第八章系统生物学

第八章系统生物学南京师范大学比较基因组学与生物信息学实验室定义(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.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).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背景学科生理学分子生物学生物信息学组学系统生物学方法TheCompleteProteomicsSolutionSamplePrepImageacquisitionImageanalysisSamplelabelling2DSeparationAutomatedspotpickingAutomatedspotdigestionAutomatedMALDIspottingMSLaboratoryworkflowsystem蛋白质组核心技术和主要内容Proteinextract1Labelwithfluor1Proteinextract2Labelwithfluor2Separateby2DPAGEMixlabeledextractsImagegelExcitationWavelength1Excitationwavelength2Analysisofdifference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。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•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”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方式的转变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：EddaKlippFourAspectsUnderstandingofsystemstructureUnderstandingbehaviorsofthesystemUnderstandinghowtocontrolthesystemUnderstandinghowtodesignthesystem--byHiroakiKitano2002•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。•生命科学•信息科学•系统科学系统生物学三大学科基础•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.•实验技术（WetPart）•信息技术（DryPart）两大技术支撑实验技术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FluorescenceMicroscope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。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改善环境与生态研究机构与研究组织InstituteforSystemsBiologyfoundedbyLeroyHoodin1999://systems-biology.org/OtherfamousinstitutesSystemsBiologyDepartmentatHarvardMedicalSchoolComputationalandSystemsBiologyInitiativeatMITBio-XatStanfordUniversityBioSPIProjectatWeizmann,IsraelSystemsX.ch,TheSwissInitiativeinSystemsBiologyCaltech,USAUniversityofEdinburgh,UKUniversityofGotenberg,SwedenHumboldtUniversityBerlin,InstituteforBiology,TheoreticalBiophysics,Berlin,Germany国内机构中科院系统生物学重点实验室，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，西南大学蚕学与系统生物学研究所等•ICSB:InternationalConferenceonSystemsBiology•11th,Edingburgh,UK,October10-15,2010••WCSB:InternationalWorkshoponComputationalSystemsBiology,7th.(Luxembourg,June16-18,2010)•ICCSB:InternationalConferenceonComputationalandSystemsBiology,2011(Manila,Philippines,March29-31,2011)重要学术会议•MolecularSystemsBiology•PLoSComputationalBiology•Bioinformatics(SBsection)•BMCSystemsBiology•BMCBioinformatics•JournalofTheoreticalBiology•JournalofComputationalBiology•insilicoBiology•Biosystems•MolecularBiosystems•BiophysicalJournal•IETSystemsBiology•Nature•Science•Cell•PNAS….主要学术刊物中文参考书•《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，200