也需要“假設(shè)驅(qū)動(dòng)科學(xué)”。先選擇一個(gè)條件（干涉），然后利用“發(fā)覺(jué)科學(xué)”方法，對(duì)系統(tǒng)在該條件下全部元素進(jìn)行測(cè)定和分析；在此基礎(chǔ)上做出新假設(shè)，然后再利用“發(fā)覺(jué)科學(xué)”研究伎倆進(jìn)行新研究。這兩種不一樣研究策略和方法互動(dòng)和整合，是系統(tǒng)生物學(xué)成功確保。第91頁(yè)DateAcqusitionHigh-throughput“omica”dataGlobalDatabasesAnalysisModulesNetworkRefinementHypothesisGenerationNetworkVisualization/Modeling網(wǎng)絡(luò)模型重復(fù)完善圖示第92頁(yè)仿真和分析仿真是對(duì)系統(tǒng)全部?jī)?nèi)容如基因和代謝網(wǎng)絡(luò)、染色體高水平結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)之間相互作用等等變成數(shù)據(jù)流最終成為數(shù)學(xué)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(shè)計(jì)。基于現(xiàn)有算法改進(jìn)方法。第93頁(yè)第94頁(yè)最終目:經(jīng)過(guò)這些詳細(xì)研究能夠使研究者按照特定設(shè)計(jì)原理進(jìn)行模擬構(gòu)建含有他們所需要特征生物系統(tǒng)第95頁(yè)系統(tǒng)生物學(xué)應(yīng)用第96頁(yè)系統(tǒng)生物學(xué)應(yīng)用

醫(yī)藥領(lǐng)域能源領(lǐng)域工業(yè)生產(chǎn)畜牧農(nóng)林業(yè)改進(jìn)環(huán)境與生態(tài)第97頁(yè)研究復(fù)雜生命活動(dòng)和復(fù)雜性疾病主要工具小視頻第98頁(yè)系統(tǒng)生物學(xué)在醫(yī)學(xué)研究中應(yīng)用

大部分疾病如癌癥、心血管疾病等復(fù)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(gè)遺傳原因和多個(gè)環(huán)境原因相互作用結(jié)果。所以，在本質(zhì)上，很多疾病都是“系統(tǒng)”病，其預(yù)防、診療和治療都需要以“系統(tǒng)”觀點(diǎn)和方法來(lái)研究。高通量生物醫(yī)學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展為系統(tǒng)生物學(xué)興起奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論以及信息學(xué)理論發(fā)展亦為系統(tǒng)生物學(xué)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)方法學(xué)基礎(chǔ)。系統(tǒng)生物學(xué)在醫(yī)學(xué)研究中得到了廣泛應(yīng)用，在當(dāng)代醫(yī)學(xué)各個(gè)方面發(fā)揮著越來(lái)越主要作用。中醫(yī)藥作為我國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)主要部分，在研究中因?yàn)槠涑煞輳?fù)雜，靶點(diǎn)不確定，在體內(nèi)作用復(fù)雜等原因一直不能充分發(fā)掘和利用，系統(tǒng)生物學(xué)或成為解讀中醫(yī)藥復(fù)雜理論體系一個(gè)可能。第99頁(yè)系統(tǒng)生物學(xué)在醫(yī)學(xué)研究中應(yīng)用

復(fù)雜疾病了解疾病基因預(yù)測(cè)疾病相關(guān)子網(wǎng)絡(luò)確定疾病生物標(biāo)志物確定網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)中醫(yī)藥研究第100頁(yè)對(duì)復(fù)雜疾病了解

癌癥等復(fù)雜疾病本身屬于基因網(wǎng)絡(luò)病，單或多分子角度不能很好了解這類疾病，在網(wǎng)絡(luò)水平卻能夠發(fā)覺(jué)之前不能發(fā)覺(jué)現(xiàn)象和規(guī)律。伴隨各類癌癥基因組測(cè)序項(xiàng)目開(kāi)始實(shí)施，結(jié)果表明癌癥基因突變異質(zhì)性非常高，即使對(duì)同一個(gè)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(cè)序目標(biāo)是發(fā)覺(jué)癌癥基因組共性，從而了解、預(yù)防、診療和治療癌癥。但結(jié)果并不符合人們期望。以后，從系統(tǒng)角度猜測(cè)，即使在基因?qū)用嫔喜灰粯影┌Y病人基因突變異質(zhì)性較高，但在網(wǎng)絡(luò)層面這些突變基因可能有共性規(guī)律。基于這一思想，有學(xué)者以細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)為模型研究了癌癥突變基因在該網(wǎng)絡(luò)上分布。結(jié)果確實(shí)在一定程度上證實(shí)了之前猜測(cè)，癌癥病人突變基因即使很不一樣，但在網(wǎng)絡(luò)水平上，這些突變基因含有非常強(qiáng)規(guī)律，有熱點(diǎn)突變網(wǎng)絡(luò)區(qū)域存在。小視頻第101頁(yè)對(duì)復(fù)雜疾病了解

復(fù)雜疾病不但和遺傳原因相關(guān)，而且還受到了極強(qiáng)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(yù)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(xiàng)研究中發(fā)覺(jué)家庭生活環(huán)境原因?qū)τ谀[瘤生長(zhǎng)含有顯著影響，并確定了和腫瘤生長(zhǎng)相關(guān)環(huán)境原因和遺傳原因相互作用網(wǎng)絡(luò)。第102頁(yè)疾病基因預(yù)測(cè)

疾病基因確定一直是醫(yī)學(xué)研究中熱點(diǎn)問(wèn)題。除了高通量技術(shù)外，比如GWAS,microarray等，生物信息學(xué)也在其中飾演了主要角色。這些預(yù)測(cè)方法基本思想都是經(jīng)過(guò)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(jīng)過(guò)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(xué)思想和方法也被應(yīng)用到疾病基因預(yù)測(cè)。其預(yù)測(cè)算法各種多樣，但基本思想是功效相同基因，其關(guān)聯(lián)疾病也相同。也就是基于現(xiàn)有基因和疾病關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，或者其它數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)信息，預(yù)測(cè)新基因和已知疾病關(guān)聯(lián)基因關(guān)系，從而預(yù)測(cè)新基因和疾病關(guān)系。對(duì)于非編碼RNA，比如miRNA，其思想和方法也大約如此。第103頁(yè)疾病相關(guān)子網(wǎng)絡(luò)確定

在一個(gè)大分子網(wǎng)絡(luò)中，確定出和疾病親密相關(guān)子網(wǎng)絡(luò)也是系統(tǒng)生物學(xué)在醫(yī)學(xué)研究中主要應(yīng)用。這類研究或基于試驗(yàn)確定有明確物理作用分子網(wǎng)絡(luò)，如蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，或者基于經(jīng)過(guò)高通量數(shù)據(jù)構(gòu)建出網(wǎng)絡(luò)，如基因共表示網(wǎng)絡(luò)，文件挖掘基因網(wǎng)絡(luò)，包括科學(xué)問(wèn)題也是種類繁多，諸如疾病發(fā)展階段、藥品反應(yīng)、非編碼RNA網(wǎng)絡(luò)等第104頁(yè)疾病生物標(biāo)志物確定

疾病生物標(biāo)志物是能夠反應(yīng)某種疾病相關(guān)狀態(tài)，而且是能夠測(cè)量來(lái)自檢測(cè)對(duì)象身體、組織、細(xì)胞或體液生物特征。生物標(biāo)志物在疾病風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、疾病診療、病情監(jiān)測(cè)、療效判斷和預(yù)后評(píng)定起著主要作用。一個(gè)好生物標(biāo)志物對(duì)于降低疾病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)、疾病早期診療以及疾病有效治療起著至關(guān)主要作用，所以篩選高敏感性和高特異性疾病生物標(biāo)志物是當(dāng)前醫(yī)學(xué)研究中最主要科學(xué)問(wèn)題之一。

第105頁(yè)疾病生物標(biāo)志物確定

傳統(tǒng)分子生物標(biāo)志物是基于單分子或多分子，并沒(méi)有充分考慮分子之間相互作用，而分子之間相互作用實(shí)際上是在復(fù)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(guān)，所以，各種水平分子相互作用都可能成為疾病網(wǎng)絡(luò)生物標(biāo)志物，比如轉(zhuǎn)錄調(diào)控關(guān)系，蛋白質(zhì)相互作用關(guān)系，基因共表示網(wǎng)絡(luò)，疾病相同網(wǎng)絡(luò)等。即使疾病網(wǎng)絡(luò)生物標(biāo)志物研究正處于起步階段，不過(guò)考慮到復(fù)雜疾病網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)生物標(biāo)志物篩選方法是新興含有潛力疾病生物標(biāo)志物篩選方法。第106頁(yè)網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)

藥品對(duì)于疾病治療含有主要意義。將系統(tǒng)生物學(xué)或網(wǎng)絡(luò)生物學(xué)概念、方法和技術(shù)應(yīng)用到藥品相關(guān)研究，就形成了系統(tǒng)藥理學(xué)或網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)這一新興研究方向，網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)正在成為藥品發(fā)覺(jué)未來(lái)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(luò)藥理學(xué)在藥品靶點(diǎn)篩選、藥品新適應(yīng)證預(yù)測(cè)（老藥新用）、挖掘藥品研發(fā)規(guī)律等方面取得了較多應(yīng)用。

年一項(xiàng)研究經(jīng)過(guò)對(duì)FDA同意藥品藥品-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)研究揭示了FDA同意藥品和靶點(diǎn)很多規(guī)律和性質(zhì)，比如在網(wǎng)絡(luò)上，藥品靶點(diǎn)和疾病基因有距離越來(lái)越近趨勢(shì)，這可能是一個(gè)藥品理性設(shè)計(jì)，所帶來(lái)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(diǎn)和疾病基因網(wǎng)絡(luò)距離和藥品不良反應(yīng)關(guān)系后發(fā)覺(jué)，網(wǎng)絡(luò)距離縮短并不總是帶來(lái)好處，在網(wǎng)絡(luò)距離過(guò)于小情況下，藥品不良反應(yīng)程度顯著增加，這提醒我們，從不良反應(yīng)角度講，在篩選藥品靶點(diǎn)時(shí)網(wǎng)絡(luò)距離過(guò)大和過(guò)小均引發(fā)較大不良反應(yīng)。第107頁(yè)中醫(yī)藥研究

中醫(yī)藥理論是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，其最具特色就是：整體觀，動(dòng)態(tài)觀，辨證觀，這些與系統(tǒng)生物學(xué)研究思緒一致，系統(tǒng)生物學(xué)與中醫(yī)藥復(fù)雜理論體系有很多相同之處，系統(tǒng)生物學(xué)研究促使研究人員從整體上，系統(tǒng)上和信息水平上說(shuō)明中醫(yī)藥理論，建立中藥藥效評(píng)定，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上中醫(yī)藥當(dāng)代化，系統(tǒng)說(shuō)明中醫(yī)藥理論。利用系統(tǒng)生物學(xué)方法可能解讀出中醫(yī)藥復(fù)雜理論體系科學(xué)內(nèi)涵，當(dāng)前系統(tǒng)生物學(xué)已應(yīng)用于中醫(yī)藥各個(gè)領(lǐng)域研究。主要包含：中醫(yī)基礎(chǔ)理論研究和中藥研究等兩個(gè)大方向第108頁(yè)中醫(yī)藥研究—中醫(yī)基礎(chǔ)理論研究

中醫(yī)作為我國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)，一直以來(lái)都沒(méi)有完備科學(xué)理論來(lái)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(yīng)用，主要還是缺乏對(duì)應(yīng)研究伎倆和方法，不過(guò)最近有一些研究人員開(kāi)始利用系統(tǒng)生物學(xué)方法嘗試解讀中藥一些基礎(chǔ)理論，是基礎(chǔ)理論研究一個(gè)新嘗試。如：“肺與大腸相表里”理論是中醫(yī)臟腑表里學(xué)說(shuō)主要組成部分之一，當(dāng)代研究證實(shí)肺與大腸存在某種物質(zhì)及功效聯(lián)絡(luò)，認(rèn)為肺與大腸有共同發(fā)育學(xué)基礎(chǔ)，相互影響氣體排泄路徑，而且神經(jīng)系統(tǒng)，免疫系統(tǒng)，神經(jīng)-內(nèi)分泌-免疫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)均參加了肺腸相關(guān)物質(zhì)基礎(chǔ)，但其生理及病理功效關(guān)系上尚存在含糊性，有研究者提出從系統(tǒng)生物學(xué)角度說(shuō)明肺與大腸相表里代謝組學(xué)改變，希望能找出“肺與大腸表里”物質(zhì)基礎(chǔ)和內(nèi)涵。第109頁(yè)中醫(yī)藥研究—中藥研究

作用于單靶點(diǎn)高選擇性藥品在治療多基因疾病及影響多個(gè)組織或細(xì)胞疾病如腫瘤，糖尿病等常難到達(dá)預(yù)期效果或毒性很大，而那些多組分，多靶點(diǎn)，超出單一藥效藥品成為了新藥研發(fā)重點(diǎn)，中藥治病正是經(jīng)過(guò)多路徑，多步驟，多靶點(diǎn)產(chǎn)生整合調(diào)整而發(fā)揮治療作用，但也同時(shí)因?yàn)檫@種特點(diǎn)，使得在研究其作用機(jī)理時(shí)比較困難。第110頁(yè)系統(tǒng)生物學(xué)研究展望第111頁(yè)系統(tǒng)生物學(xué)研究中問(wèn)題1.數(shù)據(jù)質(zhì)量及標(biāo)準(zhǔn)化2.生物網(wǎng)絡(luò)研究3.判定和定量不一樣類型分子4.縮小與自動(dòng)微流學(xué)/納米技術(shù)平臺(tái)5.在單個(gè)細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行動(dòng)力空間多參數(shù)檢測(cè)第112頁(yè)系統(tǒng)生物學(xué)與合成生物學(xué)

系統(tǒng)生物學(xué)為合成生物學(xué)提供理論基礎(chǔ)合成生物學(xué)為系統(tǒng)生物學(xué)提供驗(yàn)證伎倆“Syn