系统生物学简述ppt课件
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• 避免机械唯物主义，1+1=3（系统科学的 核心思想是：“整体大于部分之和”）
• 首先，它要把系统内不同性质的构成要素 （基因、mRNA、蛋白质、生物小分子等） 整合在一起进行研究。
• 系统生物学研究所第一篇论文：整合酵母的 基因组分析和蛋白质组分析，研究酵母的代 谢网络（Ideker T,Science,2002）
系统生物学简述
中国医学科学院放射医学研究所 2005.11.23
.
什么是系统生物学？
• 系统生物学是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 分间的相互关系的学科，是以整体性 研究为特征的一种科学。
Dr. Leroy Hood Hiroaki Kitano（北野宏明） .
仿真和分析
• 仿真是对系统的所有内容如基因和代 谢网络、染色体的高水平结构、蛋白 质之间的相互作用等等变成数据流最 终成为数学模型。
• 参数优化方法需要考虑全局/局部最小 值，找到全局优化的设计。
• 基于现有算法的改进方法。
.
.
系统生物学研究中的问题
• 1.数据的质量及标准化 • 2.生物网络研究 • 3.鉴定和定量不同类型分子 • 4.缩小与自动微流学/纳米技术平台 • 5.在单个细胞内进行动力空间多参数检测
Protein
Transcriptions ● ● ●
O M I C s
.
Genes
Genomics Proteomics
System
Biology
●
● Protein
●
系统生物学的基础——信息
• 生物学是一门信息科学： • 生物学研究的核心——基因组是数字化
的；
• 生命的数字化核心表现为两大类型的信 息，第一类信息是指编码蛋白质的基因， 第二类信息是指控制基因行为的调控网 络；
网络模型反复完善图示
Date Acqusition
High-throughput “omica” data
Global Databases
Analysis Modules
Network Refinement Hypothesis Generation
Network Visualization/
Modeling
系统生物学中的干涉特点
• 首先，这些干涉应该是有系统性的，如酵母果糖代谢的9个 基因逐一进行突变，研究在每一个基因突变下的系统变化。
• 其次，系统生物学需要高通量的干涉能力，如高通量的遗 传变异。
• 系统生物学既需要“发现的科学”，也需要“假设驱动的 科学”。先选择一种条件（干涉），然后利用“发现的科 学”的方法，对系统在该条件下的所有元素进行测定和分 析；在此基础上做出新的假设，然后再利用“发现的科学” 研究手段进行新研究。这两种不同研究策略和方法的互动 和整合，是系统生物学成功的保证。
各国系统生物学研究计划
• 1.美国国家能源部提出基因组到生命 （Genomes To Life）计划
• 2.日本ERATO研究组提出的系统组 （Systome）计划
• 3.德国政府启动的3MEURO计划 • 4.韩国提出了系统生物学计划
.
我国的系统生物学
• 1.2003年，生物物理研究所率先在国内组 建的专门研究系统生物学的机构－系统 生物学研究中心。
• 其次，对于多细胞生物而言，系统生物学要 实现从基因到细胞、到组织、到个体 的各个层次的整合。
.
经典的分子生物学研究——垂直型的研究。 基因组学、蛋白质组学和其他各种“组学”——水平型研 究。
系统生物学的特点——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。
Genபைடு நூலகம்s
Genes Proteins
• 2.系统的动态特征分析
（System Dynamics）
要研究生物系统在不同条件下不同时间 不同条件的行为，要对生物系统进行代 谢分析，敏感性分析，动态分析等等从 而发现生物系统的特定行为的机理机制。
• 3.系统的控制方法
（The Control Method）
系统能够控制一个细胞状态使得细胞功 能受损最小，通过研究可以为疾病治疗 提供潜在的药物靶标。
• 4.系统的设计方法
（The Design Method） 将生物系统利用仿真、模拟等方法设计， 最终达到建立数据系统模型的目的。
系统生物学的灵魂——整合
• 系统生物学与基因组学、蛋白质组学等 各种“组学”的不同之处在于：它是一 种整合型大科学。
• 需要一套原理和方法将系统内部各个组 分的行为（behaviors）与系统的特性及 功能连接起来。
系统生物学研究中的独特问题
• 1.团队合作，合理评价及所有权 （Teamwork, Fair Credit, Data Ownership )
• 2.技术通路缺乏 (Access to Technology)
• 3.基金问题 (The Problem of Funding)
系统生物学的历史
• 中医——天人合一的黑箱 • 1933 Cannon 稳态学说 • 1948 Wiener 生物控制论 • 1968 Ludwig von Bertalanffy 总体系统论 • 1999 美国科学家 Leroy Hood
The Institute for Systems Biology(ISB)
• 生物信息是有等级次序的，而且沿着不 同的层次流动。
系统生物学的钥匙——干涉
• 系统生物学一方面要了解生物系统的结构组 成，另一方面要揭示系统的行为方式。相比 之下，后一个任务更为重要。
• 系统生物学研究状态下，揭示出特定的生命 系统在不同的条件下和不同的时间里具有什 么样的动力学特征。所研究的并非一种静态 的结构，而是要在人为控制的状态下，揭示 出特定的生命系统在不同的条件下和不同的 时间里具有什么样的动力学特征
• 2.2005年，上海系统生物医学研究中心在 上海交通大学成立。
• 3.2005年，中国科技大学与上海生命科学 研究院合作成立国内第一个系统生物学 系，共同培养和及早储备２１世纪生物 学研究发展所需要的未来人才。
研究内容
• 1.系统结构的识别和研究
（System Structure） 这包括基因相互作用网络、生化代谢 途径以及这些相互作用以何种机制调 节生物系统的研究等内容。
• 首先，它要把系统内不同性质的构成要素 （基因、mRNA、蛋白质、生物小分子等） 整合在一起进行研究。
• 系统生物学研究所第一篇论文：整合酵母的 基因组分析和蛋白质组分析，研究酵母的代 谢网络（Ideker T,Science,2002）
系统生物学简述
中国医学科学院放射医学研究所 2005.11.23
.
什么是系统生物学？
• 系统生物学是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 分间的相互关系的学科，是以整体性 研究为特征的一种科学。
Dr. Leroy Hood Hiroaki Kitano（北野宏明） .
仿真和分析
• 仿真是对系统的所有内容如基因和代 谢网络、染色体的高水平结构、蛋白 质之间的相互作用等等变成数据流最 终成为数学模型。
• 参数优化方法需要考虑全局/局部最小 值，找到全局优化的设计。
• 基于现有算法的改进方法。
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系统生物学研究中的问题
• 1.数据的质量及标准化 • 2.生物网络研究 • 3.鉴定和定量不同类型分子 • 4.缩小与自动微流学/纳米技术平台 • 5.在单个细胞内进行动力空间多参数检测
Protein
Transcriptions ● ● ●
O M I C s
.
Genes
Genomics Proteomics
System
Biology
●
● Protein
●
系统生物学的基础——信息
• 生物学是一门信息科学： • 生物学研究的核心——基因组是数字化
的；
• 生命的数字化核心表现为两大类型的信 息，第一类信息是指编码蛋白质的基因， 第二类信息是指控制基因行为的调控网 络；
网络模型反复完善图示
Date Acqusition
High-throughput “omica” data
Global Databases
Analysis Modules
Network Refinement Hypothesis Generation
Network Visualization/
Modeling
系统生物学中的干涉特点
• 首先，这些干涉应该是有系统性的，如酵母果糖代谢的9个 基因逐一进行突变，研究在每一个基因突变下的系统变化。
• 其次，系统生物学需要高通量的干涉能力，如高通量的遗 传变异。
• 系统生物学既需要“发现的科学”，也需要“假设驱动的 科学”。先选择一种条件（干涉），然后利用“发现的科 学”的方法，对系统在该条件下的所有元素进行测定和分 析；在此基础上做出新的假设，然后再利用“发现的科学” 研究手段进行新研究。这两种不同研究策略和方法的互动 和整合，是系统生物学成功的保证。
各国系统生物学研究计划
• 1.美国国家能源部提出基因组到生命 （Genomes To Life）计划
• 2.日本ERATO研究组提出的系统组 （Systome）计划
• 3.德国政府启动的3MEURO计划 • 4.韩国提出了系统生物学计划
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我国的系统生物学
• 1.2003年，生物物理研究所率先在国内组 建的专门研究系统生物学的机构－系统 生物学研究中心。
• 其次，对于多细胞生物而言，系统生物学要 实现从基因到细胞、到组织、到个体 的各个层次的整合。
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经典的分子生物学研究——垂直型的研究。 基因组学、蛋白质组学和其他各种“组学”——水平型研 究。
系统生物学的特点——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。
Genபைடு நூலகம்s
Genes Proteins
• 2.系统的动态特征分析
（System Dynamics）
要研究生物系统在不同条件下不同时间 不同条件的行为，要对生物系统进行代 谢分析，敏感性分析，动态分析等等从 而发现生物系统的特定行为的机理机制。
• 3.系统的控制方法
（The Control Method）
系统能够控制一个细胞状态使得细胞功 能受损最小，通过研究可以为疾病治疗 提供潜在的药物靶标。
• 4.系统的设计方法
（The Design Method） 将生物系统利用仿真、模拟等方法设计， 最终达到建立数据系统模型的目的。
系统生物学的灵魂——整合
• 系统生物学与基因组学、蛋白质组学等 各种“组学”的不同之处在于：它是一 种整合型大科学。
• 需要一套原理和方法将系统内部各个组 分的行为（behaviors）与系统的特性及 功能连接起来。
系统生物学研究中的独特问题
• 1.团队合作，合理评价及所有权 （Teamwork, Fair Credit, Data Ownership )
• 2.技术通路缺乏 (Access to Technology)
• 3.基金问题 (The Problem of Funding)
系统生物学的历史
• 中医——天人合一的黑箱 • 1933 Cannon 稳态学说 • 1948 Wiener 生物控制论 • 1968 Ludwig von Bertalanffy 总体系统论 • 1999 美国科学家 Leroy Hood
The Institute for Systems Biology(ISB)
• 生物信息是有等级次序的，而且沿着不 同的层次流动。
系统生物学的钥匙——干涉
• 系统生物学一方面要了解生物系统的结构组 成，另一方面要揭示系统的行为方式。相比 之下，后一个任务更为重要。
• 系统生物学研究状态下，揭示出特定的生命 系统在不同的条件下和不同的时间里具有什 么样的动力学特征。所研究的并非一种静态 的结构，而是要在人为控制的状态下，揭示 出特定的生命系统在不同的条件下和不同的 时间里具有什么样的动力学特征
• 2.2005年，上海系统生物医学研究中心在 上海交通大学成立。
• 3.2005年，中国科技大学与上海生命科学 研究院合作成立国内第一个系统生物学 系，共同培养和及早储备２１世纪生物 学研究发展所需要的未来人才。
研究内容
• 1.系统结构的识别和研究
（System Structure） 这包括基因相互作用网络、生化代谢 途径以及这些相互作用以何种机制调 节生物系统的研究等内容。