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1、系统生物学简述 中国医学科学院放射医学研究所 2005.11.23 什么是系统生物学？ 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 分间的相互关系的学科，是以整体性 研究为特征的一种科学。 Dr. Leroy Hood Hiroaki Kitano（北野宏明） 系统统生物学的历历史 中医天人合一的黑箱 1933 Cannon 稳态 学说 1948 Wiener 生物控制论 1968 Ludwig von Bertalanffy 总体系统论 1999 美国科学家 Leroy Hood The Institute for Systems
2、Biology(ISB) 各国系统统生物学研究计计划 1.美国国家能源部提出基因组到生命（ Genomes To Life）计划 2.日本ERATO研究组提出的系统组 （ Systome）计划 3.德国政府启动的3MEURO计划 4.韩国提出了系统生物学计划 我国的系统统生物学 1.2003年，生物物理研究所率先在国内 组建的专门 研究系统生物学的机构系 统生物学研究中心。 2.2005年，上海系统生物医学研究中心 在上海交通大学成立。 3.2005年，中国科技大学与上海生命科学 研究院合作成立国内第一个系统生物学 系，共同培养和及早储备 世纪生物 学研究发展所需要的未来人才。 研 究 内 容
3、 1.系统结统结 构的识别识别 和研究 （System Structure） 这包括基因相互作用网络、生化代谢 途径以及这些相互作用以何种机制调 节生物系统的研究等内容。 2.系统统的动态动态 特征分析 （System Dynamics） 要研究生物系统在不同条件下不同时间 不同条件的行为，要对生物系统进 行代 谢分析，敏感性分析，动态 分析等等从 而发现 生物系统的特定行为的机理机制 。 3.系统统的控制方法 （The Control Method） 系统能够控制一个细胞状态使得细胞功 能受损最小，通过研究可以为疾病治疗 提供潜在的药物靶标。 4.系统统的设计设计 方法 （The Desig
4、n Method） 将生物系统利用仿真、模拟等方法设计 ，最终达到建立数据系统模型的目的。 系统统生物学的灵魂整合 系统生物学与基因组学、蛋白质组 学等 各种“组学”的不同之处在于：它是一种 整合型大科学。 需要一套原理和方法将系统内部各个组 分的行为（behaviors）与系统的特性及 功能连接起来。 避免机械唯物主义，1+1=3（系统科学的 核心思想是：“整体大于部分之和”） 首先，它要把系统内不同性质的构成要素（ 基因、mRNA、蛋白质、生物小分子等）整 合在一起进行研究。 系统生物学研究所第一篇论文：整合酵母的 基因组分析和蛋白质组分析，研究酵母的代 谢网络（Ideker T,Scie
5、nce,2002） 其次，对于多细胞生物而言，系统生物学要 实现从基因到细胞、到组织、到个体 的各个层次的整合。 经典的分子生物学研究垂直型的研究。 基因组学、蛋白质组学和其他各种“组学”水平型研究 。 系统生物学的特点把水平型研究和垂直型研究整合起 来，成为一种“三维”的研究。 Protein Genes Genes Proteins Transcriptions O M I C s System Biology Genes Protein Genomics Proteomics 系统统生物学的基础础信息 生物学是一门信息科学： 生物学研究的核心基因组组是数字化 的； 生命的数字化核心表现为
6、 两大类型的信 息，第一类信息是指编码 蛋白质的基因 ，第二类信息是指控制基因行为的调控 网络； 生物信息是有等级次序的，而且沿着不 同的层次流动。 系统统生物学的钥钥匙干涉 系统生物学一方面要了解生物系统的结构 组成，另一方面要揭示系统的行为方式。 相比之下，后一个任务更为重要。 系统生物学研究状态下，揭示出特定的生 命系统在不同的条件下和不同的时间里具 有什么样的动力学特征。所研究的并非一 种静态的结构，而是要在人为控制的状态 下，揭示出特定的生命系统统在不同的条件下 和不同的时间时间 里具有什么样样的动动力学特征 系统统生物学中的干涉特点 首先，这些干涉应该是有系统性的，如酵母果糖代谢的
7、9 个基因逐一进行突变，研究在每一个基因突变下的系统变 化。 其次，系统生物学需要高通量的干涉能力，如高通量的遗 传变异。 系统生物学既需要“发现的科学”，也需要“假设驱动 的科 学”。先选择一种条件（干涉），然后利用“发现的科学”的 方法，对系统在该条件下的所有元素进行测定和分析；在 此基础上做出新的假设，然后再利用“发现的科学”研究手 段进行新研究。这两种不同研究策略和方法的互动和整合 ，是系统生物学成功的保证。 Date Acqusition High-throughput “omica” data Global Databases Analysis Modules Network Re
8、finement Hypothesis Generation Network Visualization/ Modeling 网络络模型反复完善图图示 仿真和分析 仿真是对系统的所有内容如基因和代 谢网络、染色体的高水平结构、蛋白 质之间的相互作用等等变成数据流最 终成为数学模型。 参数优化方法需要考虑全局/局部最小 值，找到全局优化的设计 。 基于现有算法的改进方法。 系统生物学研究中的问题 1.数据的质量及标准化 2.生物网络研究 3.鉴定和定量不同类型分子 4.缩小与自动微流学/纳米技术平台 5.在单个细胞内进行动力空间多参数检测 系统生物学研究中的独特问题 1.团队合作，合理评价及所有
9、权 （Teamwork, Fair Credit, Data Ownership ) 2.技术通路缺乏 (Access to Technology) 3.基金问题 (The Problem of Funding) 系统统生物学的应应用 在新药开发方面，现有的药物大多数 特异性差、不良反应较 多.而系统生物 学通过创 建细胞调节 网络的详细 模 型，为基于机理的药物发现 ，提供了 深层次的理解，不但能较准确预测药 物所产生的副作用，而且可能针对 某 一患者设计 某一药物，这样 将有助于 推进建立个性化用药机制。 在疾病预防方面，系统生物学可以针对每 个病人精确的系统动力学可以改变药物设 计和治疗
10、程序，采用系统的最优化原则达 到最佳化治疗效果。同时通过复杂的系统 互学模型对疾病能做出准确的预测。 系统生物学通过系统仿真、控制、虚拟现 实等技术为器官克隆提供全新方法，还有 更多方面的应用，如通过对农作物的设计 和重构优化农作物品种，提升传统生物技 术并开拓能源生物技术、材料生物技术和 环境生物技术等新领域。 ISB对系统生物学的描述 系统生物学的具体研究 Discovering Regulatory and Signalling Circuits in Molecular Interaction Networks Trey Ideker 2002 在这篇论文中,评价了酵母菌公共数据库一 个包含4160个基因和7462p-p和p-d相互作 用的大网络以及一个包含332个基因和 362个相互作用的小网络. 论文结论 在小网络中,从5个显著的次网中鉴定出 77个在表达中起主要作用基因中的 41(53%).这些分析复原到几个次网中得 到结果与其他调节 机制文献有很好的相 关性.这些结果表明了如何将大量基因路 径用系统、整合的方法来揭示信号与调 节通路。 知识回顾知识回顾 Knowledge Knowledge ReviewReview
