系统生物学-第一章-系统生物学概况PPT课件

DNA样本来自冰岛大约600个人，分别于1991年和2002 年至2005年间采得。研究人员测量了111个样本中每个 样本的DNA甲基化总量，并比较了同一个人的采自 2002年至2005年间和1991年的DNA甲基化总量。
结果发现，在这大约11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 一致——一些人的甲基化总量增加，另一些人的则发 生丢失。
数学的描述 F=ma E=MC2
生物学的描述
.
数学的描述
？
51
Lunfish (dipnoi)
40
非编码RNA: 复杂性的源泉
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41
后基因组时代
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42
后基因组时代的生命观：复杂系统
酵母的基因功能网络
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43
后基因组时代的生命观：复杂系统
细 胞 信 号 转 导 网 络
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44
后基因组时代的生命观：复杂系统
神经网络
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45
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 的DNA甲基化变化。
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。
4000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。
6000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“特别突出的表型”，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，2000人是极度的肥 胖；3000人患有神经元发育障碍；另外1000人则患有先天性 心脏病等比较稀少的疾病。
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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。
系统生物学 System Biology
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1
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。
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传统思路：信号通路 实际情况：信号网络
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人类认识世界的两种方法论
Reductionism
Holism
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RENE DESCARTES (1595-1650) "I am thinking therefore I exist."
Jan Smuts (1870-1950) “Holism and Evolution”
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The Human Proteome Resource (HPR) program 利用抗体系统地检测人类蛋白质组
Generate antigen
Generate specific antibodies
In vitro
In vivo
Isolation of
protein profiling protein profiling protein complexes
线粒体基因组：16 kb (13个基因) ~ 399 kb (34个基因)
叶绿体基因组：120kb (87个基因) ~ 190kb (183个基因)
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28
人类基因组
23条染色体： 3.3X109 bp
常染色质： 2.9X109 bp 异染色质： 0.4X109 bp
基因数： 2万 ~ 2万5千 ~1.5%序列用于编码基因
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17
一个基因决定一种蛋白质
基因1
基因2
蛋白质1
蛋白质2
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18
转录： 解读基因的语言
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19
翻译：根据遗传密码决定蛋白质的氨基酸序列
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20
现代生命科学的“中心法则”
DNA
信息
RNA
解读
蛋白质
产品
生命活动
用途
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现代生物学家眼中的生命——还原论观点
个体水平
细生胞水命平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。
JAMA 2009
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46
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）
输入
综合性研究
输出
经典生物实验科学
输入
分析性研究
A B (基因/ 蛋白质)
(基因/ 蛋白质)
系统生物学
输入
分析+综合研究
.
输出
输出
47
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
系统生物学的诞生
科 中心法则的发现
个 体 化
在近五年内，将实现一个人的全基因组测序费用不 超过1000美金；到2020年. ，测序费用还将大大降低。35
个体基因组计划
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36
美国个体基因组计划
Personal genome sequencing Diploid genome sequencing
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37
英国万人基因组计划（UK10K）
27
“基因组——基后因基组因是组什”时么代？
基因组 (Genome)
载有细胞或生物个体的全套遗传信息的全部遗传物质
原核生物基因组：1.5Mb (1500个基因) ~ 8Mb (7500个基因)
古细菌基因组：1.5Mb (1500个基因) ~ 3Mb (2700个基因)
真核生物基因组
细胞核基因组：1.3X107kb ( 6千个基因) ~ 3.3X109kb (4万个基因)
• Oleg Demin & Igor Goryanin, Kinetic Modelling in Systems Biology, CRC Press, 2009.
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3
第一章 系统生物学概况
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4
• 什么是系统生物学（systems biology）？
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5
人类认识世界的两种方法论
Reductionism（还原论）
RENE DESCARTES (1595-1650) "I am thinking therefore I exist."
Holism （整体论）
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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。
• Kriete A. & Eils R. (Eds.) Computational Systems Biology, Elsevier Academic Press, 2006.
• Wilkinson D.J., Stochastic Modelling for Systems Biology, CRC Press, 2006.
学
家
分子生物学的诞生
对
自
然
界
的
认
识
程
度
1950
19. 90
时间48
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49
经典生命科学与系统生物学之比较
经典生命科学 简单化 线性化 定性化 实验化
.
系统生物学 复杂化 网络化 定量化 理论化
50
物理学
物理现象的观测
生命科学
生命现象的观测
经
理
验
性
阶
阶
段
段
经
理
验
性
阶
阶
段
段
物理学的描述
13%
2%
28% 85%
2%
70%
E. coli
82% 17%
0.5% Drosophila
Yeast S. cerevisiae
0.5% 1.5%
98%
Human
Coding (protein) RNA Non-codin. g
28% 71% 0.5% Nematode C. elegans
0.5% 0.01% 99.5%
• 长久以来，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。
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7
所有生命都来自共同的祖先
C. Darwin
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8
不 同 的 有 机 体 遵 循 着 统 一 的 规 律
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9
DNA是实现生命繁衍的基本大分子
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10
繁殖就是将DNA双螺旋传给后代
• 《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。
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2
English Books
• Klipp E. etc. Systems Biology: A Textbook, Wiley-VCH, 2009
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11
不同结构的蛋白质负责不同的生命活动
酶
运动蛋白
血红蛋白
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12
不同氨基酸序列的蛋白质具有不同的空间结构
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13
蛋白质是由20种氨基酸连成的生物大分子
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14
蛋白质的形成倚赖DNA上的遗传信息
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15
遗传密码（三个碱基）决定一种氨基酸
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16
基因就是含有遗传密码的一段DNA序列 基因
起始位置
结束位置
Protein Isolation of chip native protein
abcd
• Structure • Modification • Biochemistry
Prof. Mathias Uhlen
Royal Institute of Technology
. Sweden
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生命进化与转录组
• Alberghina L. & Westerhoff H.V. (Eds.) Systems Biology: Definitions and Perspectives (Topics in Current Genetics), Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2005.
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29
人类基因组计划 HGP
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30
人类基因组计划的意义（1）
催生了组学（Omics）的研究
➢基因组学 （Genomics）
➢功能基因组学 (Functional Genomics)
➢转录组学（Transcriptos）
➢代谢组学（Metabolomics）
• 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.
➢……
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人类基因组计划的意义（2）
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32
人类基因组计划的意义（3）
促进了交叉学科的发展
计算生物学
生物信息学
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人类基因组计划的意义（4）
形成了生命科学的“大科学”
认识论
方法论
目标大
视野大
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高通量低成本测序技术：个性化医学的基础
2000年： 1万美金测序费/百万碱基 2010年： 1美金测序费/百万碱基
• Sangdun Choi (Eds.) Introduction to Systems Biology, Humana Press, 2007.
• Frederick B. Marcus, Bioinformatics and Systems Biology: Collaborative Research and Resources, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008.
分子水平
蛋白质
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DNA
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现代生命科学的特征
简单化 线性化 定性化 实验化
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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。
• Palsson B.O. Systems Biology: Properties of Reconstructed Networks, Cambridge University Press, 2006.
• Konopka A.K. Systems Biology: Principles, Methods, and Concepts, CRC Press, 2006.