理论与系统生物学概论

理论与系统生物学概论上课时间周二3-4节，理教112；周三7-8节，二教106（双周）考试方式：考试方式为课堂作业与平时表现(20%)；+期末论文口头与书面报告(80%)课程目的：介绍本专业所涉及的基本知识和基本技能，主要研究方向和应用背景，当前的热点问题和今后的发展方向。同时使学生了解数理学科中研究理论与系统生物学问题的重要研究方法和解决该类方面问题的基本思路。使研究生对本领域的研究工作有较全面的了解，并为他们提供一个相互交流、相互促进的学习机会。理论与系统生物学概论9月11日理论与系统生物学的现状与展望（来鲁华）9月18日，21日，蛋白质折叠与结构预测（来鲁华）9月25日，蛋白质折叠与结构预测（来鲁华）10月9日蛋白质动力学与相互作用研究（刘志荣）10月16日，19日，蛋白质动力学与相互作用研究（刘志荣）10月23日，生物网络研究与相关非线性物理方法（欧阳颀）10月30日，11月2日，生物网络研究与相关非线性物理方法11月6日，生物网络研究与相关非线性物理方法11月13日，16日，药物设计方法（裴剑锋）11月20日，常用计算方法（邓明华）11月27日，30日，常用计算方法（邓明华）12月4日，常用计算方法（邓明华）12月11日，14日，前沿讲座（汤超）12月18日，基因组序列与结构分析（朱怀球）12月25日，28日，基因组序列与结构分析（朱怀球）预测功能40％未知功能60％人类基因组•三万个基因•十万个蛋白质•60％的基因功能不清楚•只有不到10％经过实验验证确定基因功能及其调控机制是后基因组时代的主要任务BeyondtheGenomeBeyondtheGenome——FunctionalGenomicsFunctionalGenomics••‰IntegrationofFunctionalMapsfromCell,2001.104:333-339NatureBiotechnology22,1253-1259(2004),SystemsbiologyindrugdiscoveryEugeneCButcher,EllenLBerg&EricJKunkel二十一世纪是生命科学走向定量化的世纪：•生物学积累了大量的数据，飞速增长的数据积累为生命科学的质的飞跃提供了实验基础；•生物学的研究开始从对单一基因、蛋白的定性描述转移到对复杂蛋白与基因调控网络的定量刻画。Life'sComplexityPyramid(fromOltvai-Barabasi,Science,Oct02)ifyoustartfromcomplex,multivariatedata,it'smoredifficulttoformulatehypothesesthanitusedtobe.Thereisanaspectofdiscoveryscienceinit,becauseyou'retryingtoelucidatesomehypotheses.Thisiswhereinformaticsanddataminingcomein.Oneofthenicethingsaboutsystemsbiologyisthatitallowsyoutotransitionseamlesslybetweendiscoveryandhypothesisscience.D.Lauffenburger,MIT(Source:SystemsBiologyInstitute)美国国立健康研究院Perspective,Science,310,(2005)449什么是系统生物学•系统生物学综合利用实验及计算模拟的手段来研究生物网络的基本结构及动力学特性。•系统生物学研究的特点是多学科交叉性、定量性、综合性、可预测性、精确性，特别是科学假说驱动下的生物学研究。SystemsBiology-fromBiosciencetoMedicine•metabolicnetwork•signaltransductionsystems•bacterialsystemsbiology•methodsandsoftwareforsystemsbiology•spatialmodels•systemsbiologyformedicine.系统生物学的几个步骤1.数据收集、分析；2.生物网络模型建立；3.生物网络拓扑与动力学性质；4.生物网络行为预测与控制；5.新网络的设计。Structure,dynamics,control,anddesign参见H.Kitano,CurrGenet(2002)41:1-10相关的科学问题•robustsystems•feedbackcontrol•structuralstability•redundancy•modulardesign•designpatterns国内外有关计算与系统生物学建设情况•2000年2月在美国西雅图成立了第一个系统生物学研究所(L.Hood)。•日本的Kinato博士2001年6月建立系统生物学实验室。•哈佛大学于2003年9月新成立了系统生物学系，预计在10年中招聘25个教授。•MIT于2003年启动了计算与系统生物学计划，各学科的相关实验室参加。•美国NIH、NSF及DOE都启动了计算与系统生物学相关的研究计划。•中科院生物物理所在2003年3月成立了系统生物学研究中心。•中国科技大学成立了系统生物学系。•上海交通大学与中科院上海生命科学研究院合作成立了系统生物研究中心。•上海交通大学与上海市2007年初合作成立了系统生物医学研究中心。TheoreticalbiologyFromWikipedia,thefreeencyclopediaJumpto:navigation,searchTheoreticalbiologyisafieldofacademicstudyandresearchthatinvolvestheuseofquantitativetoolsinbiology.Manyseparateareasofbiologyfallundertheconceptoftheoreticalbiology,accordingtothewaytheyarestudied.Someoftheseareasinclude:animalbehaviour(ethology),biomechanics,biorhythms,cellbiology,complexityofbiologicalsystems,ecology,enzymekinetics,evolutionarybiology,genetics,immunology,membranetransport,microbiology,molecularstructures,morphogenesis,physiologicalmechanisms,systemsbiologyandtheoriginoflife.Neurobiologyisanexampleofasubdisciplineofbiologywhichalreadyhasatheoreticalversionofitsown,theoreticalorcomputationalneuroscience.Theultimategoalofthetheoreticalbiologististoexplainthebiologicalworldusingmainlymathematicalandcomputationaltools.Thoughitisultimatelybasedonobservationsandexperimentalresults,thetheoreticalbiologist'sproductisamodelortheory,anditisthisthatchieflydistinguishesthetheoreticalbiologistfromotherbiologists.什么是理论生物学TheScopeandLimitsofTheoreticalBiologyTheoreticalbiologyisthefieldofbiologywheremodellingisusedtoachieveunderstandingofbioticphenomena.Thisincludesthingslikegametheoreticalmodelsinbehaviouralecology,optimalitymodelsinevolutionarybiologyandpopulationecologicalmodels.Theoreticalbiologyplaysanimportantroleinallfieldsofbiology.However,theoreticalbiologyissometimesconsideredproblematicinthelightofhowbiologicaltheoriesarebuilt.Issuchscepticismwarranted?Toanswerthisquestionwemustinvestigatetheaims,domainandconstraintsoftheoreticalbiology.Thisstudygroupapproachestheoreticalbiologyfromthisgeneralperspectiveofphilosophyofscience.Wewilltacklequestionslike:!--[if!supportLists]---Whataretheoriesandmodels,andwhataretheygoodfor?!--[if!supportLists]---!--[endif]--Whatarelawsofnatureanddosuchthingsexistinbiology?!--[if!supportLists]---!--[endif]--Dobiologicaltheoriesrepresentlawsofnature?Shouldthey?!--[if!supportLists]---!--[endif]--Whyarelawsofnaturetypicallyquantitativeinphysics,andisthispossibleinbiology?!--[if!supportLists]---!--[endif]--Arebiologicalphenomenafundamentallydifferentfromphysicalsystems,andarequantitativelawsandtheoriesforthisreasonproblematicinbiology?从原子水平到复杂生物网络都有许多理论问题亟待研究从基因组序列信息到基因功能染色体基因蛋白质功能Proteinstructure折叠的动力学机制从序列预测三维结构KETAFQMCVMLAPRLIASProteinsequence蛋白质折叠问题蛋白质设计ThefoldingfunnelLysozymeFrom:C.Dobson,SeminarsinCell&DevelopmentalBiology2004,15:3-16DownhillFoldingGruebeleM.Downhillproteinfolding:evolutionmeetsphysics.ComptesRendusBiologies2005;328(8):701-712.蛋白质的可设计性原理系综/平均/典型个别/特殊可设计性稳定性“对称破缺”折叠模式空间序列空间(20N)MAQTDVILCPDTHQKAVCL..Li,H.,Hellin