系统生物学第一章系统生物学概况.ppt
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1、系统生物学System Biology1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,2007。系统生物学基础 日 北野宏明 编;刘笔锋,周艳红等译,化学工业出版社,2007。系统生物学:哲学基础 荷 布杰德 等编著;孙之荣等译,科学出版社,2008。系统生物学,张自立,王振英 编著,科学出版社,2009。系统生物学导论:生物回路的设计原理尤.阿隆 著,王翼飞 等译,化学工业出版社,2010。2English BooksKlipp E.etc.Systems Biology:A Textbook,Wiley-VCH,2009 Alberghina L.
2、&Westerhoff H.V.(Eds.)Systems Biology:Definitions and Perspectives(Topics in Current Genetics),Springer-Verlag Berlin Heidelberg,2005.Palsson B.O.Systems Biology:Properties of Reconstructed Networks,Cambridge University Press,2006.Konopka A.K.Systems Biology:Principles,Methods,and Concepts,CRC Press
3、,2006.Kriete A.&Eils R.(Eds.)Computational Systems Biology,Elsevier Academic Press,2006.Wilkinson D.J.,Stochastic Modelling for Systems Biology,CRC Press,2006.Sangdun Choi(Eds.)Introduction to Systems Biology,Humana Press,2007.Frederick B.Marcus,Bioinformatics and Systems Biology:Collaborative Resea
4、rch and Resources,Springer-Verlag Berlin Heidelberg,2008.Nakanishi S.etc.(Eds.)Systems Biology:the Challenge of Complexity,Springer Tokyo Berlin Heidelberg New York,2009.McDerMott Jason etc.(Eds.)Computational Systems Biology(Springer Protocals:Methods in Molecular Biology),Humana Press,2009.Oleg De
5、min&Igor Goryanin,Kinetic Modelling in Systems Biology,CRC Press,2009.3第一章 系统生物学概况4什么是系统生物学(systems biology)?5人类认识世界的两种方法论p Reductionism(还原论)p Holism(整体论)RENE DESCARTES(1595-1650)I am thinking therefore I exist.Jan Smuts(1870-1950)“Holism and Evolution”6生命是一个多层次、多功能的复杂架构体系。研究其运动变化规律的科学称之为生物科学或生命科学。长
6、久以来,科学家从群体、个体、细胞、分子等不同层次,以及形态解剖、生理生化、遗传发育、免疫、种群、进化等不同侧面探索者生命运动规律。7所有生命都来自共同的祖先所有生命都来自共同的祖先C.Darwin8不不同同的的有有机机体体遵遵循循着着统统一一的的规规律律9DNA是实现生命繁衍的基本大分子是实现生命繁衍的基本大分子10繁殖就是将繁殖就是将DNADNA双螺旋传给后代双螺旋传给后代11不同结构的蛋白质负责不同的生命活动不同结构的蛋白质负责不同的生命活动酶酶运动蛋白运动蛋白血红蛋白血红蛋白12不同氨基酸序列的蛋白质具有不同的空间结构不同氨基酸序列的蛋白质具有不同的空间结构13蛋白质是由蛋白质是由202
7、0种氨基酸连成的生物大分子种氨基酸连成的生物大分子14蛋白质的形成倚赖蛋白质的形成倚赖DNADNA上的遗传信息上的遗传信息15遗传密码(三个碱基)决定一种氨基酸遗传密码(三个碱基)决定一种氨基酸16基因就是含有遗传密码的一段基因就是含有遗传密码的一段DNADNA序列序列起始位置起始位置结束位置结束位置基因基因17基因1基因2蛋白质蛋白质1 1蛋白质蛋白质2 2一个基因决定一种蛋白质一个基因决定一种蛋白质18转录:转录:解读解读基因的语言基因的语言19翻译:根据遗传密码决定蛋白质的氨基酸序列翻译:根据遗传密码决定蛋白质的氨基酸序列20现代生命科学的现代生命科学的“中心法则中心法则”DNADNA信
8、息信息 RNA RNA解读解读 蛋白质蛋白质产品产品生命活动生命活动用途用途21现代生物学家眼中的生命现代生物学家眼中的生命还原论观点还原论观点个体水平个体水平细胞水平细胞水平DNA分子水平分子水平蛋白质蛋白质 生命与非生命没有本质上的不同,它生命与非生命没有本质上的不同,它们都遵循着统一的物理化学规律。们都遵循着统一的物理化学规律。22现代生命科学的特征现代生命科学的特征l简单化简单化l线性化线性化l定性化定性化l实验化实验化23小结一直以来,人们在研究生物体系统时,都是采取还原论(reductionism)方法,分别对系统的单个组成元素进行独立的分析研究。目前为止,还原论的研究已经取得了大
9、量的成就,在细胞甚至在分子层次对生物体都有了很具体的了解,但对生物体整体的行为却很难给出系统、圆满的解释。生物科学还停留在实验科学的阶段,没有形成一套完善的理论来描述生物体如何在整体上实现其功能行为。24还原论及其局限性奠基人:笛卡尔分析-重构方法主导地位:分析、分解、还原400年来,创造了一套可操作的科学方法面临的巨大问题:复杂系统,用认识的叠加方法,不宜发现整体的“涌现性”。从宇宙、生物圈、动物界、植物界,到个体,器官、组织、细胞、细胞器、DNA、基因片段 DNA双螺旋结构的发现以及随后的基因突破已经抵达到有机生命与无机物质的拐点,还原论在生命科学领域里所承担的使命大致已经终结。25传统思
10、路:信号通路 实际情况:信号网络26人类认识世界的两种方法论p Reductionismp HolismRENE DESCARTES(1595-1650)I am thinking therefore I exist.Jan Smuts(1870-1950)“Holism and Evolution”27基因组基因组(Genome)载有细胞或生物个体的全套遗传载有细胞或生物个体的全套遗传信息的全部遗传物质信息的全部遗传物质原核生物基因组:原核生物基因组:1.5Mb(1500个基因个基因)8Mb(7500个基因个基因)古细菌基因组:古细菌基因组:1.5Mb(1500个基因个基因)3Mb(2700
11、个基因个基因)真核生物基因组真核生物基因组细胞核基因组:细胞核基因组:1.3X107kb(6千个基因千个基因)3.3X109kb(4万个基因万个基因)线粒体基因组:线粒体基因组:16kb(13个基因个基因)399kb(34个基因个基因)叶绿体基因组:叶绿体基因组:120kb(87个基因个基因)190kb(183个基因个基因)基因组是什么?基因组是什么?“基因组基因组后基因组后基因组”时代时代28人类基因组人类基因组23条染色体:条染色体:3.3X109bp常染色质:常染色质:2.9X109bp异染色质:异染色质:0.4X109bp基因数:基因数:2万万2万万5千千1.5%1.5%序列用于编码基
12、因序列用于编码基因29人类基因组计划人类基因组计划HGP30人类基因组计划的意义(人类基因组计划的意义(1 1)催生了催生了组学组学(Omics)的研究)的研究基因组学基因组学(Genomics)功能基因组学功能基因组学(FunctionalGenomics)转录组学转录组学(Transcriptomics)蛋白质组学蛋白质组学(Proteomics)代谢组学代谢组学(Metabolomics)31人类基因组计划的意义(人类基因组计划的意义(2 2)32生物信息学生物信息学计算生物学计算生物学促进了交叉学科的发展促进了交叉学科的发展人类基因组计划的意义(人类基因组计划的意义(3 3)33认识论
13、认识论目标大目标大方法论方法论视野大视野大形成了生命科学的形成了生命科学的“大科学大科学”人类基因组计划的意义(人类基因组计划的意义(4 4)34高通量低成本测序技术:个性化医学的基础高通量低成本测序技术:个性化医学的基础20002000年:年:1 1万美金测序费万美金测序费/百万碱基百万碱基20102010年:年:1 1美金测序费美金测序费/百万百万碱基碱基个个体体化化在近五年内,将实现一个人的全基因组测序费用不在近五年内,将实现一个人的全基因组测序费用不超过超过10001000美金;到美金;到20202020年,测序费用还将大大降低。年,测序费用还将大大降低。35个体基因组计划个体基因组计
14、划36美国个体基因组计划美国个体基因组计划lDiploid genome sequencinglPersonal genome sequencing37英国10K项目是,Wellcome Trust在三年内支持1000万英镑,测定10000个人的基因组序列,旨在找出与肥胖和精神分裂症等疾病相关的罕见基因变异。英国万人基因组计划英国万人基因组计划(UK10K)l4000名英国人的全基因组序列,其中一半是针对英国的双名英国人的全基因组序列,其中一半是针对英国的双胞胎来进行的,另一半则是针对父母与子女来开展。胞胎来进行的,另一半则是针对父母与子女来开展。l6000个人则只是测定其外显子序列。参与外显
15、子测序的人个人则只是测定其外显子序列。参与外显子测序的人都得有都得有“特别突出的表型特别突出的表型”,这样就有利于将某一多基因相,这样就有利于将某一多基因相互作用疾病定位到特定的基因上。其中,互作用疾病定位到特定的基因上。其中,2000人是极度的肥人是极度的肥胖;胖;3000人患有神经元发育障碍;另外人患有神经元发育障碍;另外1000人则患有先天性人则患有先天性心脏病等比较稀少的疾病。心脏病等比较稀少的疾病。38Generate antigenGenerate antigenGenerate specific Generate specific antibodiesantibodiesa b
16、c d a b c d In vitro In vitro protein profilingprotein profiling In vivo In vivo protein profilingprotein profiling Isolation of Isolation of protein complexesprotein complexesProteinProteinchip chip Isolation of Isolation of native proteinnative protein Structure Structure Structure Structure Modif
17、ication Modification Modification Modification Biochemistry Biochemistry Biochemistry BiochemistryThe Human Proteome Resource(HPR)program利用抗体系统地检测人类蛋白质组利用抗体系统地检测人类蛋白质组Prof.Mathias UhlenRoyal Institute of Technology Sweden39生命进化与转录组生命进化与转录组40非编码非编码RNA:复杂性的源泉复杂性的源泉41后基因组时代后基因组时代42酵母的基因功能网络酵母的基因功能网络后基因
18、组时代的生命观:复杂系统后基因组时代的生命观:复杂系统43后基因组时代的生命观:复杂系统后基因组时代的生命观:复杂系统细细胞胞信信号号转转导导网网络络44神经网络神经网络后基因组时代的生命观:复杂系统后基因组时代的生命观:复杂系统45人类基因组终生在变化人类基因组终生在变化 美国约翰霍普金斯大学医学院研究了个体的基因组内美国约翰霍普金斯大学医学院研究了个体的基因组内的的DNA甲基化变化。甲基化变化。DNA样本来自冰岛大约样本来自冰岛大约600个人,分别于个人,分别于1991年和年和2002年至年至2005年间采得。研究人员测量了年间采得。研究人员测量了111个样本中每个个样本中每个样本的样本的
19、DNA甲基化总量,并比较了同一个人的采自甲基化总量,并比较了同一个人的采自2002年至年至2005年间和年间和1991年的年的DNA甲基化总量。甲基化总量。结果发现,在这大约结果发现,在这大约11年的时间跨度中,大约三分之年的时间跨度中,大约三分之一个体的甲基化量发生了变化。不过变化的方向并不一个体的甲基化量发生了变化。不过变化的方向并不一致一致一些人的甲基化总量增加,另一些人的则发一些人的甲基化总量增加,另一些人的则发生丢失。生丢失。JAMA 200946传统生物科学传统生物科学(中国传统医学)(中国传统医学)输入输入输出输出经典生物实验科学经典生物实验科学输入输入输出输出A(基因基因/蛋白
20、质蛋白质)B(基因基因/蛋白质蛋白质)系统生物学系统生物学输入输入输出输出系统生物学是认识生命复杂系统的新角度系统生物学是认识生命复杂系统的新角度综合性研究综合性研究分析性研究分析性研究分析分析+综合研究综合研究47系统生物学是系统生物学是2121世纪生命科学革命的代表世纪生命科学革命的代表科科学学革革命命科科学学革革命命常规科学常规科学常规科学常规科学科科学学家家对对自自然然界界的的认认识识程程度度中心法则的发现中心法则的发现分子生物学的诞生分子生物学的诞生系统生物学的诞生系统生物学的诞生人类基因组计划人类基因组计划19501990时间时间4849经典生命科学经典生命科学 l 简单化简单化l
21、 线性化线性化l 定性化定性化l 实验化实验化系统生物学系统生物学 l 复杂化复杂化l 网络化网络化l 定量化定量化l 理论化理论化经典生命科学与系统生物学之比较经典生命科学与系统生物学之比较50物理学物理学物理现象的观测物理现象的观测数学的描述数学的描述F=maE=MC2物理学的描述物理学的描述经经验验阶阶段段理理性性阶阶段段生命科学生命科学生命现象的观测生命现象的观测数学的描述数学的描述?生物学的描述生物学的描述经经验验阶阶段段理理性性阶阶段段51系统生物学系统生物学(Systems Biology)定义定义:系统生物学是系统性地研究一个生物:系统生物学是系统性地研究一个生物系统中所有组成
22、成分(基因、系统中所有组成成分(基因、mRNAmRNA、蛋白质等)、蛋白质等)的构成以及在特定条件下这些组分间的相互关的构成以及在特定条件下这些组分间的相互关系,并分析生物系统在一定时间内的动力学过系,并分析生物系统在一定时间内的动力学过程。程。52系统的思想(相互作用着的整体)中国古代哲学辩证唯物主义:物质世界是由无数相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的事物和过程所形成的统一整体-马克思、恩格斯53 系统生物学从系统水平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,通过多种组学的联合以及计算生物学来 定量阐明和预测定量阐明和预测生物的功能、表型和
23、行为。Systems biology is a discipline to study the spatial-temporal interactions of components in different levels of biological systems,seeking to find the laws in the organization principles,dynamic behaviors and emergent properties of such biological systems.54系统生物学的分类组学OMICS基因组学转录组学蛋白质组学糖组学脂质组学代谢组学
24、表观遗传组学宏基因组学计算系统生物学55近几十年来发展最为近几十年来发展最为迅速的生物科学迅速的生物科学21世纪的生物学世纪的生物学分子水平,系分子水平,系统生物学的基统生物学的基础础整合性整合性的大科学的大科学分子生物学分子生物学系统生物学系统生物学系统生物学与分子生物学56 分子生物学 与 系统生物学还原主义还原主义将生物学还原到将生物学还原到分子水平分子水平 整体主义整体主义从从系统层次系统层次上理解生物系统上理解生物系统研究对象是研究对象是生物系统的组成部分生物系统的组成部分(个别基因、个别蛋白质个别基因、个别蛋白质)研究对象是研究对象是组成部分的相互作用或部分之间组成部分的相互作用或
25、部分之间关系关系本质上就是信息本质上就是信息 57 分子生物学 与 系统生物学侧重从实验中侧重从实验中获取数据获取数据实验实验数据的挖掘数据的挖掘(datamining)实验的深层次成果往往被忽视实验的深层次成果往往被忽视 获得深层次成果,获得深层次成果,理论创新理论创新58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范式的转变59“系统论是还原论和整体论的辩证统一”-钱学森对还原论的超越Nature,Volume 7,November 2006 601948年,控制论之父Norbert Wiener提出生物系统和控制系统可以用同样的科
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- 系统 生物学 第一章 概况
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