系统生物学2014218

系统生物学SystemsBiology邢德峰电话：86289195E-mail:[e-mail]?2H2工程科学3What?How?45参考教材和文献《系统生物学》，张自立王振英编，科学出版社,2009《系统生物学基础》，（日）北野宏明编，化工出版社,2007DOEGenomics:GTLRoadmap----SystemBiologyforEnergyandEnvironment.Journals:Science,Nature,PNAS,EM,AEM,ISMEJetal.系统生物学，邢德峰？讲授+讨论近五年内英文文献至少两篇，ppt报告8-10分钟(内容关于高通量测序技术、基因组、转录组、蛋白质组、宏基因组、合成生物学等)考核方式：考试卷面成绩70%+报告20%+10%出勤6学习方式7学习内容第1章系统生物学概况第2章基因组学原理与方法(Genomics)第3章宏基因组学原理与方法（Metagenomics）第4章转录组学原理与方法(Transcriptomics)第5章蛋白质组学原理与方法(Proteomics)第6章代谢物组学原理与方法(Metabolomics)第7章系统生物学技术在环境学科的应用8第1章系统生物学概况1.1从分子生物学到系统生物学1.2系统生物学的定义和研究内容1.3系统生物学的研究方法1.4系统生物学的应用前景9第1章系统生物学概况1.1从分子生物学到系统生物学1953年Watson和Crick发现了DNA双螺旋结构10第1章系统生物学概况1.1从分子生物学到系统生物学1958年Crick提出中心法则(centraldogma)11第1章系统生物学概况1.1从分子生物学到系统生物学“基因决定论”局限性12第1章系统生物学概况1.1从分子生物学到系统生物学13美国科学家于1985年率先提出1990年正式启动的，三十亿美元的人类基因组计划由美国能源部和国家卫生研究院正式启动，预期在15年内完成2000年6月26日，参加人类基因组工程项目的美国、英国、法兰西共和国、德意志联邦共和国、日本和中国的6国科学家共同宣布，人类基因组草图的绘制工作已经完成，草图覆盖了基因组序列的83％。2003年完成92％的基因组，比预计提前2年。第1章系统生物学概况1.1从分子生物学到系统生物学14Thegenomicera15第1章系统生物学概况1.1从分子生物学到系统生物学Goodman整体水平的基因调控模式TheScientist,2005,20:2016第1章系统生物学概况1.1从分子生物学到系统生物学LeroyHood（MD,Ph.D）isrecognizedasoneoftheworld’sleadingscientistsinmolecularbiotechnologyandgenomics.In2000,Hoodco-founded,andiscurrentlyPresidentof,theInstituteforSystemsBiologyinSeattlewhichpioneerssystemsapproachestobiologyandmedicine.HisprofessionalcareerbeganatCaltechwhereheandhiscolleaguespioneeredfourinstruments,sequencersandsynthesizersforDNAandprotein.Hoodwasalsooneofthefirstadvocatesof,andakeyplayerintheHumanGenomeProject.In1992,hemovedtotheUniversityofWashingtontocreatethecross-disciplinaryDepartmentofMolecularBiotechnologyastheWilliamGatesIIIProfessorofBiomedicalScience.Hehasplayedaroleinfoundingnumerousbiotechnologycompanies,includingAmgen,AppliedBiosystems,Systemix,Darwin,RosettaandMacroGenics.17HiroakiKitano（北野宏明）Ph.DProjectDirector.SonyComputerScienceLaboratoriesStandardizeanddevelopsoftwareplatformsforsystemsbiologyresearchesTheorizationandDemonstrationofMolecularReactionInCellularSystemUnderstandingRobustnessofCellularSystemanditsControlMechanism18第1章系统生物学概况1.2系统生物学的定义和研究内容Hood(2004)定义: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，并通过计算生物学建立数学模型来定量描述和预测生物功能、表型和行为的学科。“系统生物学”(systemsbiology)一词，检索美国NIH的PubMed文献库最早出现在ZieglgansbergerW和TolleTR于1993年发表的一篇神经系统疾病研究的论文摘要中。19第1章系统生物学概况1.2系统生物学的定义和研究内容日本系统生物研究所（SBI）:系统生物学是生物学的一个新领域，其目的在于在系统层次上理解生物系统，力求阐述作为一个系统的生物系统，特别是“系统结构的阐述”、“系统行为的分析”、“控制系统的方法”和“如何设计系统”20第1章系统生物学概况1.2系统生物学的定义和研究内容系统生物学是在细胞、组织、器官和生物体水平上研究结构和功能各异的生物分子及其相互作用，并通过计算生物学定量阐明和预测生物功能、表型和行为。系统生物学将在基因组测序基础上完成DNA序列到生命的过程，这是逐步整合、优化的过程，系统生物学的发展预计需要一个世纪或更长的时期，因此常把系统生物学称为“21世纪的生物学”——杨胜利院士（2004）21SystemsBiology:FromOmicstoMathematicModels22整合integration——系统生物学的灵魂信息information——系统生物学的基础干涉perturbations——系统生物学的钥匙第1章系统生物学概况系统生物学的特征1.2系统生物学的定义和研究内容23第1章系统生物学概况（1）整合1.2系统生物学的定义和研究内容1.系统内不同性质的构成要素（基因、mRNA、蛋白质、生物小分子等等）的整合2.从基因到细胞、到组织、到个体的各个层次的整合3.研究思路和方法的整合4.学科的整合（“干”-“湿”整合）24第1章系统生物学概况（2）信息1.2系统生物学的定义和研究内容前分子生物学时代生命是活力分子生物学时代生命是机器后基因组时代生命是信息蛋白质相互作用网络DNAmRNA蛋白质细胞组织/器官个体生命系统的信息流向25第1章系统生物学概况（3）干涉（Perturbation)1.2系统生物学的定义和研究内容系统地、定向地、高通量的进行干涉干涉主要分为从上到下(top-down)或从下到上(bottom-up)两种。从上到下,即由外至里,主要指在系统内添加新的元素,观察系统变化。从下到上,即由内到外,主要是改变系统内部结构的某些特征,从而改变整个系统,如利用基因敲除,改变在信号传导通路中起重要作用的蛋白质的转录和翻译水平。26NetworksGeneregulationnetworksSignaltransductionnetworksMetabolicnetworksGlobalnetworks2020/7/1827GlobalRegulatoryCircuitsProfoundlyInfluenceProductivitySS1S2S3S4S5PinI2I3I1E4E3E2E1PoutEnvironmentalInputs(C,N,pH,pO2,PO4,etc.)GlobalRegulatoryCircuitryMorphology,proteinsecretion,transport,osmolarity,etc.MICROBIA28Estimatingandstudyingmoleculesandtheirinteractionsinbiologicalsystemsatgloballevel.Elucidatingandpredictingquantitativelybiologicalprocessandbehaviour.ChanginglifesciencefromdescriptivesciencetopredictivescienceBiologicalresearchstructurebecomesintegrationoflargescientificengineering(Omics)andsmalllaboratory.第1章系统生物学概况1.2系统生物学的定义和研究内容29第1章系统生物学概况1.2系统生物学的定义和研究内容Systemicintegrationofwetandinsilicoexperimentsfordevelopingimprovedmicroorganismsforindustrialapplicationsinsystemsbiotechnology.High-throughputexperimentsleadtotheaccumulationoflargeamountsofx-omes(i.e.genome,transcriptome,proteome,metabolomeandfluxomedata),whichcanbeanalyzedinconjunctionwithinsilicomodellingandsimulationresults,facilitatingthestrainimprovementthroughthesystemsbiotechnologicalresearchcycleTrendsinBiotechnology200530基因表达系统生物学1，2，3，n组学（发现的科学）基因（蛋白质）基因克隆基因突变蛋白质结构蛋白质相互作用酶活力实验生物科学（假设驱动的科学）第1章系统生物学概况1.3系统生物学的研究方法31第1章系统生物学概况High-throughputomicsresearch“发现的科学”(discoveryscience)1.3系统生物学的研究方法32第1章系统生物学概况1.3系统生物学的研究方法“假设驱动的科学”(hypothesis-drivenscience)33第1章系统生物学概况1.3系统生物学的研究方法“假设驱动的科学”(hypothesis-drivenscience)34第1章系统生物学概况1.3系统生物学的研究方法系统生物学的基本工作流程(1.实验性方法)(1)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。(2)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。(3)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。(4)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