21世纪的生命科学新趋势=系统生物学

Embryonic localization patterns of GFP-tagged fusion proteins analysed by time-lapse microscopy are largely consistent with model predictions
局域分析学派
（Partial-analysis school）
Science, 2001, 292:929
第一步
给出起始模型
第二步
系统地突变9个果糖代谢基因、在二种生长条件下分析 6200个基因的表达谱，并检查蛋白质的差异表达谱
（997个基因显著差异）
（289个蛋白质显著差异）
第三步
把已测定的基因、蛋白质数据与起始模型进行整合
第四步 形成新的假设，然后重复第二、三、四步骤
Citric acid cycle
Metabolome
Proteome
Genome
研究对象：各种层次的整合
研究策略：小科学与大科学的整合
实验生物科学 （假设驱动的科学）
酶活力
系统生物学
蛋白质相互作用
蛋白质结构 基因表达 基因突变 基因克隆
基因 （蛋白质） 1， 2， 3，
组学 n （发现的科学）
1990
时间
系统生物学的主要特征
系统生物学
(Systems Biology)
系统生物学是系统性地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，并分 析生物系统在一定时间内的动力学过程。
研究对象：各种生物分子的整合
Transcriptome
研究策略：实验科学与理论科学的整合
实验科学 分子生物学 细胞生物学 基因组学 蛋白质组学 ·· ·· ··
系 统 生 物 学
理论科学 数学 计算科学 信息科学 理论物理学 ·· ·· ··
系统生物学的基本工作流程
选择可控生物系统
定性和定量的测量
计算和数学建模
系统生物学的典型案例
Integrated Genomic and Proteomic Analyses of a Systematically Perturbed Metabolic Network
系统生物学的学派
科学中存在着不同的研究学派
本体论：
关注事物的不同性质
方法论：
选择不同的研究策略
整体分析学派
（Global-analysis School）
系统生物学就是应用生物的、遗传的或化学的方法系统 地干扰生物系统，检测所有相关基因、蛋白质和信号 通路的反应，整合这些数据，并最终建立数学模型以描 述系统的结构和对外部作用的反应。 —— L. Hood
experimental data (red) stochastic model data (blue)
Repressor-only system
Inducer: dashed lines
Activator-only system
Repres–activat system
预测与检验
To test model’s predictive power in a more complex system, positive feedback was added to the repressor–activator system
输入
综合性研究
输出
分析性研究 经典生物实验科学
输入
A
(基因/ 蛋白质)
B
(基因/ 蛋白质)
输出
分析+综合研究 系统生物学
输入
输出
系统生物学是21世纪生命科学革命的代表
人类基因组计划
科 学 家 对 自 然 界 的 认 识 程 度
中心法则的发现 分子生物学的诞生
系统生物学的诞生
常规科学
常规科学
1950
认识论
目标小
方法论
视野小
基因克隆技术
蛋白质结构分析技术
还原论面临挑战：如何研究和理解生命复杂系统
从人类基因组计划到后基因组时代
生命科学中的“大科 学”
认识论
目标大
方法论
视野大
生命科学领域的“小科学”与“大科学”之 关系
小科学
大科学
系统生物学
系统生物学是认识生命复杂系统的新角度
传统生物科学 （中国传统医学）
未来的系统生物学: 综合学派
综合学派的核心：计算生物学
Baidu Nhomakorabea
结束语
——走向真正的科学
物理学
物理现象的观测
经 验 阶 段 理 性 阶 段
生命科学
生命现象的观测
经 验 阶 段 理 性 阶 段
物理学的描述
数学的描述
F=ma E=MC2
生物学的描述
数学的描述
？
Thank You!
21世纪的生命科学新趋势
——系统生物学
吴家睿
中国科学院上海生命科学研究院 中国科学技术大学系统生物学系
21世纪的生命科学趋势
生命科学领域的“小科学”与“大科学”之 关系
Nature, 2004 432:A18
现代生物学家眼中的生命——还原论观点
个体水平：
细胞水平：
分子水平：
蛋白质
DNA
生命科学中的“小科 学”
我个人更倾向于系统生物学的另一种研究方式。这是一 种很小范围的研究；它与高通量生物学的全局性分析完 全是一种互补关系，并涉及到合成生物学（Synthetic biology), 其目标是要重构和描述同样是复杂系统的某个 局部。 M. W. Kirschner
局域分析学派的研究对象：基序/模块
基序（Motif）
网络 (Network)
模块（Module）
局域分析学派的研究策略：合成生物学
局域分析学派的典型案例
A bottom-up approach to gene regulation
Nature 2006, 439:856
“自下而上”的理论设 计
实验与理论的结合
Unregulated system
三类实验数据的计算生物学整合
(by RNAi)
线虫 (C. elegans)
三类实验数据相关性的分析
建立整合了三种数据的早期发育网络
661 EE genes 31,173 edges -0.9/node (Int)
-5.0/node (Tr)
-44/node (Ph)
早期发育网络的分析
实验检测未知基因的预期的位置
整体分析学派的研究策略：组学
整体分析学派的研究对象：完整的生物系统
酵母蛋白质相互作用网络
整体分析学派的典型案例
Predictive models of molecular machines involved in C. elegans early embryogenesis
Nature, 2005, 436:861