系统生物学-第一章-系统生物学概况

系统生物学SystemBiology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。EnglishBooks•KlippE.etc.SystemsBiology:ATextbook,Wiley-VCH,2009•AlberghinaL.&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.第一章系统生物学概况•什么是系统生物学（systemsbiology）？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”6•生命是一个多层次、多功能的复杂架构体系。研究其运动变化规律的科学称之为生物科学或生命科学。•长久以来，科学家从群体、个体、细胞、分子等不同层次，以及形态解剖、生理生化、遗传发育、免疫、种群、进化等不同侧面探索者生命运动规律。所有生命都来自共同的祖先C.Darwin不同的有机体遵循着统一的规律DNA是实现生命繁衍的基本大分子繁殖就是将DNA双螺旋传给后代不同结构的蛋白质负责不同的生命活动酶运动蛋白血红蛋白不同氨基酸序列的蛋白质具有不同的空间结构蛋白质是由20种氨基酸连成的生物大分子蛋白质的形成倚赖DNA上的遗传信息遗传密码（三个碱基）决定一种氨基酸基因就是含有遗传密码的一段DNA序列起始位置结束位置基因基因1基因2蛋白质1蛋白质2一个基因决定一种蛋白质转录：解读基因的语言翻译：根据遗传密码决定蛋白质的氨基酸序列现代生命科学的“中心法则”DNA信息RNA解读蛋白质产品生命活动用途现代生物学家眼中的生命——还原论观点个体水平细胞水平DNA分子水平蛋白质生命与非生命没有本质上的不同，它们都遵循着统一的物理化学规律。现代生命科学的特征简单化线性化定性化实验化小结•一直以来,人们在研究生物体系统时,都是采取还原论（reductionism）方法,分别对系统的单个组成元素进行独立的分析研究。•目前为止,还原论的研究已经取得了大量的成就,在细胞甚至在分子层次对生物体都有了很具体的了解,但对生物体整体的行为却很难给出系统、圆满的解释。生物科学还停留在实验科学的阶段,没有形成一套完善的理论来描述生物体如何在整体上实现其功能行为。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…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。传统思路：信号通路实际情况：信号网络人类认识世界的两种方法论ReductionismHolismRENEDESCARTES(1595-1650)IamthinkingthereforeIexist.JanSmuts(1870-1950)“HolismandEvolution”27基因组(Genome)载有细胞或生物个体的全套遗传信息的全部遗传物质原核生物基因组：1.5Mb(1500个基因)~8Mb(7500个基因)古细菌基因组：1.5Mb(1500个基因)~3Mb(2700个基因)真核生物基因组细胞核基因组：1.3X107kb(6千个基因)~3.3X109kb(4万个基因)线粒体基因组：16kb(13个基因)~399kb(34个基因)叶绿体基因组：120kb(87个基因)~190kb(183个基因)基因组是什么？“基因组——后基因组”时代人类基因组23条染色体：3.3X109bp常染色质：2.9X109bp异染色质：0.4X109bp基因数：2万~2万5千~1.5%序列用于编码基因人类基因组计划HGP人类基因组计划的意义（1）催生了组学（Omics）的研究基因组学（Genomics）功能基因组学(FunctionalGenomics)转录组学（Transcriptomics）蛋白质组学（Proteomics）代谢组学（Metabolomics）……人类基因组计划的意义（2）生物信息学计算生物学促进了交叉学科的发展人类基因组计划的意义（3）认识论目标大方法论视野大形成了生命科学的“大科学”人类基因组计划的意义（4）高通量低成本测序技术：个性化医学的基础2000年：1万美金测序费/百万碱基2010年：1美金测序费/百万碱基个体化在近五年内，将实现一个人的全基因组测序费用不超过1000美金；到2020年，测序费用还将大大降低。个体基因组计划美国个体基因组计划DiploidgenomesequencingPersonalgenomesequencing英国10K项目是,WellcomeTrust在三年内支持1000万英镑，测定10000个人的基因组序列，旨在找出与肥胖和精神分裂症等疾病相关的罕见基因变异。英国万人基因组计划（UK10K）4000名英国人的全基因组序列，其中一半是针对英国的双胞胎来进行的，另一半则是针对父母与子女来开展。6000个人则只是测定其外显子序列。参与外显子测序的人都得有“特别突出的表型”，这样就有利于将某一多基因相互作用疾病定位到特定的基因上。其中，2000人是极度的肥胖；3000人患有神经元发育障碍；另外1000人则患有先天性心脏病等比较稀少的疾病。GenerateantigenGeneratespecificantibodiesabcdInvitroproteinprofilingInvivoproteinprofilingIsolationofproteincomplexesProteinchipIsolationofnativeprotein•Structure•Modification•BiochemistryTheHumanProteomeResource(HPR)program利用抗体系统地检测人类蛋白质组Prof.MathiasUhlenRoyalInstituteofTechnologySweden生命进化与转录组17%0.5%Drosophila85%2%13%E.coli70%2%28%YeastS.cerevisiae1.5%0.5%98%Human28%0.5%71%NematodeC.elegans0.5%0.01%Lunfish(dipnoi)Coding(protein)RNANon-coding82%99.5%非编码RNA:复杂性的源泉后基因组时代酵母的基因功能网络后基因组时代的生命观：复杂系统后基因组时代的生命观：复杂系统细胞信号转导网络神经网络后基因组时代的生命观：复杂系统人类基因组终生在变化美国约翰霍普金斯大学医学院研究了个体的基因组内的DNA甲基化变化。DNA样本来自冰岛大约600个人，分别于1991年和2002年至2005年间采得。研究人员测量了111个样本中每个样本的DNA甲基化总量，并比较了同一个人的采自2002年至2005年间和1991年的DNA甲基化总量。结果发现，在这大约11年的时间跨度中，大约三分之一个体的甲基化量发生了变化。不过变化的方向并不一致——一些人的甲基化总量增加，另一些人的则发生丢失。JAMA2009传统生物科学（中国传统医学）输入输出经典生物实验科学输入输出A(基因/蛋白质)B(基因/蛋白质)系统生物学输入输出系统生物学是认识生命复杂系统的新角度综合性研究分析性研究分析+综合研究系统生物学是21世纪生命科学革命的代表科学家对自然界的认识程度中心法则的发现分子生物学的诞生系统生物学的诞生人类基因组计划19501990时间49经典生命科学简单化线性化定性化实验化系统生物学复杂化网络化定量化理论化经典生命科学与系统生物学之比较物理学物理现象的观测数学的描述F=maE=MC2物理学的描述经验阶段理性阶段生命科学生命现象的观测数学的描述？生物学的描述经验阶段理性阶段系统生物学(SystemsBiology)定义：系统生物学是系统性地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，并分析生物系统在一定时间内的动力学过程。系统的思想（相互作用着的整体）中国古代哲学辩证唯物主义：物质世界是由无数相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的事物和过程所形成的统一整体---马克思、恩格斯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，通过多种组学的联合以及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.系统生物学的分类•组学OMICS•基因组学•转录组学•蛋白质组学•糖组学•脂质组学•代谢组学•表观遗传组学•宏基因组学•计算系统生物学近几十年来发展最为迅速的生物科学21世纪