《系统生物学》PPT课件 50页

第八章系统生物学SystemsBiology马飞\n定义(Definition)学科背景(Background)内容体系和研究方法(Contents&Methods)学术组织、会议和刊物(ResearchCommunity)主要参考资料(References)系统生物学大纲\n定义(Definition)系统生物学从系统水平来理解生物学系统，利用一系列的原理与方法学来研究分子行为与系统特性与功能的关系，通过计算生物学来定量阐明和预测生物的功能、表型和行为。Systemsbiologyisadisciplinetostudythespatial-temporalinteractionsofcomponentsindifferentlevelsofbiologicalsystems,seekingtofindthelawsintheorganizationprinciples,dynamicbehaviorsandemergentpropertiesofsuchbiologicalsystems.\nWhatisSystemsBiology?Systemsbiologyisanemergentfieldthataimsatsystem-levelunderstandingofbiologicalsystems.HiroakiKitano（北野宏明）Ph.DProjectDirector.SonyComputerScienceLaboratoriesScience,295,1662-1664(2002).Tounderstandbiologyatthesystemlevel,wemustexaminethestructureanddynamicsofcellularandorganismalfunction,ratherthanthecharacteristicsofisolatedpartsofacellororganism.\nWhatisSystemsBiology?LeroyHood（MDPhD）isrecognizedasoneoftheworld’sleadingscientistsinmolecularbiotechnologyandgenomics.In2000,Hoodco-founded,andiscurrentlyPresidentof,theInstituteforSystemsBiologyinSeattlewhichpioneerssystemsapproachestobiologyandmedicine.Systemsbiologyisascientificdisciplinethatendeavorstoquantifyallofthemolecularelementsofabiologicalsystemtoassesstheirinteractionsandtointegratethatinformationintographicalnetworkmodelsthatserveaspredictivehypothesestoexplainemergentbehaviors.Science,360,640-643(2004).\n1948年，控制论之父NorbertWiener提出生物系统和控制系统可以用同样的科学方法进行研究20世纪60年代生物化学系统理论（BST）20世纪70年代谢控制理论（MCT）21世纪的系统生物学稳态或拟稳态理论、模型的数据不充分分子生物学、基因组测序以及高通量测量技术的进展，使生物信息系统（BIS）的建立成为可能人类基因组计划和各种组学技术把生物学带入系统科学的时代\n近几十年来发展最为迅速的生物科学21世纪的生物学分子水平，系统生物学的基础整合性的大科学分子生物学系统生物学系统生物学与分子生物学\n分子生物学与系统生物学还原主义将生物学还原到分子水平整体主义从系统层次上理解生物系统研究对象是生物系统的组成部分（个别基因、个别蛋白质）研究对象是组成部分的相互作用或部分之间关系——本质上就是信息\n侧重从实验中获取数据实验数据的挖掘（datamining）实验的深层次成果往往被忽视获得深层次成果，理论创新分子生物学与系统生物学\n背景学科生理学分子生物学生物信息学组学\n系统生物学方法\n\nTheCompleteProteomicsSolutionSamplePrepImageacquisitionImageanalysisSamplelabelling2DSeparationAutomatedspotpickingAutomatedspotdigestionAutomatedMALDIspottingMSLaboratoryworkflowsystem蛋白质组核心技术和主要内容\nProteinextract1Labelwithfluor1Proteinextract2Labelwithfluor2Separateby2DPAGEMixlabeledextractsImagegelExcitationWavelength1Excitationwavelength2Analysisofdifference差异凝胶电泳DifferenceGelElectrophoresis(DIGE)DIGE与常规的双向电泳技术比较，更加简单、劳动强度更低、效率更高。\n质谱技术肽质量指纹谱(PeptideMassFinger-print，PMF)鉴定蛋白质是目前蛋白质组研究中较常用的鉴定方法。蛋白酶酶解MS分析数据库搜索蛋白质鉴定肽的质量指纹\n测定肽混合物质量谱最有效的质谱仪是MALDI-TOF-MS。基体辅助激光解吸（MALDI）在原理上利用激光束照射分散于基质中的样品，由于这些基质能够强烈吸收激光，从而保护了样品分子。MALDI可离子化蛋白而又不破坏蛋白。MALDI与TOFMS的连用可以测定大分子如蛋白质的分子量，该技术精度高、分析时间短，可同时处理许多样品，是高通量鉴定的首选方法。蛋白激光(高能)只有碎片蛋白激光(高能)离子化基体ProteinH+没有基体\n\n\n\n系统生物学与相关学科的关系生命活动三要素：物质、能量、信息系统生物学分子生物学生理学生物信息学\n系统生物学与合成生物学的关系系统生物学为合成生物学提供理论基础合成生物学为系统生物学提供验证手段“SyntheticBiology”\n传统分子生物学各种“组学”系统生物学少多多对多(Interactions)组织原理动态行为涌现属性研究范式的转变\n人类认识世界的两种方法论Reductionism（还原论）Holism（整体论）RENEDESCARTES(1595-1650)"IamthinkingthereforeIexist."JanSmuts(1870-1950)“HolismandEvolution”\n还原论及其局限性奠基人：笛卡尔分析-重构方法主导地位：分析、分解、还原400年来，创造了一套可操作的科学方法面临的巨大问题：复杂系统，用认识的叠加方法，不宜发现整体的“涌现性”从宇宙、生物圈、动物界、植物界，到个体，器官、组织、细胞、细胞器、DNA、基因片段…还原论的洋葱皮已经剥到“芯”了DNA双螺旋结构的发现以及随后的基因突破已经抵达到有机生命与无机物质的拐点，还原论在生命科学领域里所承担的使命大致已经终结科学的分析时代必然划向综合时代－－恩格斯\n“系统论是还原论和整体论的辩证统一”-----钱学森对还原论的超越Nature,Volume7,November2006http://www.newvisions.ucsb.edu/background/images/elephant.gif\n是生物学是数据整合是建模仿真是系统科学系统生物学是什么教材作者：EddaKlipp\n第一步：对选定的某一生物系统的所有组分进行了解和确定，描绘出该系统的结构，包括基因相互作用网络和代谢途径，以及细胞内和细胞间的作用机理，以此构造出一个初步的系统模型。第二步：系统地改变被研究对象的内部组成成分（如基因突变）或外部生长条件，然后观测在这些情况下系统组分或结构所发生的相应变化，包括基因表达、蛋白质表达和相互作用、代谢途径等的变化，并把得到的有关信息进行整合。第三步：把通过实验得到的数据与根据模型预测的情况进行比较，并对初始模型进行修订。第四步：是根据修正后的模型的预测或假设，设定和实施新的改变系统状态的实验，重复第二步和第三步，不断地通过实验数据对模型进行修订和精练。系统生物学的目标就是要得到一个理想的模型，使其理论预测能够反映出生物系统的真实性。系统生物学研究的四个环节\nFourAspectsUnderstandingofsystemstructureUnderstandingbehaviorsofthesystemUnderstandinghowtocontrolthesystemUnderstandinghowtodesignthesystem--byHiroakiKitano2002\n\n自上而下(Top-down，以Hood为代表)自下而上(Bottom-up，以Kitano为代表)整合(Integration)扰动法(Perturbation)主要研究策略\n整合－系统生物学的核心系统内不同性质的构成要素（基因、mRNA、蛋白质、生物小分子等）的整合。从基因到细胞、到组织、到个体的各个层次的整合。研究思路和方法的整合。需要生命科学、信息科学、数学、计算机科学等各种学科的共同参与，真正实现这种整合还有很长的路要走。\n生命科学信息科学系统科学系统生物学三大学科基础\n生物学物理学化学工程学数学计算科学系统生物学的学科交叉特性系统生物学，是把孤立的在基因水平、蛋白水平的各种相互作用、各种代谢途径、调控途径等融合起来，用以说明生物整体，高通量的组学实验平台构成了系统生物学的大科学工程.\n实验技术（WetPart）信息技术（DryPart）两大技术支撑\n实验技术基本技术离心与层析酶切与电泳PCR技术杂交和印迹技术高通量技术新DNA测序技术克隆载体与DNA文库DNA和蛋白质芯片酵母双杂交质谱技术ChIP-chip和ChIP-PET技术转基因生物、RNA干扰各种显微示踪技术等http://www.olympusmicro.com/\n计算技术程序设计技术程序设计语言面向过程与面向对象的程序设计常用的编程工具数据库技术数据管理方式的演变关系型数据库与SQL语言数据的集成与交换网络技术计算机网络概述服务器-客户端结构网络开发的LAMP体系平行计算技术并行计算与串行计算的比较微机集群的架构与应用并行计算的新趋势：基于多核CPU与GPGPU的程序设计计算具有实验和理论双重属性：---相对于实验，它是理论；---相对于理论，它是实验。\n数学的运用一门科学只有当它充分利用数学之后，才能成为一门精确的科学-----马克思用到的数学知识：线性代数微分方程（常微分方程、偏微分方程、差分方程）图与网络的理论统计学理论随机过程理论\n涉及的生物学知识生命的起源与进化生命起源的学说生命的化学进化生命的生物进化细胞结构与物质代谢细胞的构成生物分子的合成与分解生物分子中的化学键和重要作用力分子生物学中心法则基因表达的信息流向基因表达的调控表达后蛋白的修饰细胞周期与胚胎发育细胞的分裂过程胚胎的发育过程\n生物信息资源常用数据库序列和结构数据库基因表达数据库蛋白相互作用数据库代谢途径数据库动力学和模型数据库常用的算法和网络服务序列和结构比对算法进化树构建方法网络建模、比对和分析的方法常用的建模工具通用建模工具MatLab,Maple,MathematicaDizzy仿真工具SBW平台网上建模环境（PyBioS）建模程序包（PySCeS）\n各种组学的研究进展基因组学、转录组学、蛋白质组学、糖组学相互作用组学代谢物组学表型组学、系统组学\n系统生物学的应用医药领域能源领域工业生产畜牧农林业改善环境与生态\n\n研究机构与研究组织InstituteforSystemsBiologyfoundedbyLeroyHoodin1999http://www.systemsbiology.org/HiroakiKitanohttp://systems-biology.org/\nOtherfamousinstitutesSystemsBiologyDepartmentatHarvardMedicalSchoolComputationalandSystemsBiologyInitiativeatMITBio-XatStanfordUniversityBioSPIProjectatWeizmann,IsraelSystemsX.ch,TheSwissInitiativeinSystemsBiologyCaltech,USAUniversityofEdinburgh,UKUniversityofGotenberg,SwedenHumboldtUniversityBerlin,InstituteforBiology,TheoreticalBiophysics,Berlin,Germany\n国内机构中科院系统生物学重点实验室，http://www.sysbio.ac.cn/复旦大学数学学院，系统生物学研究室中科院生物物理所，系统生物学研究组中科院数学与系统科学研究院，生物信息学组苏州大学系统生物学研究中心，http://www.sysbio.org.cn/西南大学蚕学与系统生物学研究所等\nICSB:InternationalConferenceonSystemsBiology11th,Edingburgh,UK,October10-15,2010http://www.icsb2010.org.ukWCSB:InternationalWorkshoponComputationalSystemsBiology,7th.(Luxembourg,June16-18,2010)ICCSB:InternationalConferenceonComputationalandSystemsBiology,2011(Manila,Philippines,March29-31,2011)重要学术会议\nMolecularSystemsBiologyPLoSComputationalBiologyBioinformatics(SBsection)BMCSystemsBiologyBMCBioinformaticsJournalofTheoreticalBiologyJournalofComputationalBiologyinsilicoBiologyBiosystemsMolecularBiosystemsBiophysicalJournalIETSystemsBiologyNatureScienceCellPNAS….主要学术刊物\n中文参考书《系统生物学的理论、方法和应用》[德]柯利普等著；贺福初等译，复旦大学出版社，2007。《系统生物学基础》[日]北野宏明编；刘笔锋，周艳红等译，化学工业出版社，2007。《系统生物学：哲学基础》[荷]布杰德等编著；孙之荣等译，科学出版社，2008。《系统生物学》，张自立，王振英编著，科学出版社，2009。《系统生物学导论：生物回路的设计原理》尤.阿隆著，王翼飞等译，化学工业出版社，2010。《合成生物学》，宋凯，科学出版社，2010。\nEnglishBooksKlippE.etc.SystemsBiology:ATextbook,Wiley-VCH,2009AlberghinaL.&WesterhoffH.V.(Eds.)SystemsBiology:DefinitionsandPerspectives(TopicsinCurrentGenetics),Springer-VerlagBerlinHeidelberg,2005.PalssonB.O.SystemsBiology:PropertiesofReconstructedNetworks,CambridgeUniversityPress,2006.KonopkaA.K.SystemsBiology:Principles,Methods,andConcepts,CRCPress,2006.KrieteA.&EilsR.(Eds.)ComputationalSystemsBiology,ElsevierAcademicPress,2006.WilkinsonD.J.,StochasticModellingforSystemsBiology,CRCPress,2006.SangdunChoi(Eds.)IntroductiontoSystemsBiology,HumanaPress,2007.FrederickB.Marcus,BioinformaticsandSystemsBiology:CollaborativeResearchandResources,Springer-VerlagBerlinHeidelberg,2008.NakanishiS.etc.(Eds.)SystemsBiology:theChallengeofComplexity,SpringerTokyoBerlinHeidelbergNewYork,2009.McDerMottJasonetc.(Eds.)ComputationalSystemsBiology(SpringerProtocals:MethodsinMolecularBiology),HumanaPress,2009.OlegDemin&IgorGoryanin,KineticModellinginSystemsBiology,CRCPress,2009.\nThankYou!