系统生物学简述.ppt

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1、系统生物学简述系统生物学简述什么是系统生物学？什么是系统生物学？ 系统生物学是研究一个生物系统中所有组成成分（基因、mRNA、蛋白质等）的构成以及在特定条件下这些组分间的相互关系的学科，是以整体性研究为特征的一种科学。Dr. Leroy HoodHiroaki Kitano（北野宏明）系统生物学的历史系统生物学的历史 中医天人合一的黑箱 1933 Cannon 稳态学说 1948 Wiener 生物控制论 1968 Ludwig von Bertalanffy 总体系统论 1999 美国科学家 Leroy Hood The Institute for Systems Biology(ISB)各

2、国系统生物学研究计划各国系统生物学研究计划 1.美国国家能源部提出基因组到生命（Genomes To Life）计划 2.日本ERATO研究组提出的系统组（Systome）计划 3.德国政府启动的3MEURO计划 4.韩国提出了系统生物学计划我国的系统生物学我国的系统生物学 1.2003年，生物物理研究所率先在国内组建的专门研究系统生物学的机构系统生物学研究中心。 2.2005年，上海系统生物医学研究中心在上海交通大学成立。 3.2005年，中国科技大学与上海生命科学研究院合作成立国内第一个系统生物学系，共同培养和及早储备世纪生物学研究发展所需要的未来人才。研 究 内 容 1.系统结构的识别和

3、研究系统结构的识别和研究 （System Structure） 这包括基因相互作用网络、生化代谢 途径以及这些相互作用以何种机制调 节生物系统的研究等内容。 2.系统的动态特征分析系统的动态特征分析 （System Dynamics） 要研究生物系统在不同条件下不同时间不同条件的行为，要对生物系统进行代谢分析，敏感性分析，动态分析等等从而发现生物系统的特定行为的机理机制。 3.系统的控制方法系统的控制方法（The Control Method） 系统能够控制一个细胞状态使得细胞功能受损最小，通过研究可以为疾病治疗提供潜在的药物靶标。 4.系统的设计方法系统的设计方法（The Design Me

4、thod） 将生物系统利用仿真、模拟等方法设计，最终达到建立数据系统模型的目的。系统生物学的灵魂系统生物学的灵魂整合整合 系统生物学与基因组学、蛋白质组学等各种“组学”的不同之处在于：它是一种整合型大科学。 需要一套原理和方法原理和方法将系统内部各个组分的行为（behaviors）与系统的特性及功能连接起来。 避免机械唯物主义，1+1=3（系统科学的核心思想是：“整体大于部分之和”） 首先，它要把系统内不同性质的构成要素（基因、mRNA、蛋白质、生物小分子等）整合在一起进行研究。 系统生物学研究所第一篇论文：整合酵母的基因组分析和蛋白质组分析，研究酵母的代谢网络（Ideker T,Scienc

5、e,2002） 其次，对于多细胞生物而言，系统生物学要实现从基因到细胞、到组织、到个体 的各个层次的整合。经典的分子生物学研究经典的分子生物学研究垂直型的研究。垂直型的研究。基因组学、蛋白质组学和其他各种基因组学、蛋白质组学和其他各种“组学组学”水平型研水平型研究。究。系统生物学的特点系统生物学的特点把水平型研究和垂直型研究整合起把水平型研究和垂直型研究整合起来，成为一种来，成为一种“三维三维”的研究。的研究。ProteinGenesGenesProteinsTranscriptionsOMICsSystemBiologyGenesProteinGenomicsProteomics系统生物学的

6、基础系统生物学的基础信息信息 生物学是一门信息科学： 生物学研究的核心基因组是数字化基因组是数字化的；的； 生命的数字化核心表现为两大类型的信息，第一类信息是指编码蛋白质的基因，第二类信息是指控制基因行为的调控网络； 生物信息是有等级次序的，而且沿着不同的层次流动。 系统生物学的钥匙系统生物学的钥匙干涉干涉 系统生物学一方面要了解生物系统的结构组成，另一方面要揭示系统的行为方式。相比之下，后一个任务更为重要。 系统生物学研究状态下，揭示出特定的生命系统在不同的条件下和不同的时间里具有什么样的动力学特征。所研究的并非一种静态的结构，而是要在人为控制的状态下，揭示揭示出特定的生命系统在不同的条件下

7、和不同的出特定的生命系统在不同的条件下和不同的时间里具有什么样的动力学特征时间里具有什么样的动力学特征系统生物学中的干涉特点系统生物学中的干涉特点 首先，这些干涉应该是有系统性的，如酵母果糖代谢的9个基因逐一进行突变，研究在每一个基因突变下的系统变化。 其次，系统生物学需要高通量的干涉能力，如高通量的遗传变异。 系统生物学既需要“发现的科学”，也需要“假设驱动的科学”。先选择一种条件（干涉），然后利用“发现的科学”的方法，对系统在该条件下的所有元素进行测定和分析；在此基础上做出新的假设，然后再利用“发现的科学”研究手段进行新研究。这两种不同研究策略和方法的互动和整合，是系统生物学成功的保证。D

8、ate AcqusitionHigh-throughput“omica” dataGlobal DatabasesAnalysis ModulesNetwork RefinementHypothesis GenerationNetworkVisualization/Modeling网络模型反复完善图示网络模型反复完善图示仿真和分析仿真和分析 仿真是对系统的所有内容如基因和代谢网络、染色体的高水平结构、蛋白质之间的相互作用等等变成数据流最终成为数学模型。 参数优化方法需要考虑全局/局部最小值，找到全局优化的设计。 基于现有算法的改进方法。系统生物学研究中的问题 1.数据的质量及标准化 2.生物网

9、络研究 3.鉴定和定量不同类型分子 4.缩小与自动微流学/纳米技术平台 5.在单个细胞内进行动力空间多参数检测系统生物学研究中的独特问题 1.团队合作，合理评价及所有权 （Teamwork, Fair Credit, Data Ownership ) 2.技术通路缺乏 (Access to Technology) 3.基金问题 (The Problem of Funding) 系统生物学的应用系统生物学的应用 在新药开发方面，现有的药物大多数特异性差、不良反应较多.而系统生物学通过创建细胞调节网络的详细模型，为基于机理的药物发现，提供了深层次的理解，不但能较准确预测药物所产生的副作用，而且可能

10、针对某一患者设计某一药物，这样将有助于推进建立个性化用药机制。 在疾病预防方面，系统生物学可以针对每个病人精确的系统动力学可以改变药物设计和治疗程序，采用系统的最优化原则达到最佳化治疗效果。同时通过复杂的系统互学模型对疾病能做出准确的预测。 系统生物学通过系统仿真、控制、虚拟现实等技术为器官克隆提供全新方法，还有更多方面的应用，如通过对农作物的设计和重构优化农作物品种，提升传统生物技术并开拓能源生物技术、材料生物技术和环境生物技术等新领域。ISB对系统生物学的描述对系统生物学的描述系统生物学的具体研究 Discovering Regulatory and Signalling Circuits in Molecular Interaction Networks Trey Ideker 2002在这篇论文中,评价了酵母菌公共数据库一个包含4160个基因和7462p-p和p-d相互作用的大网络以及一个包含332个基因和362个相互作用的小网络.论文结论 在小网络中,从5个显著的次网中鉴定出77个在表达中起主要作用基因中的41(53%).这些分析复原到几个次网中得到结果与其他调节机制文献有很好的相关性.这些结果表明了如何将大量基因路径用系统、整合的方法来揭示信号与调节通路。