系统生物学方法课件

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1、11）这是一门为理、工、生、农、医类大学生、研究）这是一门为理、工、生、农、医类大学生、研究生和青年教师讲授的系统介绍系统生物学方法的课生和青年教师讲授的系统介绍系统生物学方法的课程。目标是对有兴趣投入研究的听众，能够在本课程。目标是对有兴趣投入研究的听众，能够在本课程后，程后，迅速进入前沿迅速进入前沿课题。因此，课程内容穿插了课题。因此，课程内容穿插了一些最新的研究成果。一些最新的研究成果。2）由于是方法，自然不是系统生物学的全面介绍，）由于是方法，自然不是系统生物学的全面介绍，既然是方法，当然又离不开应用的研究对象：生物既然是方法，当然又离不开应用的研究对象：生物系统。因此本课程不能系统地

2、研究生物系统，又必系统。因此本课程不能系统地研究生物系统，又必须要点地介绍其中的内容，以便表现特定方法的作须要点地介绍其中的内容，以便表现特定方法的作用和方法系统的意义。这里特称词汇用和方法系统的意义。这里特称词汇“方法系统方法系统”，其目的在于说明系统生物学方法不是各种实验、，其目的在于说明系统生物学方法不是各种实验、数学和计算机方法的简单汇总，而是正在形成独特数学和计算机方法的简单汇总，而是正在形成独特的方法体系，这正是本课程的意义。的方法体系，这正是本课程的意义。23）一个难点在于授课对象的专业既有理工科又有）一个难点在于授课对象的专业既有理工科又有生物医学类，如何让听众在同一门课程中都

3、能理解生物医学类，如何让听众在同一门课程中都能理解方法以及获得需要的知识？为此，课程内容的自足、方法以及获得需要的知识？为此，课程内容的自足、完备性完备性是必须的，也是困难的。解决的方法是假设是必须的，也是困难的。解决的方法是假设听众具有普通大学微积分和高等代数的基础，甚至听众具有普通大学微积分和高等代数的基础，甚至医学院校的数学基础也基本够用。此外，必须的数医学院校的数学基础也基本够用。此外，必须的数学与计算机的知识将在本课程中介绍。学与计算机的知识将在本课程中介绍。4）同样的理由，数学建模与数据分析的专门知识将）同样的理由，数学建模与数据分析的专门知识将在本课程中讲授，并重点讲授生物模型；

4、在本课程中讲授，并重点讲授生物模型；5）16次课不间断，期间王淑栋老师代课次课不间断，期间王淑栋老师代课1、2次，次，1月月16日结束。日结束。3第一篇引言第一篇引言 第第1章章 什么是系统生物学什么是系统生物学 第第2章章 系统生物学方法系统生物学方法第二篇第二篇 生物学与数学的基础生物学与数学的基础 第第3章分子细胞生物学基础章分子细胞生物学基础 第第4章章 分子生物学基础分子生物学基础 第第5章章 实验技术概论实验技术概论 第第6章章 重要数学基础概述重要数学基础概述第三篇第三篇 生物系统模型与方法生物系统模型与方法 第第7章章 数据整合方法与表示数据整合方法与表示 第第8章章 生物系统

5、与生物过程生物系统与生物过程 第第9章章 代谢系统代谢系统 第第10章章 信号传导系统信号传导系统 第第11章章 正向基因网络建模正向基因网络建模 第第12章章 逆向基因网络建模逆向基因网络建模 第第13章章 蛋白质组建模蛋白质组建模 第第14章章 发育与进化模型发育与进化模型 第第15章章 细胞生物学仿真细胞生物学仿真第四篇第四篇 数据库与工具软件数据库与工具软件 第第16章章 数据库与数据整合数据库与数据整合 第第17章章 网络与常用软件网络与常用软件4主要参考书：主要参考书：系统生物学基础，北野宏明编，化学工业出版系统生物学基础，北野宏明编，化学工业出版社社 2007年；原著年；原著20

6、01年，是世界上第一本系年，是世界上第一本系统生物学教材；统生物学教材；系统生物学的理论、方法和应用，系统生物学的理论、方法和应用，E.Klipp等，等，复旦大学出版社，复旦大学出版社，2007年，原著年，原著2005年。北野年。北野作序。作序。5第一章第一章 什么是系统生物学什么是系统生物学 作为人类基因组计划的作为人类基因组计划的发起人发起人之一，美国科学之一，美国科学家莱诺伊家莱诺伊胡德（胡德（Leroy Hood）也是系统生物学的组）也是系统生物学的组学（学（omics）生物技术开创者之一。）生物技术开创者之一。依据依据Hood的的定义定义:系统生物学是研究生物系统中所系统生物学是研究

7、生物系统中所有组成成分（基因、有组成成分（基因、mRNA、蛋白质等）的构成，、蛋白质等）的构成，以及在以及在特定条件特定条件下这些组分间的相互关系的学科下这些组分间的相互关系的学科。 也就是说，系统生物学不同于以往的实验生物也就是说，系统生物学不同于以往的实验生物学学仅关心个别的基因和蛋白质，它要研究仅关心个别的基因和蛋白质，它要研究所有所有的基因、的基因、所有所有的蛋白质、组分间的的蛋白质、组分间的所有所有相互关系。相互关系。6 正是在基因组学、蛋白质组学等新型大科学发正是在基因组学、蛋白质组学等新型大科学发展的基础上，孕育了系统生物学。反之，系统生物展的基础上，孕育了系统生物学。反之，系统

8、生物学的学的诞生诞生进一步提升了后基因组时代的生命科学研进一步提升了后基因组时代的生命科学研究能力。究能力。 正如胡德所说正如胡德所说：“系统生物学将是系统生物学将是21世纪世纪医学和生物学的核心驱动力医学和生物学的核心驱动力”。 胡德在胡德在1999年年底辞去了美国西雅图市华盛顿年年底辞去了美国西雅图市华盛顿大学的教职，与另外两名志同道合的科学家一起大学的教职，与另外两名志同道合的科学家一起创创立立了世界上第一个系统生物学研究所（了世界上第一个系统生物学研究所（Institute for Systems Biology）。）。 7美国美国科学科学周刊登载了系统生物学专集。该专集周刊登载了系统

9、生物学专集。该专集导论中的第一句话这样写道：导论中的第一句话这样写道：“如果对当前流行的、如果对当前流行的、时髦的关键词进行一番分析，那么人们会发现，时髦的关键词进行一番分析，那么人们会发现，系统系统高居在排行榜上。高居在排行榜上。”系统生物学的系统生物学的核心概念核心概念是系统是系统正是要研究系统，所以必须使用正是要研究系统，所以必须使用整合整合的方法。的方法。89第一节、系统生物学是生物学理论体系第一节、系统生物学是生物学理论体系 生命科学是人类最早研究的学科，从农业到生命科学是人类最早研究的学科，从农业到医学。但是早期是医学。但是早期是归纳归纳为主的方法，研究农业技术为主的方法，研究农业

10、技术提高产量，医学归纳出生病与诊断、治疗的规律性提高产量，医学归纳出生病与诊断、治疗的规律性的方法，等等。的方法，等等。 直到十六世纪末，显微镜的发现了使人们逐渐直到十六世纪末，显微镜的发现了使人们逐渐意识到不同的生物都是由形形色色的细胞构成的，意识到不同的生物都是由形形色色的细胞构成的，生物是层次构成的。开始了生物是层次构成的。开始了分析分析（特别对层次）的（特别对层次）的科学发展，直到二十世纪中叶的分子生物学，人类科学发展，直到二十世纪中叶的分子生物学，人类不仅积累了丰富的归纳的生物事实，而且开始对积不仅积累了丰富的归纳的生物事实，而且开始对积累的海量数据的分析。累的海量数据的分析。1.

11、归纳与分析归纳与分析10细胞水平：分子水平：DNA蛋白质生物系统分层结构生物系统分层结构个体水平：群体水平（种群与生态）群体水平（种群与生态）11生物学形成了今天理解的生物学形成了今天理解的层次层次： 为什么说生物没有理论？为什么说生物没有理论？真正的理论生物学是什么？真正的理论生物学是什么？但是生物学的理论框架是什么？但是生物学的理论框架是什么？种群（生态学）种群（生态学） 组织、器官与个体（农林医）组织、器官与个体（农林医）细胞（细胞生物学）细胞（细胞生物学）生物分子（分子生物学）生物分子（分子生物学）2. 生物的层级结构生物的层级结构123. 系统生物学的基本系统生物学的基本工作流程工作

12、流程：1）对选定的某一生物系统的所有组分进行了解和）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网络和代谢途径，以及细胞内和细胞间的作用机理等，以此构造出一个初步的理等，以此构造出一个初步的系统模型系统模型。 特别包含了特别包含了层级之间层级之间的关联结构模型。的关联结构模型。2）系统地改变系统地改变被研究对象的内部组成成分（如基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

13、，包括基因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，并把得到的有关化，并把得到的有关信息进行整合信息进行整合（系统与层级）。（系统与层级）。133）模型）模型现象求解现象求解、机理分析机理分析与与预测预测，把通过实验，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，并对初始模型进行对初始模型进行修正修正。4）根据修正后的模型的预测或假设，设定和实施）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，新的改变系统状态的实验，重复第二

14、步和第三步，不断地通过实验数据对模型进行修正和精练。不断地通过实验数据对模型进行修正和精练。 系统生物学的系统生物学的目标目标就是要得到一个理想的模型，就是要得到一个理想的模型，使其机理分析与理论对于现象的理论预测能够反使其机理分析与理论对于现象的理论预测能够反映出生物系统的真实性。映出生物系统的真实性。14如果说如果说理论理论是有一组公理或大前题基础上逻辑推演是有一组公理或大前题基础上逻辑推演产生预测与结论的模式，那么，产生预测与结论的模式，那么，DNA序列就是事实序列就是事实的最初的最初前题前题，而，而各层次各层次的事实前题中数据信息的整的事实前题中数据信息的整合、解读就是理论方法，由此可

15、以产生或解释全部合、解读就是理论方法，由此可以产生或解释全部生命世界。这就是系统生物学在做的事情，因此是生命世界。这就是系统生物学在做的事情，因此是生物学的理论体系。生物学的理论体系。4. 理论体系理论体系 对比对比理论物理，从工作流程可以看出，模型化理论物理，从工作流程可以看出，模型化和数学化成为基本的研究手段，这是理论生物学的和数学化成为基本的研究手段，这是理论生物学的开始。开始。系统生物学即是理论生物学的基本框架，研究模式：系统生物学即是理论生物学的基本框架，研究模式：数据分析数据分析 假设假设 建模建模 实验数据实验数据 理论输出理论输出15第二节、系统生物学是数据信息整合第二节、系统

16、生物学是数据信息整合1. 生物是信息系统生物是信息系统在前分子生物学时代：生物学家把生命视为具有特在前分子生物学时代：生物学家把生命视为具有特殊殊“活力活力”的有机体的有机体，遵循着无机界不存在的法则，遵循着无机界不存在的法则进行生命活动；进行生命活动；在分子生物学时代：研究者们把生命视为一架在分子生物学时代：研究者们把生命视为一架精密精密的机器的机器，由基因和蛋白质根据物理、化学的规律来，由基因和蛋白质根据物理、化学的规律来运转；运转；在后基因组时代：像胡德这类科学家，把生命视为在后基因组时代：像胡德这类科学家，把生命视为信息的载体信息的载体，一切特性都可以从信息的流动中得到，一切特性都可以从信息的流动中得到实现。实现。16胡德提出生物学为一门信息科学：胡德提出生物学为一门信息科学： 生物学与所有其他学科，如物理学、化学、地生物学与所有其他学科，如物理学、化学、地理学，是完全不一样的科学，因为生物学以外的学理学，是完全不一样的科学，因为生物学以外的学科都只能通过类比的方式（科都只能通过类比的方式（analog）进行分析。既）进行分析。既然生物学研究的核心是数字化的，因此生物学可以然生