系统生物学课件

系统生物学——生命科学的新领域

材料化学32班摘要：20世纪生物学从宏观到微观进步巨大，传统的分析还原的研究方法受到质疑。在此背景下，系统生物学是继基因组学、蛋白质组学之后一门新兴的生物学交叉学科。从系统角度来进行生物学研究逐步成为现代生物学研究方法的主流。在研究上，了解一个复杂的生物系统需要整合实验和计算方法、基因组学和蛋白质组学中的高通量方法为系统生物学发展提供大量的数据，计算生物学通过数据处理、模型构建和理论分析，成为系统生物学发展的一个必不可缺的、强有力的工具，已经在诸多医学前沿领域的研究中成为重要研究方法而被广泛应用。本文旨在阐述系统生物学的发展现状及其应用前景，希望能对广大相关领域的读者有所价值。关键词：计算生物学系统生物学蛋白质组学基因组学近代生物学发展现状：近代生物学研究主要是以分子生物学和细胞生物学研究为主。研究方法皆采用典型的还原论方法。目前为止，还原论的研究已经取得了大量的成就，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，没有形成一套完整的理论来描述生物体如何在整体上实现其功能行为，这实际上是还停留在牛顿力学思想体系的简单系统的研究阶段[2，3]。系统生物学的短板：对一个复杂的生物系统来说，研究基因和蛋白质是非常重要的，而且它将是我们系统生物学的基础，但是仅仅这些尚不能充分揭示一个生物系统的全部信息。这种研究结果只限于解释生物系统的微观或局部现象，并不能解释系统整体整合功能的来源，不能充分揭示一个生物系统的信息，且忽略了系统中各个层面的交互、支持、整合等作用,限制了生物学研究的发展。生物学的未来发展的问题：在近代生物学发展现状下，20世纪末人类基因组计划完成后，生物学领域的科学家都在考虑一个问题：未来生物学研究的方向在哪里？为此学术界也不乏辩论。得出的共识是：1.如何弄清楚单一生物反应网络，包括反应分子之间的关系、反应方式等；2.如何研究生物反应网络之间的关系，包括量化生物学反应及生物反应网络；3.如何利用计算机信息及生物工程技术进行生物反应，生物反应网络，乃至器官及生物体的重建。系统生物学的主要研究内容系统生物学的研究思路及特点系统生物学的研究方法当代系统生物学研究热点现阶段系统生物学存在的问题系统生物学系统生物学的研究思路及特点系统生物学识别目标生物系统中的各种因素，然后构架一个系统模型，在其中赋予这个生物系统能动性。在此模型中研究细胞、组织、器官和生物体整体水平，研究结构和功能各异的各种分子及其相互作用，并通过计算生物学来定量描述和预测生物功能、表型和行为。系统生物学最大的特点即整合。这里的整合主要包括三重含义。第一，把系统内不同性质的构成要素(DNA、mRNA、蛋白质、生物小分子等)整合在一起进行研究；

第二，对于多细胞生物，系统生物学要实现从基因到细胞、到器官、到组织甚至是个体的各个层次的整合。

第三，研究思路和方法的整合。经典的分子生物学研究是一种垂直型的研究，即采用多种手段研究个别的基因和蛋白质。而基因组学、蛋白质组学和其他各种“组学”则是水平型研究，即以单一的手段同时研究成千上万个基因或蛋白质。而系统生物学的特点，则是要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[6]。

返回实验性方法实验性方法主要是通过进行控制性的反复实验来理解系统[8，9]。首先明确要研究的系统以及所关注的系统现象或功能，鉴别系统中的所有主要元素，如DNA、mRNA、蛋白质等，并收集所有可用的实验数据，建立一个描述性的初级模型(比如图形的)，用以解释系统是如何通过这些元素及其之间的相互作用实现自身功能的。其次在控制其他条件不变的情况下，干扰系统中的某个元素，由此得到这种干扰情况下系统各种层次水平的一些数据，同时收集系统状态随时变化的数据，整合这些数据并与初级模型进行比较，对模型与实际之间的不符之处通过提出各种假设来进行解释，同时修正模型。最后设计不同的干扰，重复上面的步骤，直到实验数据与模型相一致为止。当代系统生物学研究热点基因表达、基因转换开关、信号转导途径，以及系统出现疾病的机制分析等四个方面是目前系统生物学研究的主要阵地。基因组医学后基因组的交叉学科研究细胞信号转导的研究基因组医学基因组医学(genomicmedicine)是以人类基因组为基础的生命科学和临床医学的革命。生命科学和临床医学结合，将人类基因组研究成果转化应用到临床实践中，是后基因组时代最重要的研究方向之一。人类基因组计划从完成和多种疾病相关的基因研究发现，迅速进入到蛋白质组学、染色体组和人类疾病基因的研究，通过单基因或复杂多基因疾病的相关基因研究和疾病易感因素分析，达到揭示基因与疾病的关系之目的；遗传背景与环境因素综合作用对疾病发生发展的影响；为疾病的诊断、预防和治疗、预后和风险预测提供依据。基因组医学将大大提高我们对健康和疾病状态的分子基础的认识，增强研制有效干预方法的能力。后基因组的交叉学科研究后基因组(post-genome)的交叉学科研究是目前生命科学研究的前沿。交叉学科是一个新的研究领域，范围非常广阔，如基因组、蛋白质组、转录组等等，从而出现许多新的交叉学科。细胞信号转导的研究细胞信号转导(signaltransduction)的研究是当前细胞生命活动研究的重要课题。细胞信号转导蛋白质组学是功能蛋白质组学的重要组成部分。系统地研究多条信号转导通路中蛋白质及蛋白质间相互关系及其作用规律，细胞信号转导通路网络化，其作用模式、通路、功能机制、调控多样化，细胞信号转导结构、功能、途径的异常在癌症、心血管疾病、糖尿病和大多数疾病中起重要作用。对细胞信号转导机制的了解，已成为创新药物、防病治病的关键。细胞信号转导不是一门单一学科，而是多种学科。现阶段系统生物学存在的问题目前的系统生物学研究还只是初步使用动力学建模方法来定量描述系统的动态演化行为，这种方法对简单巨系统是适用的，但是在运用到复杂适应性系统时就会表现出很多的局限性，有很多问题就不能解决。生物体系统的复杂程度超乎我们的想象，现阶段不宜研究整个生物体系统，可以从研究“小系统”(生物体中具有一定功能、相对独立的部分，将其看成一个“系统”)开始，当然如何正确地分析这个小系统本身也不是件易事。现有技术水平的限制分析水平的限制分析水平的限制系统的复杂性决定了全面分析的复杂性。人类基因组计划的实施提供了庞大的信息资源，已让人眼花缭乱，而对于较核苷酸复杂得多的蛋白质及代谢物等的分析将是更大的挑战。如何系统而详尽地为公共数据库中的信息加上注解，对这些复杂数据进行储存和分析将成为系统生物学发展的瓶颈。参考文献：[1]DicksonBJ,MoserEI.Neurobiologyofbehaviour[J].CurrOpinNeurobiol,2007,17(6):672-674.[2]WangKunren，XueShaobai，uuHuitu．CellBiology[M]．Beijing：BeijingNormalUniversityPress，1998．[3]朱玉贤，李毅．现代分子生物学[M]．北京：高等教育出版社，2001．[4]NottaleL,AuffrayC.Scalerelativitytheoryandintegrativesystemsbiology:2Macroscopicquantum-typemechanics[J].ProgBiophysMolBiol,2008,97(1):115-157.[5]RhoS,YouS,KimY,etal.Fromproteomicstowardsystemsbiology:integrationofdifferenttypesofproteomicsdataintonetworkmodels[J].BMBRep，2008，41(3):184-193.[6]吴家睿．系统生物学面面观[J]．科学杂志，2002,54(6):26-28.[7]PriceND,FoltzG,MadanA,etal.Systemsbiologyandcancerstemcells[J].JCellMolMed,2008,12(1):97-110.[8]BonneauR,ReissDJ,ShannonP,etal.TheInferelator:analgorithmforlearningparsimoniousregulatorynetworksfromsystems-biologydatasetsdenovo[J].GenomeBiol,2006,7(5):R36.[9]UllahM,WolkenhauerO.FamilytreeofMarkovmodelsinsystemsbiolog