生物分子网络
生物大分子互作网络的基础和应用
生物大分子互作网络的基础和应用随着生物技术的发展，人们开始深入探讨生物大分子互作网络的构建和应用。
生物大分子包括蛋白质、核酸、多聚糖等，它们之间的互作网络关系密切，涵盖了生物学、化学、物理学等多个学科领域。
本文将从生物大分子互作网络的构建和应用两个方面讨论其基础和发展。
一、生物大分子互作网络的构建生物大分子互作网络是指在生物体内，大分子之间相互作用、相互影响而形成的网络。
构建这种网络需要获得大量的大分子互作数据，包括蛋白质-蛋白质、蛋白质-核酸、核酸-核酸等互作关系。
目前，常用的建立生物大分子互作网络的方法主要有以下几种：1.高通量筛选法：该方法利用高通量技术，对大量的生物大分子进行筛选和互作检测，从而得到大量的互作数据。
2.蛋白质结构拓扑分析法：该方法通过分析蛋白质结构中的拓扑结构，确定其互作关系。
当前，常用的蛋白质结构分析工具有Cluspro、ZDOCK等。
3.生物信息学方法：该方法利用生物信息学技术，挖掘生物大分子的互作网络。
例如，利用基因共表达分析，可以推测出蛋白质的互作关系。
以上方法在生物大分子互作关系的研究中发挥了重要的作用。
二、生物大分子互作网络的应用生物大分子互作网络的发展给医学和药物研究等领域带来了很多机会。
以下是其主要应用：1.药物研究：生物大分子互作网络的构建可以帮助药物研究的开发，为药物发现提供新的思路。
例如，可以通过网络分析，筛选出与疾病相关的蛋白质和化合物，有助于新药的开发。
2.疾病诊断：生物大分子互作网络还可以用于疾病的诊断。
通过分析疾病相关大分子的互作网络，可以发现关键的生物标志物，用于疾病的早期诊断。
3.生物信息学：生物大分子互作网络对于生物信息学领域的发展也有着重要的作用。
生物大分子互作网络的构建和分析可以为研究蛋白质功能、结构和进化等提供新的方法。
4.环境保护：生物大分子互作网络的研究还可以应用于环境保护。
通过分析生物大分子在环境污染物暴露下的影响，可以指导环境治理和保护。
第1,2章_生物分子网络方法及其在系统生物学中的应用
LUONAN CHEN RUI-SHENG WANG XIANG-SUN ZHANG
Osaka Sangyo University, Japan Renmin University of China, China Chinese Academy of Science, China
模板： 亲代DNA分子的两条链 原料： 游离的4种脱氧核苷酸（A、G、C、T） ★条件：
能量： ATP （呼吸作用提供） 酶： 解旋酶、DNA聚合酶等
1.1.2、1.1.3 基因表达： 转录( Transcription)和翻译(Translation)过程
在真核生物中,一个基因可以通过不同的剪接变异体来编码多 种蛋白质,也就是说,相同的pre-mRNA通过不同的外显子的排 列而产生不同的mRNA,称为选择性剪接.在原核生物中,基因很 少含有内含子,因此没有剪接. 在进行转录之前,DNA 的双螺旋结构需要解开,其本身是在染色 体上的,因此解旋的过程需要一些酶的参与.
Dynamics:
一生命是动态的,动态存在于生物体的每一个内阶段水平.
System:
在细胞组中,单个组件总是接收信号并输出信息.因而不同的细胞 之间可进行有规律的交流,这就调节了它们的集体行为.其所有的 成分一起缠绕成一个复杂的细胞系统,共同执行生物功能和系统 行为.不管是在原核还是真核生物中,系统行为的本质是对局部相 互作用做出的协同反应.
真核生物和原核生物之间的区别导致了这两种生物体中许多 细胞构建块和生命过程的巨大差异.但是真核细胞和原核细胞 都含有一个具有遗传性物质的的核区域. 细胞由四种基本类型的分子组成：小分子、DNA、RNA和蛋 白质.细胞中的小分子包括水、糖、脂肪酸、氨基酸和核苷 酸.它们要么是大分子（DNA、RNA、蛋白质）的基本组成部 分,要么是重要的独立单元,如信号转导和能量来源.大多数真 核生物和原核基因组都是脱氧核糖核酸（DNA）,但一些病毒 含有核糖核酸（RNA）基因组.DNA和RNA是由单体亚基链组 成的高分子大分子.
生物分子网络6
如果基因a和b有遗传互作，化合物F和b有化学遗 传互作，则很有可能是因为F抑制了基因a的产物
这对于认识药物的作用对象、功能、通路都是非 常有用的
Chemical Genetic Interactions
Chemical Genetic Interactions
Chemical Genetic Interactions
Multi-drug resistant genes
Multi-drug resistant genes
Comparison of GI and CGI Results
为什么不完全一致？
Clustering of CGI and GI profiles
估计酵母中的联合遗传网络大约有100,000 个互作。
对联合致死或致弱的关注
能够找到功能上相互互补的基因 能够找到参与致死性生物通路的基因 推测未知基因的功能 研究不同生物通路的关系 将遗传互做和其他类型的特征作比较，比如功能，
序列相似性，物理互做等…
遗传互作和其他基因对特征
Genes with same sub-cellular localization (p < 10−70).
生物学网络6
遗传互作
Genetic interaction (GI)是两个基因在逻辑上的互作，这种 互作能够影响到表型
遗传互作的类型 遗传互作的检测方法（SGA） 遗传互作与物理互作
遗传互作的类型
Z
遗传互作的类型
Synthetical lethal
Meet the following relationship
Gene pairs encoding homologous proteins (p < 10−22).
生物分子网络 第二章
第二章一.名词解释1.全局耦合网络：任意两个点之间都有边直接相连，完全连接。
2.最近邻耦合网络：每一个节点只和它周围的邻居节点相连。
3.星形耦合网络：有一个中心点，其余N-1个点都只与这个中心点连接4.均匀网络：当k >> <k>时，度为k的节点几乎不存在。
因此这类网络也成为均匀网络或指数网络5.无标(尺)度网络：由于这类网络的节点连接度没有明显的特征长度6.随机网络：节点度的分布将遵循钟形曲线分布。
按照这种分布，大多数节点拥有的连接的数目都相差不多7.鲁棒性：如果移走少量节点后，网络中的绝大部分节点仍是连通的，那么称该网络的连通性对节点故障具有鲁棒性或者稳健性。
8.脆弱性：蓄意去除少量度最高的节点就可破坏无标度网络的连通性9.设计网络：随机网络中节点总数N是预先给定的，所以它们是静态的、固定的、平衡的网络，也有称为设计网络10.演化网络：若网络模型的节点总数不是预先给定的，而是逐步增减的，则它们是动态的、增长的、非平衡的网络，或者称为演化网络(evolving network)11.马太效应：新的节点更倾向于与那些具有较高连接度的“大”节点相连接，这种现象也称为“富者更富（rich get richer）”或“马太效应(Matthew effect)”。
12.分形几何：普通几何研究的对象一般都具有整数的维数，比如，零维的点、一维的线、二维的面、三维的立体、乃至四维的时空。
分形几何（fractal geometry）是研究具有不一定是整数的维，而存在一个分数维数的空间。
13.适应度：在许多实际网络中，节点的度及其增长速度并非只与该节点的年龄有关，有时是与节点的内在性质有关的，Bianconi和Barabasi把这一性质称为节点的适应度（fitness）14.模块：模块（model）是指一组物理上或功能上连接在一起的、共同完成一个相对独立功能的节点。
15.模体：具有高聚类性的网络在局部可能包含各种由高度连接的节点组构成的子图（subgraph），如三角形，正方形和五角形，其中一些子图所占的比例明显高于同一网络的完全随机化形式中这些子图所占的比例，这些子图就称为模体。
生物分子互作网络的建模和探究方法
生物分子互作网络的建模和探究方法生物分子是生命活动的基本组成部分，它们不仅单独存在，还可以通过相互作用形成复杂的分子系统，并参与各种生物学过程。
因此，建立生物分子互作网络的模型并探究其特性对于深入研究生命现象，诊断疾病和研发药物具有重要意义。
生物分子的互作关系可以描述为一个图形，其中节点代表分子，边表示它们之间的相互作用。
建立生物分子网络的第一步是从文献和实验中收集和整理分子相互作用关系，然后将它们转换成网络结构，即确定节点和边的连接方式。
在转换分子相互作用关系的过程中，存在多种方法和标准。
例如，可以采用物理或生物化学方法，通过蛋白质互作实验或蛋白质结构预测等手段来鉴定分子之间的关联关系。
同时，在确定节点和边的连接方式时，可以采用不同的阈值来筛选相互作用关系，以保证网络的准确性和可靠性。
建立好生物分子互作网络模型后，就可以对其进行进一步的探究，并发掘网络中存在的一些特性和规律。
其中，最基本的是网络的拓扑结构，即节点的度分布、聚类系数、平均路径长度等特征。
这些特性反映了网络的复杂程度、稳定性和演化规律等信息。
在探索和分析分子网络的特性时，可以借助计算机模拟和数据挖掘技术。
其中，最为常用的是基于图形理论的方法，如最短路径算法、聚类算法、社区检测算法等。
这些方法可以对网络进行表征和分类，并发掘网络中存在的结构特征和功能模块等信息。
除了对分子网络的静态分析外，还可以采用动态建模和模拟方法，模拟和预测分子网络的演化和响应过程。
这也是研究生物体内许多重要生物过程时的一种有效手段。
动态分析可以通过建立动态模型和解析微分方程等方式来进行，并结合实验数据进行参数估计和模型验证。
在建模和分析生物网络时，需要注意的是，生物系统是复杂的、动态的、异质的。
网络的建立和分析只是一个起点，随着新的数据和知识的不断增加和更新，网络模型也需要不断完善和优化，以更好地反映生物学现象的本质。
总之，生物分子互作网络的建模和探究方法是生物系统科学的一个重要分支，它可以为生命科学、医学和药物研发等领域提供重要的技术支持和科学依据。
生物分子网络 基本概念
小世界模型（WS模型）
Duncan J. Watts and Steven H. Strogatz ： “Collective dynamics of small-world networks”
Network modules
ER(random) graphs
Erdös和Rényi in the 1950s and 1960s
P(k) eλλk k!
Degree distribution of a random graph, and an example of such a graph.
• 平均节点度为： d = (N − 1)p.
• 聚类系数为：C = p.
Random graphs
• Random graphs are a very useful model to compare with the real networks behavior
• the ER model differs from real networks in two crucial ways:
Clustering Coefficient
Most of My friends know each other!
Clustering coefficients take values in the range and it measures the tendency of the network to form highly interconnected regions called Clusters.
The Scale-free model by Barabási and Albert
生物分子交互网络的构建及其拓扑学特性分析
生物分子交互网络的构建及其拓扑学特性分析愈发发展的科技和技术，为我们探究生命的奥秘带来了更多的可能性。
而在生命过程中，分子间的相互作用往往受到重要关注，这些相互作用构成了生物分子交互网络。
分析这些网络的拓扑学特性不仅能够揭示其内在机制，同时也为我们的生命科学研究提供了新的思路和工具。
一、生物分子交互网络构建的方法目前，构建生物分子交互网络的方法主要有两种：实验方法和计算方法。
实验方法主要包括酵母双杂交法、免疫共沉淀法、质谱分析法等。
这些方法可以直接得到生物分子间的相互作用信息，但也存在诸多限制，如费时、成本高、鉴定准确性等问题。
计算方法主要包括基于同源性的方法、基于域-域互作的方法、基于共表达模式的方法等。
这些方法可以通过分析生物分子的序列或表达数据，并利用预测算法，构建生物分子间的相互作用网络。
计算方法大大提高了分析效率和网络的范围，但也面临着预测准确性、遗漏、重复等问题。
二、生物分子交互网络的拓扑学特性拓扑学是研究空间形态和其内在性质的学科，研究物体保持其形状不变的变形。
而在生物分子交互网络中，拓扑学则是研究网络节点与边的排列、连接和分布的学科。
常见的拓扑学特性包括度分布、聚类系数、节点介数中心性、网络直径、小世界网络等，这些特性能够揭示网络的整体特征以及节点与边的作用。
度分布指节点的度数，即和该节点相连的边的数量。
在生物分子交互网络中，度分布通常是符合无标度网络特性的，即大部分节点的度数很小，但有少数节点的度数很大。
这意味着网络中存在一些关键节点，这些节点的重要性更高，其蛋白质也往往具有重要的生物学功能。
聚类系数指节点邻居中连接的比例，即节点相邻的节点之间有多少连线。
在生物分子交互网络中，常见的聚类系数较高，这意味着在整个网络之内，节点群之间的连接更加紧密，互相协调更加密切。
节点介数中心性指节点在网络中作为中介者的能力。
在生物分子交互网络中，这些节点通常是连接不同部分的节点，具有更大的功能。
生物分子网络 第4章 基因调控网络及其模型
第4章 基因调控网络及其模型一.名词解释：1.基因调控网络:GRN 是研究者在长期科研实践中，综合分析某一生物学系统的各种文献后，推断出来并构建的一种生物网络。
2.正向工程、逆向工程:在正向工程中，主要是利用已有的生物知识设计生物网络（也就是合成生物学），或者是构建量化模型来解释生物系统工作的机制。
生物网络的逆向工程研究主要是利用高通量的生物数据来构建生物网络。
3.布尔网络模型:是刻画基因调控网络一种最简单的模型。
在布尔网络中，每个基因所处的状态或者是“开”，或者是“关”。
状态“开”表示一个基因转录表达，形成基因产物；状态“关”则代表一个基因未转录。
基因之间的相互作用关系由布尔表达式来表示，即基因之间的作用关系由逻辑算子and 、or 和not 刻画。
4.系统生物学:是研究一个生物系统中所有组成成分（基因、mRNA 和蛋白质等）的构成，以及在特定条件下这些组成成分间的相互关系的学科，而生物网络由于生物系统很好描述，正逐渐成为系统生物学研究中的主要研究对象。
5.点吸引子，动态吸引子:如果在布尔网络的一个稳定状态下，所有基因的状态不变，则称该稳态是“点吸引子”；如果网络的一个稳态是多个状态的周期切换，则称该稳态为“动态吸引子”，此时网络系统处于相对稳定状态。
6.有向图模型、有向超图模型:利用有向图可建立直观的GRN 模型。
有向图可以定义为二元组<V ,E>，其中V 是节点的集合，E 是边的集合。
有向图的边可以表示多个基因之间的相互作用。
为此GRN 的有向边可定义为三元组<i,j,s>，其中s 表示节点i 是否被节点j 激活(s 为+)或抑制(s 为-)。
还可以用有向超图(Hyper graph)来描述基因表达的蛋白质合作调控过程。
在此种图中的边可定义为三元组<i,J,S>,其中J 为节点i 的一组调控基因的列表，S 为该组基因调控 i 效果的列表。
7.线性组合模型:线性组合模型是一种连续网络模型，在这种模型中，一个基因的表达值是若干个其它基因表达值的加权和。
第九章 生物分子网络与通路
负调控
转录调控网络-2
转录调控网络-检测技术
ChIP是一项比较流行的研究转录因子与启动子相互
结合的实验技术。
CHIP与基因芯片相结合建立的CHIP-on-chip方法 已广泛用于特定反式因子靶基因的高通量筛选； CHIP-SEQ新一代测序技术。
基本流程
转录调控数据库
TRANSFAC数据库——MATCH软件
网络的基本概念
网络定义 有向网络与无向网络 加权网络与等权网络 二分网络
网络中的路径与距离
网络定义
网络定义：通常可以用图G=（V,E）表示网络。 其中， V 是网络的节点集合，每个节点代表一个生 物分子，或者一个环境刺激； E 是边的集合，每条边代表节点之间的相互关系。 当V中的两个节点v1与v2之间存在一条属于E的边e1 时，称边e1连接v1与v2，或者称v1连接于v2，也称作 v2是v1的邻居。
有向网络与无向网络
根据网络中的边是否具有方向性或者说连接一条边 的两个节点是否存在顺序，网络可以分为有向网络 与无向网络，边存在方向性，为有向网络，否则为 无向网络。
生物分子网络的方向性取决于其所代表的关系。
如调控关系中转录因子与被调控基因之间是存在顺 序关系的，因此转录调控网络是有向网络，而基因 表达相关网络中的边代表的是两个基因在多个实验 条件下的表达高相关性，因此是无向的。
人体经络网络 思考：如果 说经脉图就 是一个网络 的话，那么 网络的节点 应该是什么？ 网络的边又 应该是什么？
人体穴位就是该网络的节点，其医疗功能不同且相 互联系。 经络理论和针炙是网络科学初创时期有文字记载的 最早的人体生物网络模型及成功的医学应用。
发展历史-2
生物分子网络分析指标
生物分子网络分析指标1 生物分子网络概述1.1 基本概念● 网络：通常可以用图()E V G ,=表示网络（network ），其中V 是网络的节点集合，每个节点代表一个生物分子，或者一个环境刺激；E 是边的集合，每条边代表节点之间的相互关系。
当V 中的两个节点1v 和2v 之间存在一条属于E 的边1e 时，称边1e 连接1v 和2v ，或者称1v 连接于2v ，也称作2v 是1v 的邻居。
● 有向网络与无向网络：根据网络中的边是否具有方向性或者说连接一条边的两个节点是否存在顺序，网络可以分为有向网络与无向网络。
● 加权网络与等权网络：如果网络中的每条边都被赋予相应的数字，这个网络就称为加权网络(weighted network)，所赋予的数字称为边的权重。
如果网络中各边之间没有区别，可以认为各边的权重相等，称为等权网络或无权网络(unweighted network)。
● 二分网络：如果网络中的节点可分为两个互不相交的集合，而所有的边都建立在来自不同集合的节点之间，则称这样的网络为二分网络(bipartite network)● 网络中的路径与距离：网络中的路径是指一系列的节点，其中每个节点都有一条边连接到紧随其后的节点。
路径中所经过边的权重之和称为路径的权重，也称为路径的长度。
在连接两个节点的所有路径中，长度最短的路径称为最短路径，此路径的长度称为两个节点的距离。
1.2 常见生物分子网络● 基因调控网络与原核生物相比，真核生物基因表达的调控更为复杂，真核生物基因表达的调控主要是指编码蛋白质的mRNA 产生和行使生物功能过程中的调节与控制；其中转录调控是基因表达调控中最重要最复杂的一个环节。
基因转录调控网络[1]是以转录因子和受调控基因作为节点，以调控关系作为边的有向网络。
● 蛋白质互作网络蛋白质是构成生物体的重要物质，但是在生物体内，鲜有蛋白质单独发挥作用，而是单独蛋白质通过彼此之间的相互作用构成蛋白质互作网络来参与生物信号传递、基因表达调节、能量和物质代谢及细胞周期调控等生命过程的各个环节。
生物分子信号转导和调控网络
生物分子信号转导和调控網络生物分子信号转导和调节网络是一个非常重要的生物学领域。
对于生命科学家来说，它扮演着扩展我们对健康、疾病和生命过程的认识的角色。
本文将深入探讨分子信号转导网络、调节机制、及其在生理和疾病状态下的作用。
一、分子信号转导网络细胞与外部环境通过许多信号分子进行相互作用，这些信号分子可以是荷尔蒙、细胞因子、细胞外基质的成分，或通过神经递质调节神经系统。
这些信号分子与受体结合引起的信号转导是调控细胞生命活动的关键步骤。
信号转导网络通常由以下三个基本组分组成：1. 受体分子2. 信号分子3. 效应分子受体分子往往是外膜受体、胞浆受体或细胞核受体。
它们位于细胞膜表面、细胞内或染色体上，并能够与信号分子结合。
当受体和信号分子结合时，会引起信号分子的激活。
激活的信号分子将会传递信号，激活一系列的蛋白质反应物质，最终调节细胞内的生物活动。
例子如下：1. 胰岛素受体(垂体前叶生长激素受体)可以与胰岛素结合，激活一系列的酶，最终细胞吸收葡萄糖2. 细胞因子受体如白细胞介素-6受体(IL-6R)可以与白细胞介素-6(IL-6)结合，导致免疫细胞的增殖和分化3. G蛋白偶联受体(一种胞浆受体) 能够与神经递质、荷尔蒙和许多其它信号分子结合，它们分别调节神经系统、内分泌系统和原生质内的生物反应二、信号转导调节机制调节主要是通过影响分子信号的传导和/或产生器细胞的相对数量来实现，它们包括以下四种机制：1. 反馈正反馈、负反馈和正向调节，这些机制通过调节效应分子或信号分子上的酶来调节整个信号传递网络的反应2. 稳态达到对于细胞内的一些生物分子，状态达到是一个基本的调节机制，当它们的浓度达到一定的水平时，它们将自动停止它们的产生。
浓度过低会导致细胞或组织代谢紊乱3. 异质性不同细胞和组织中的分子信号网络可能存在异质性。
这种异质性可能在不同细胞和组织中调节细胞生命活动，例如作为细胞修复和再生的机制4. 藏匿性有时细胞激活的信号可能被存储以便在需要时使用。
生物分子交互网络的分析与研究
生物分子交互网络的分析与研究生物分子在生物体内发挥着重要的功能，如蛋白质合成、代谢途径、信号传递等，在这一过程中，生物分子之间交互作用成为决定这些功能的关键。
深入了解生物分子交互网络有助于我们更好地理解生命的本质和机制，并为疾病的诊断和治疗提供新途径。
生物分子交互网络的构建为了研究生物分子之间的交互作用，我们需要构建生物分子交互网络。
生物分子交互网络是基于已知生物分子相互作用构建的网络，可以包含多种类型的生物分子，例如基因、蛋白质、代谢产物等。
构建生物分子交互网络需要依赖生物数据库，如STRING、BioGRID等。
这些数据库提供了生物分子间已知的相互作用及其信度评估值（例如可靠度分数，confidence score），并将其分配给权值。
根据相互作用和信度评估值构建相互作用网络。
这些网络可以呈现为图和表格，用于描述生物分子之间可能的关联性。
生物分子交互网络的分析生物分子交互网络的分析，主要目的是分析和解析生物分子之间的关系，并发现与功能相关的亚网络（subnetworks）、中心分子（central molecules）、功能关键基因（functional key genes）等。
主要方法有网络特征描述、亚网络检测和基于机器学习的生物分子交互网络预测等。
网络特征描述是对交互网络的一种全面的分析和描述，包括网络势、节点度数分布、聚类系数、路径长度等。
通过这些特征，我们可以对交互网络进行更深入的了解和理解。
例如，网络中的节点数、边数、平均节点度数能够反映出整个交互网络的规模和密度。
网络的聚类系数反映出网络局部的紧密度和小世界特性，路径长度反映出网络的全局连接和路径。
亚网络检测是一种基于模块度（modularity）的算法，它能够从一个大的生物分子交互网络中检测出许多存在生物学意义的小亚网络。
这些亚网络可以帮助我们更好地理解网络通路和生物功能，还可以找出与疾病相关的基因和生物学过程标志物，从而为药物设计和疾病探索提供指导。
第九章 生物分子网络与通路
我们用符号k来表示连通度，kout表示出度，kin表 示入度。
在图B中节点A的入度为1，出度为2。
连通度描述了网络中某个节点的连接数量，整个网 络的连通性可以使用其平均值来表示。
对于由N个节点和L条边组成的无向网络其平均连通
度为Knet=2L/N。 连通度较大的节点称为中心节点（hub） 必需基因或其翻译产物的比例在中心节点中出现的 频率显著高于一般节点。
就称为加权网络，赋予的数字称为边的权重。 如果网络中各边之间没有区别，可以认为各边的权 重相等，称为等权网络或无权网络。
权重可以用来描述节点间的距离、相关程度、稳
定程度、容量等等各种信息，具体所代表的意义 依赖于网络和边本身所代表的意义。
加权网络
等权网络
二分网络
如果网络中的节点可分为两个互不相交的集合，而 所有的边都建立在来自不同集合的节点之间，则称
A .无向网络 ；B. 有向网络
加权网络与等权网络
网络中的边在网络中具有不同意义或在某个属性上
有不同的价值是网络中普遍存在的一种现象。
比如交通网中，连接两个城市（节点）的道路（边） 一般具有不同的长度，而在互联网中两台直接相连
的计算设备间通讯的速度也不尽相同。
如果网络中的每条边都赋予相应的数字，这个网络
代谢网络
生物分子网络分类
转录调控网络 分 子 生 转录后调控网络 物 网 络
代谢网络
信号转导网络
分
类 蛋白互作网络 表观遗传调控网络
信号传导网络
生物中的信号传导(Signal transduction)则是指细胞
将一种类型的生物信号或刺激转换为其他生物信号 最终激活细胞反应的过程。 同代谢通路一样，信号传导的过程中多个生物分子 在酶作用下按照一定顺序发生一系列生理化学反应， 由此得到了信号传导通路。 信号传导网络即是指参与信号传导通路的分子和酶 以及其间所发生的生化反应所构成的网络。
12生物分子网络
2. 酵母双杂交（Yeast Two Hybrid，Y2H）
酵母双杂交示意图 来源：维基百科
3. 串联亲和纯化-质谱分析（Tandem Affinity Purification Mass Spectrometry，TAP-MS）
串联亲和纯化示意图 来源：Bauer A, Kuster B. Affinity purification-mass spectrometry. Powerful tools for the characterization of protein complexes.. Eur J Biochem. 2003 Feb;270(4):570-8.
来源：Barabasi A. L.,Oltvai Z. N. Network biology: understanding the cell's functional organization. Nat Rev Genet, 2004, 5(2): 101-13
KEGG代谢通路
来源：KEGG数据库
(二) 基因转录调控数据库
1. BIND数据库
BIND数据库是生物分子 对象网络数据库（BOND） 中最重要的组成部分之 一。
主要记录蛋白质互作在 内的生物分子间的相互 作用信息，并将其中的 信息分为经过人工检查 的可信信息和高通量数 据信息。
http://bind.ca/
2. DIP数据库
DIP数据库是专门存储蛋 白质相互作用信息的数 据库。该数据库中也包 含人工检查的可靠信息 和自动计算方法所获取 的高通量数据。
二分网络 来源：维基百科
(五) 网络中的路径与距离
网络中节点G到节点 C的路径有： l1={G, A, B, C} l2={G, A, D, C} l3={G, F, A, B, C} l4={G, F, A, D, C}
分子生物网络分析 第3章 生物网络特征及分类
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
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1.基因网络的研究进展
“在系统生物中即便是发生十分微小的变 化，基因网络都会对其做出反应，且做出 反应的基因数量远远超过科学家原本的预 想，其效果也并非简单的线性叠加，有时 甚至难以预测。”
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发现生物网络并应用网络图的典型案例
Crick描述细胞遗传信息流的网络图
1953年，Francis Crick 与Watson和 Wilkins发现了DNA的 双螺旋结构，共同获得 了1962年诺贝尔生理学 和医学奖。1958年 Crick提出“中心法则” 描述细胞遗传信息流的 网络图。
4.表观遗传网络的研究进展
表观遗传学及表观遗传组学已成为当前各 务生物学研究的热点之一，它属于中国国 家自然科学基金“十一五”学科发展战略 和优先资助领域的项目。
表观遗传网络在高等生物的正常生长发育 过程中起着与遗传学机制同等重要的作用。
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
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发现生物网络并应用网络图的典型案例
《分子生物网络分析》(Molecular Biology Network Analysis)
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生物学面临的新挑战
人类基因组计划的结果使生物科学面临新 挑战。
第三章 生物网络特征及分类
教 师：崔 颖 办公室：外语学馆412室
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生物分子互作网络和信号通路的研究及其应用
生物分子互作网络和信号通路的研究及其应用随着生物学与计算机科学的交叉，越来越多的研究人员开始关注生物分子互作网络和信号通路的研究，并将其应用于药物设计和治疗策略的开发中。
在这篇文章中，我们将讨论生物分子互作网络和信号通路的研究进展、应用以及可能的潜在应用。
1. 生物分子互作网络的研究生物分子互作网络指的是在细胞内或细胞之间通过物质交换而形成的分子网络。
这些分子网络可以包括蛋白质、RNA及其他化学物质，它们在细胞内形成了复杂的体系结构，并通过多种方式交互。
这些分子交互可以是物理的、化学的、生物学的等方式，形成了复杂的生物分子互作网络。
生物分子互作网络的研究主要包括了不同类型的生物体系，包括单细胞生物如细菌，多细胞生物如人类和其他动物，以及植物。
生物分子互作网络的研究在不同的体系中有着不同的影响和应用。
2. 信号通路的研究信号通路是指在细胞内传递信息的途径，这些信息可以是人体内部的变化，也可以是来自外部环境的刺激。
细胞内信号可以通过不同机制传递，如蛋白质磷酸化、化学修饰、核移位等。
这些机制通过与其他信号传递通路交互，共同发挥细胞内稳态的调节功能。
目前，信号通路的研究是生物学中的一个重要领域。
了解信号通路的功能和调节机理有助于理解生命活动的本质，同时也可以为药物研发提供新的思路和方法。
3. 生物分子互作网络和信号通路的应用生物分子互作网络和信号通路研究的应用主要涉及药物研发和治疗策略的开发。
在药物研发方面，生物分子互作网络的研究可以用于筛选药物靶点，优化药物分子结构和贡献新的靶点发现的思路。
例如，研究人员可以通过分析生物分子互作网络来确定该网络中的关键节点蛋白质，并将这些蛋白质作为潜在的药物靶点，从而优化药物的结构和设计方案。
在治疗策略的开发方面，生物分子互作网络和信号通路的研究可用于指导疾病的预防和治疗，尤其是在癌症治疗方面。
通过研究癌症相关的生物分子互作网络和信号通路，研究人员可以确定潜在的靶点和治疗策略，从而提供更加有效的癌症治疗方案。
生物分子互作网络的构建与分析
生物分子互作网络的构建与分析生物分子互作网络是指在生物系统中，各种生物分子之间的相互作用关系。
这些分子包括蛋白质、基因、代谢产物等等。
构建和分析生物分子互作网络对于研究生命科学具有重要意义。
本文将介绍生物分子互作网络的构建与分析方法。
一、生物分子互作网络的构建生物分子互作网络的构建需要从原始数据开始，常用的数据来源有生物文献、基因芯片、蛋白质质谱等。
原始数据经过预处理、过滤、归一化等步骤后，可以得到一个基于实验数据的互作关系表。
这个互作关系表一般是一个二元关系矩阵，其中每一行和每一列代表一个生物分子，矩阵中的每个元素则代表两个生物分子之间的互作关系。
在得到互作关系表后，就可以进行网络构建。
常用的构建方法有以下几种：1.基于共表达：基于共表达的网络构建方法是基于基因表达的相关性，即如果两个基因在许多实验中都表现出类似的表达模式，那么它们就有可能互相作用。
这种方法常用基因芯片数据作为原始数据。
2.基于亲和性：基于亲和性的网络构建方法是基于蛋白质之间的直接结合关系，即利用蛋白质质谱数据来得到蛋白质之间的相互作用。
3.基于文献调研：基于文献调研的网络构建方法是基于生物学家对于生物分子之间相互作用的了解来进行构建。
这种方法的优点是可以补充基于实验数据构建网络的缺陷。
以上三种方法都有各自的优缺点，可以根据研究对象和实验条件选择合适的方法。
二、生物分子互作网络的分析生物分子互作网络的分析是指对构建好的互作网络进行数据挖掘和统计分析，以发现其中的模式和规律。
常用的分析方法有以下几种：1.节点度分析：节点度分析是指计算每个节点（生物分子）在整个网络中的度数，即与它相连的节点数。
节点度分析可以发现网络中的重要节点，这些节点可能是关键调节因子、重要代谢物等等。
2.网络中心度分析：网络中心度分析是指计算每个节点的中心度，中心度反映了节点在网络传递信息上的重要性。
常用的中心度指标有介数中心度、紧密中心度、特征向量中心度等等。
生物大分子互作的动态网络
生物大分子互作的动态网络生物大分子互作是生命活动中一个极为重要的过程。
通过大分子间的相互作用，生物体内的各种活动得以进行和协调，从而维持细胞和生命的正常运行。
在这个过程中，大分子间的互作不是静态的，而是处于动态平衡状态，形成复杂的网络结构。
这个网络结构的理解对于我们研究生物体内的复杂生命现象、揭示疾病发生机理、以及新药研发方面都具有重要的意义。
一、生物大分子的互作网络生物大分子包括蛋白质、核酸、多肽、糖类等等。
它们在细胞内或细胞外相互作用，完成生命体内的各种生化反应和生理功能。
这些大分子的互作不是简单的化学反应，而是体现出生物学的复杂性。
大分子间的互作关系可能是互补性、互作用、协同作用、对消作用等等。
这些互作关系构成了一个庞大的网络，涉及许多不同类别的大分子和复杂的反应机制。
例如，细胞内的蛋白质互作网络涉及到调节代谢、信号传导、基因调控、细胞周期等多种生物过程。
这种互作网络的复杂性和多样性是我们难以想象的，因为它们不仅仅体现了单个分子的作用，还体现了整个生物体系的组织性和稳定性。
二、动态网络的建立和维持生物大分子互作的网络既然是那么复杂，那么它是如何建立和维持的呢？这个问题一直是生命科学领域的一个热门话题。
研究表明，互作网络的建立和维持离不开动态平衡的支持。
生物大分子在互相作用的同时，也会经常进行分解和再组装，从而形成一个不断变化的动态平衡状态，这种状态可以维持互作网络的结构和功能。
动态平衡状态的形成主要得益于生物大分子自身的特性。
比如，蛋白质可变性很高，可以调整自己的构象，以适应不同的互作环境；核酸的双链结构也可以发生开放和合拢的变化，这对于DNA复制和转录非常重要；多肽和糖类也有着不同的互作方式，它们可以通过电荷、疏水性、配位键等效应进行互作。
这些巧妙的互作机制和自我调节能力，使得互作网络能够在不断变化的生物环境中得以建立和维持。
三、应用前景和挑战生物大分子互作的动态网络在生命科学研究和药物研发方面都有着广阔的应用前景。
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主讲：刘 伟
Citrate Cycle
基因组
蛋白质-基因 相互作用
蛋白质组
蛋白质-蛋白质 相互作用
代谢网络
内容提要
7.1 生物分子网络介绍
7.1.1 生物分子网络定义 7.1.2 生物分子网络分类 7.1.3 举例：信号转导网络
7.2 网络属性分析
7.2.1 单个分子的属性 7.2.2 网络的模块性质 7.2.3 网络的整体属性
信号转导
由蛋白质相互作用引起的 蛋白质状态的改变
蛋白质-蛋白质相互作用
代谢通路 由酶催化的生化反应
蛋白质-蛋白质相互作用 蛋白质-代谢物相互作用
基因调控 转录因子对基因的调控
蛋白质-蛋白质相互作用 蛋白质-基因相互作用
7.1.2 生物分子网络分类
蛋白质相互作用是多种细胞功能的分子基础 代谢中包含酶之间的相互作用，信号转导包含大 量的蛋白质相互作用，基因调控包含蛋白质相互 作用和蛋白质-DNA相互作用。
典型的信号转导通路
细胞分裂
细胞收缩
快速（少于1秒）
慢（数分钟到几小时）
7.1.3 举例：信号转导网络
特点1：通路内部存在多个分支
几个分支通路可以实现同一信号传递功能
7.1.3 举例：信号转导网络
特点1：通路内部存在多个分支
对于单个蛋白质有多种激活与抑制关系
7.1.3 举例：信号转导网络
特点2：不同通路之间存在交叠
Proc Natl Acad Sci U S A. 2008, 105(19):6959-64
7.1.3 举例：信号转导网络
细胞信号转导
信号分子与细胞表 面受体作用，经细 胞内信号转导系统 的转换影响细胞内 信使的水平变化， 进而引起细胞应答 反应的过程。
信号分子产生部位 血管
信号分子
靶细胞
7.1.3 举例：信号转导网络
7.3 人类疾病网络
7.1.1 生物分子网络定义
在生命活动的过程中，基因或蛋白质通常 不是独立的，而是通过相互作用来共同完 成生物学功能。
生物分子网络：由生物分子及各种分子之 间相互作用所组成的网络。
7.1.1 生物分子网络定义
节点：基因、蛋
生 白质等生物分子 物 分 子 网 络 示 意 图
不同分子网络的表示形式有所区别 蛋白质相互作用网络是无向的，其他几种网络是 有向的，存在分子之间的调控关系。
7.1.2 生物分子网络分类
蛋白质相互作用
英国的Michael Stumpf等设计了一种新颖的数学 工具，估计有机体中蛋白质相互作用网络的尺寸
估计人体内蛋白质相互作用的数量约为65万，是 果蝇的10倍，是单细胞酵母的20倍。这与之前基 因数的比较结果相差巨大——人类的基因数约为 2.5万，果蝇的大约为1.4万，二者相差不到2倍
细胞分化——使得细胞内的遗传程序有选择地表达， 从而使细胞分化成为有特定功能的成熟细胞；
细胞功能——促进肌肉细胞收缩或舒张、细胞释放神 经递质或化学介质、细胞骨架的形成等；
细胞凋亡——为了维护多细胞生物的整体利益，在局 部范围内和一定数量上发生的利他性自杀死亡。
7.1.3 举例：信号转导网络
按照生物学通路的功能，分为： 信号转导
——接收外界刺激信号并作出响应的过程
代谢通路
——控制物质的合成与分解，为细胞提供能量
基因调控
——对基因的转录翻译等过程进行精确的调控
7.1.2 生物分子网络分类
代谢通路
基因调控网络
7.1.2 生物分子网络分类
几种生物分子网络的比较
分子网络
主要特点
相互作用类型
连接度
化速率
Hub节点可分为两类
‘party’ hubs：同 时与多个蛋白质发 生相互作用；
信号的具体表现形式 物理信号：光、热、紫外线、X-射线
化学信号：激素、神经递质、生长因子等
7.1.3 举例：信号转导网络
信号转导的功能
细胞代谢——使细胞摄人并代谢营养物质，提供细胞 生命活动所需要的能量；
细胞分裂——促使与DNA复制相关的基因表达，调 节细胞周期，使细胞进入分裂和增殖阶段；
7.2.1 单个分子的属性
数据集：小鼠海马趾神经元细胞中的信号 网络，包括608个节点和1427对相互作用
Ma‘ayan A et al. science, 2005
7.2.1 单个分子的属性
（1）连接度 ——与某个节点发生相互作用的其他节点的数目
非中心节点
中心节点
7.2.1 单个分子的属性
基因敲除对应的小鼠表型：
边：分子之间 的相互作用
7.1.1 生物分子网络定义
生物分子：基因、蛋白质、代谢物等
生物分子之间的相互作用
蛋白质—蛋白质相互作用 蛋白质—基因的相互作用 蛋白质—代谢物的相互作用
7.1.1 生物分子网络定义
蛋白质-蛋白质相互作用通常由结构域-结 构域相互作用来介导
7.1.2 生物分子网络分类
II型糖尿病 胰岛素受体
巨人症
生长激素过多
肿瘤
生长因子受体
主要临床特征 色觉异常 高血糖 骨骼过度生长 细胞过度增殖
7.1.3 举例：信号转导网络
信号转导网络的特点
单个信号通路内部有多个分支
多个信号通路之间存在交联
复杂网络结构
响应过程非常精确 与精确的分子调控机制有关
7.1.3 举例：信号转导网络
0级 无明显表型 连 接 度
1级 致病可存活
2级 致死
表型严重程度
连接度越高的蛋白质，对于小鼠生存更重要
7.2.1 单个分子的属性
中心蛋白质的进化速率受到一定的抑制
Ka/Ks表示进化速率
Ka：非同义替代的次数
进化
Ks：同义替代的次数
速
率
将小鼠的基因序列与人、
犬、黄牛、黑猩猩、猕猴、
大鼠相比，计算平均的进
研究生物分子网络的意义
阐明蛋白质的功能，研究细胞中某一生理活动中 所有相关蛋白质的变化及作用机制
理解生物系统的组织结构，发现生物分子网络的 组成规律和独特属性
揭示生物的进化信息
7.2 网络属性分析
7.2.1 单个分子的属性 7.2.2 网络的模块性质 7.2.3 网络的整体属性
网络作为一种通用语言
不同的通路使用一些共同的分子机制 不同的信号分子引发同一细胞响应
7.1.3 举例：信号转导网络
特点3：响应过程非常精确
第一步：信号分子与受体的相互作用
第二步：信号分子及时降解 信号转导过程中的失误可能导致严重的疾病发生
7.1.3 举例：信号转导网络
特点3：响应过程非常精确
疾病
异常部位
遗传性色盲 锥形视蛋白