衡陽-稿-系統(tǒng)生物學(xué)在中醫(yī)證候本質(zhì)研究中應(yīng)用

基于系統(tǒng)生物學(xué)的中醫(yī)證候

本質(zhì)研究從一篇博文談起如何成為頂級的生物信息學(xué)家？看你的研究。所以Shirley將生物信息學(xué)研究（注意，不是生物信息學(xué)者本人）的水平劃分成五個層次。0級(Level0)：為建模、而建模（modelingformodeling’ssake）。簡稱：渣級。

有人問曰：現(xiàn)在數(shù)據(jù)這么多，能建模的東西一大把，那我們該干點(diǎn)啥呢？

Shirley就問：你想解決啥問題？

答：建模的問題。原文解釋，這個回答是OK的，如果科學(xué)家僅僅將自己當(dāng)成數(shù)學(xué)家、統(tǒng)計學(xué)家、計算機(jī)科學(xué)家、物理學(xué)家，或者像我這樣用嘴巴研究水稻的吃貨，因?yàn)樵谶@些學(xué)者各自的領(lǐng)域里，確實(shí)有許多好的理論建模問題。但如果這些學(xué)者是認(rèn)真對待生物信息學(xué)的研究，這個回答不OK。許多0級生物信息學(xué)家們從來不讀或者不發(fā)表生物學(xué)期刊上的論文，也不參加生物學(xué)的會議，因此這個級別屬于“未入門級”。根據(jù)人以類聚，物以群分的原則，0級生物信息學(xué)家們通常只閱讀自己或者其他0級生物信息學(xué)家的論文，并且，并且引用也是自引或者被同級別的學(xué)者引用。因此這類研究就是浪費(fèi)資源。1級（Level1）：給數(shù)據(jù)、能分析。簡稱：菜鳥級。

這類研究一般是分析自己或者合作者實(shí)驗(yàn)室里未發(fā)表的數(shù)據(jù)，并試圖獲得新的生物學(xué)發(fā)現(xiàn)。

評價1級科研的功底和水平要看數(shù)據(jù)有多復(fù)雜,是否需要生信人員寫一些程序和算法（而不是只用他人的工具），生信分析在整個研究中的有重要性(最重要的假設(shè)發(fā)現(xiàn)是不是由生物信息分析出來的，文章中生信圖表的個數(shù))，實(shí)驗(yàn)與計算的結(jié)合程度（實(shí)驗(yàn)與計算環(huán)環(huán)相扣，而不是高通量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得完跟個生信分析就拉倒），以及研究中生物學(xué)的發(fā)現(xiàn)是不是真的有意思，等等。

原文解釋：1級雖然是“入門級”，但非常非常重要，所有生信專業(yè)研究生的必經(jīng)之路，非生信領(lǐng)域的學(xué)者或?qū)W生，能達(dá)到1級中已可算是高手，進(jìn)階到1級上那就是鳳毛麟角了。2級（Level2）：想新招、玩數(shù)據(jù)。簡稱：肉鳥級。具有2級水準(zhǔn)的生信研究有：1)設(shè)計方法解決生物醫(yī)學(xué)相關(guān)大數(shù)據(jù)分析中普適、定量的問題。比如咱生信課本里經(jīng)典的用于雙序列比對的Smith-Waterman算法等等；2)設(shè)計算法來分析新的高通量技術(shù)所獲得的數(shù)據(jù)，例如華大基因設(shè)計的用于二代測序短讀段(read)映射到基因組上的SOAP系列工具，這就是典型的2級工作；3)從各種公共數(shù)據(jù)中通過整合建立數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)資源。

這個太多了，生信領(lǐng)域各種專業(yè)、精心注釋的數(shù)據(jù)庫，都屬于2級的研究。

2級比1級高的地方，在于1級只能幫助一個實(shí)驗(yàn)室或者固定的、極有限的合作者，而2級的工作則可以幫助數(shù)百甚至數(shù)千的生物學(xué)家。2級的工作不必須發(fā)表在頂級的期刊上，時間會證明一切，比如分子進(jìn)化領(lǐng)域的經(jīng)典軟件MEGA，每年幾千的引用跟玩兒一樣。評價2級的生信研究工作不能數(shù)影響因子，但做的好卻比較容易被領(lǐng)域認(rèn)可（例如，華大基因發(fā)表NCS對咱搞生信的來說未必認(rèn)可，但人家的SOAP系列做的肯定是專業(yè)水準(zhǔn)的）。3級（Level3）：玩數(shù)據(jù)、作發(fā)現(xiàn)。簡稱：頂級。

3級的生信研究一般是整合公共的高通量數(shù)據(jù)，利用相當(dāng)精致的方法來做出生物學(xué)發(fā)現(xiàn)。因此這樣的工作一般是從數(shù)據(jù)開始，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)束。這就需要生物信息學(xué)家具有非常扎實(shí)的生物學(xué)知識，并且能夠自己提出有意思的生物學(xué)問題。生物信息學(xué)家可以領(lǐng)導(dǎo)一個生物學(xué)的項(xiàng)目，并且實(shí)驗(yàn)學(xué)的合作者能夠相信預(yù)測的正確性以及意義，并樂意開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這個級別的研究一般都需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不然頂級的期刊不收。

對這類工作的評價，主要是看生物學(xué)的問題是否有意思，數(shù)據(jù)整合和分析是否有足夠的技巧和合理性，并且也可以根據(jù)雜志發(fā)表期刊的檔次（影響因子）來判斷。例如我在《環(huán)形RNA分子：論開掛在生命科學(xué)研究中的重要性》提到的工作，這是典型的3級研究。從2級進(jìn)階到3級很困難。4級（Level4）：玩科學(xué)、講政治。簡稱：神級。在這個級別，生物信息學(xué)家要在巨型項(xiàng)目產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)的整合和模擬中發(fā)揮關(guān)鍵作用。這些工作一般都發(fā)表在頂級的期刊，并且引用極好，在研究過程中要注意協(xié)調(diào)方方面面。盡管有時生信對于這些論文的發(fā)表是重要的，但往往數(shù)據(jù)本身可能比方法更重要。

例如期刊判斷論文要依據(jù)其數(shù)據(jù)量的大小以及潛在的引用，而不是生信。此外，這類工作更多的是反映第一作者老板們的領(lǐng)導(dǎo)力以及在領(lǐng)域里的地位，而不是第一作者的技術(shù)能力和創(chuàng)造力。所以4級論文的第一作者們往往并不會得到足夠的認(rèn)可。因此，這些工作中的一作在獨(dú)立研究之后，往往是必須建立科學(xué)的聲譽(yù)，并且與之前4級工作無關(guān)。學(xué)者參加一些4級的生信研究無可厚非，因?yàn)檫@些項(xiàng)目的成員一般在各自領(lǐng)域都是頂級學(xué)者。但如果學(xué)者只開展或者只發(fā)表4級的工作，那就表明該學(xué)者在政治方面的關(guān)注已經(jīng)超過科學(xué)了。典型的X級生信研究工作如艾瑞克?蘭德(EricLander)領(lǐng)銜的人類基因組草圖的公布《Initialsequencingandanalysisofthehumangenome》。艾瑞克是第一作者也是共同通訊作者，因?yàn)檫@篇論文主要是他寫的，所以數(shù)據(jù)也自然主要是他分析的。這篇論文影響深遠(yuǎn)，最重要的就是基本確定了基因組學(xué)這類超級項(xiàng)目的研究范式以及論文的書寫格式，例如這類論文一般不帶后續(xù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所以也是有爭議。這也就是為什么國內(nèi)老是講華大在灌水的原因，第一，華大顯然是在灌水；第二，這個灌水模式是老外發(fā)明的；第三，那你很容易就能明白，其實(shí)老外灌的更狠；第四，你老外自己定的游戲規(guī)則，你還玩不過華大，那你得懂“愿賭服輸”這個道理。系統(tǒng)生物學(xué)

SystemsBiology定義(Definition)系統(tǒng)生物學(xué)從系統(tǒng)水平來理解生物學(xué)系統(tǒng)，利用一系列的原理與方法學(xué)來研究分子行為與系統(tǒng)特性與功能的關(guān)系，通過計算生物學(xué)來定量闡明和預(yù)測生物的功能、表型和行為。

Systemsbiologyisadisciplinetostudythespatial-temporalinteractionsofcomponentsindifferentlevelsofbiologicalsystems,seekingtofindthelawsintheorganizationprinciples,dynamicbehaviorsandemergentpropertiesofsuchbiologicalsystems.WhatisSystemsBiology?Systemsbiologyisanemergentfieldthataimsatsystem-levelunderstandingofbiologicalsystems.HiroakiKitano（北野宏明）Ph.DProjectDirector.SonyComputerScienceLaboratoriesScience,295,

1662-1664(2002).Tounderstandbiologyatthesystemlevel,wemustexaminethestructureanddynamicsofcellularandorganismalfunction,ratherthanthecharacteristicsofisolatedpartsofacellororganism.WhatisSystemsBiology?LeroyHood（MDPhD）isrecognizedasoneoftheworld’sleadingscientistsinmolecularbiotechnologyandgenomics.In2000,Hoodco-founded,andiscurrentlyPresidentof,theInstituteforSystemsBiologyinSeattlewhichpioneerssystemsapproachestobiologyandmedicine.Systemsbiologyisascientificdisciplinethatendeavorstoquantifyallofthemolecularelementsofabiologicalsystemtoassesstheirinteractionsandtointegratethatinformationintographicalnetworkmodelsthatserveaspredictivehypothesestoexplainemergentbehaviors.Science,360,640-643(2004).1948年，控制論之父NorbertWiener提出生物系統(tǒng)和控制系統(tǒng)可以用同樣的科學(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）21世紀(jì)的系統(tǒng)生物學(xué)穩(wěn)態(tài)或擬穩(wěn)態(tài)理論、模型的數(shù)據(jù)不充分分子生物學(xué)、基因組測序以及高通量測量技術(shù)的進(jìn)展，使生物信息系統(tǒng)（BIS）的建立成為可能人類基因組計劃和各種組學(xué)技術(shù)把生物學(xué)帶入系統(tǒng)科學(xué)的時代近幾十年來發(fā)展最為迅速的生物科學(xué)21世紀(jì)的生物學(xué)分子水平，系統(tǒng)生物學(xué)的基礎(chǔ)整合性的大科學(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)

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)層次上理解生物系統(tǒng)研究對象是生物系統(tǒng)的組成部分（個別基因、個別蛋白質(zhì)）研究對象是組成部分的相互作用或部分之間關(guān)系——本質(zhì)上就是信息

側(cè)重從實(shí)驗(yàn)中獲取數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的挖掘（datamining）實(shí)驗(yàn)的深層次成果往往被忽視

獲得深層次成果，理論創(chuàng)新

分子生物學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)背景學(xué)科生理學(xué)分子生物學(xué)生物信息學(xué)組學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)方法系統(tǒng)生物學(xué)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系生命活動三要素：物質(zhì)、能量、信息系統(tǒng)生物學(xué)分子生物學(xué)生理學(xué)生物信息學(xué)傳統(tǒng)分子生物學(xué)各種“組學(xué)”系統(tǒng)生物學(xué)少多多對多(Interactions)組織原理動態(tài)行為涌現(xiàn)屬性研究范式的轉(zhuǎn)變

是生物學(xué)是數(shù)據(jù)整合是建模仿真是系統(tǒng)科學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)是什么教材作者：EddaKlippFourAspectsUnderstandingofsystemstructureUnderstandingbehaviorsofthesystemUnderstandinghowtocontrolthesystemUnderstandinghowtodesignthesystem--byHiroakiKitano2002冠心病心血瘀阻證患者尿液代謝組學(xué)的通路分析通用名HMDBIDKEGGID相關(guān)酶個數(shù)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白個數(shù)參與通路個數(shù)GlycerolHMDB00131C0011620116AcrylamideHMDB04296C01659228D-GlucoseHMDB00122C0003174166AcetoneHMDB01659C002071011HippuricacidHMDB00714C01586214D-XylitolHMDB02917C003797110PathwayNameTotalCmpdHitsRawpImpactDetailsGalactosemetabolism4120.00406730.00276KEGG

SMPSynthesisanddegradationofketonebodies610.0148790.0KEGG

SMPGlycolysisorGluconeogenesis3110.0749040.0KEGG

SMP

Pentosephosphatepathway3210.077240.0KEGG

SMPGlycerolipidmetabolism3210.077240.18847KEGG

SMPPropanoatemetabolism3510.0842190.01469KEGG

SMPPhenylalaninemetabolism4510.107170.0315KEGG

SMPStarchandsucrosemetabolism5010.118460.01703KEGG

SMPPentoseandglucuronateinterconversions5310.125180.03187KEGG

Aminosugarandnucleotidesugarmetabolism8810.200450.0KEGG

SMP

通過MetPA得到的獨(dú)特的通路分析結(jié)果通過MetPA得到的通路分析概要圖半乳糖代謝通路示意圖酮體的合成和講解示意圖冠心病心血瘀阻證患者血漿代謝組學(xué)的通路分析通用名HMDBIDKEGGID相關(guān)酶個數(shù)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白個數(shù)參與通路個數(shù)ArachidonicacidHMDB01043C00219113239StearicacidHMDB00827C0153071111L-LacticacidHMDB00190C001865

30UreaHMDB00294C0008610232CitricacidHMDB00094C00158241432-HydroxybutyricacidHMDB00008C059846

4OleicacidHMDB00207C0071211

13D-GlucoseHMDB00122C0003129

66Alanine-C014011

4代謝組產(chǎn)物基本注釋表PathwayNameTotalCmpdHitsRawpImpactDetailsGlycolysisorGluconeogenesis3120.00546420.0KEGG

SMP

Propanoatemetabolism3520.00693760.0KEGG

SMPFattyacidbiosynthesis4920.0133430.0KEGG

SMPCyanoaminoacidmetabolism1610.0583540.0KEGGCitratecycle(TCAcycle)2010.0724610.06327KEGG

SMPPentosephosphatepathway3210.113660.0KEGG

SMPPyruvatemetabolism3210.113660.13756KEGG

SMPGalactosemetabolism4110.143480.00276KEGG

SMPGlyoxylateanddicarboxylatemetabolism5010.172410.00326KEGGStarchandsucrosemetabolism5010.172410.01703KEGG

SMPPyrimidinemetabolism6010.203540.0KEGG

SMPArachidonicacidmetabolism6210.209630.21669KEGG

SMPArginineandprolinemetabolism7710.254060.03036KEGG

SMPAminosugarandnucleotidesugarmetabolism8810.285220.0KEGG

SMP

Purinemetabolism9210.296250.00794KEGG

SMP通過MetPA得到的通路分析概要圖脂肪酸生物合成通路糖酵解和糖異生丙酸代謝冠心病血瘀證遺傳相關(guān)的差異蛋白基因的生物信息學(xué)研究差異蛋白基因富集分析蛋白主要參與43種生物學(xué)過程Category富集分析Term名稱Count（蛋白基因數(shù)量）%＃P-ValueP值☆GOTERM_BP_FATinflammatoryresponse571.44.7E-6GOTERM_BP_FATresponsetowounding571.43.3E-5GOTERM_BP_FATdefenseresponse571.45.9E-5GOTERM_BP_FATpositiveregulationofresponsetoexternalstimulus342.93.3E-4GOTERM_BP_FATpositiveregulationoflocomotion342.97.6E-4GOTERM_BP_FATregulationofresponsetoexternalstimulus342.92.0E-3GOTERM_BP_FATtaxis342.92.0E-3GOTERM_BP_FATchemotaxis342.92.0E-3僅列出富集分析結(jié)果中P＜0.05分子功能類別的前10位差異蛋白基因生細(xì)胞組分(CellularComponent，CC)分析Category富集分類Term名稱Count（蛋白基因數(shù)量）%＃P-ValueP值☆GOTERM_CC_FATextracellularregionpart685.71.3E-5GOTERM_CC_FATextracellularspace571.41.1E-4GOTERM_CC_FATextracellularregion685.75.0E-4差異蛋白基因分子功能(MolecularFunction，MF)分析Category富集分析Term名稱Count（蛋白基因數(shù)量）%＃P-ValueP值☆GOTERM_MF_FATcytokineactivity342.93.2E-3GOTERM_MF_FATchemokineactivity228.62.1E-2GOTERM_MF_FATchemokinereceptorbinding228.62.2E-2GOTERM_MF_FATmetalloendopeptidaseactivity228.64.7E-2GOTERM_MF_FATgrowthfactoractivity228.67.2E-2GOTERM_MF_FATmetallopeptidaseactivity228.68.2E-2通過DAVID富集分析系統(tǒng)對本實(shí)驗(yàn)獲得的62種差異表達(dá)蛋白進(jìn)行MF分析，差異蛋白參與了6類分子途徑分別是：細(xì)胞因子的活性趨化活性趨化因子受體結(jié)合基質(zhì)金屬蛋白酶活性生長因子的活性肽酶的活性差異蛋白DAVID聚類分析差異蛋白DAVID聚類分析的熱圖第一聚類和炎癥防御反應(yīng)有關(guān)，第二個聚類主要與對外界刺激（包括炎癥反應(yīng)）的調(diào)節(jié)，主要是免疫的正向調(diào)節(jié)有關(guān)；第三個聚類主要與遷移、轉(zhuǎn)移的調(diào)節(jié)有關(guān)；第四個聚類主要與細(xì)胞因子趨化、細(xì)胞增殖有關(guān)；第五個聚類主要與G蛋白偶聯(lián)受體蛋白的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路有關(guān)。Category數(shù)據(jù)庫Term名稱Count蛋白基因情況%＃P-ValueP值☆KEGG_PATHWAYNOD-likereceptorsignalingpathwayCXCL1、IL6、IL842.91.4E-3KEGG_PATHWAYCytokine-cytokinereceptorinteractionCXCL1、IL6、IL842.92.4E-2KEGG_PATHWAYPathwaysincancerIL6、IL8、MMP942.93.6E-2KEGG_PATHWAYBladdercancerIL8、MMP928.64.1E-2BIOCARTACellsandMoleculesinvolvedinlocalacuteinflammatoryresponseIL6、IL8、C342.93.5E-4BIOCARTARegulationofhematopoiesisbycytokines

IL6、IL828.63.1E-2BIOCARTAIL17SignalingPathwayIL6