疾病的系统生物学

第二节 组学技术在系统生物学中的应用
1. 基因组学 2. 转录组学 3. 蛋白质组学 4. 相互作用组学 5. 代谢组学 6. 表型组学 7. 药物组学
1. 基因组学
❖ 基因组学的概念于1986年由美国著名的人类遗传学 家Thomas Roderick率先提出来；
❖ 人类的基因组计划（HGP）于1990年正式启动，人 类基因组计划与曼哈顿原子弹计划和阿波罗计划并 称为三大科学计划；
疾病的系统生物学
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”
认识论
方法论
目标小
视野小
基因克隆技术
蛋白质结构分析技术
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
后基因组时代的生命观：复杂系统
酵母的基因功能网络
系统生物学的研究内容
1. 系统结构辨识 ：明确系统组分的内涵和组分 间的相互作用 。
2. 系统行为分析 ：研究系统随时间、空间改变 而产生的行为 。
3. 系统控制 ：建立一个控制生物学系统状态的 模型算法 。
4. 系统设计 ：设计出在特定时空环境中最健康 的系统模型。
系统生物学的研究技术方法
基因组 转录组
❖ 研究方法：cDNA芯片和高通量测序技术。
cDNA芯片检测的原理
3. 蛋白质组学
❖ 蛋白质组（proteome)是指一个基因组、一种细胞或组织 表达的所有蛋白质。
❖ 蛋白质组学则是通过大规模研究蛋白的表达水平变化、 翻译后修饰、蛋白质与蛋白质之间的相互作用，以获取 蛋白质水平上疾病变化、细胞进程及蛋白质网络相互作 用的整体综合信息的科学研究，是生命科学研究的热点 领域之一。
❖ 研究内容包括：表达蛋白质组学、结构蛋白质组学与功 能蛋白质组学。
❖整合(Integration)是系统生物学研究的主要灵魂
层次间整合、研究思路整合和研究方法整合
❖干涉(perturbation)是系统生物学的钥匙
系统性和高通量是系统生物学干涉的两大特点
❖信息(Information)是系统生物学的基础
系统生物学就是要研究并揭示这种信息的运行规律
生命科学的第二次革命
研究对象：各种层次的整合
研究对象：各种生物分子的整合
Citric acid cycle
Metabolome Proteome
Transcriptome Genome
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）
Protein interaction Protein structure Gene expression Gene mutation Gene clone
系统生物学 (Systems Biology)
系统生物学的应用
从基因到生命计划（genomes to life, GTL）
生理人计划（human physiome project，HPP）
在3P医学中的应用 预测医学(Predictive) 预防医学(Preventive) 个体化医学(Personalized)
后基因组时代的生命观：复杂系统
细 胞 信 号 转 导 网 络
走向新的综合
小科学
大科学
系统生物学
第一节 系统生物学的基本理论
系统生物学的提出
❖ 1999年，人类基因组计划的发起 人之一，美国科学院院士莱诺 伊·胡德(Leroy Hood) 提出了 “系统生物学”的概念。
❖ 他认为“系统生物学将是21世纪 医学和生物学的核心驱动力”。
❖ 2000年创立了世界上第1个系统 生物学研究所（Institute for Systems Biology，CalTech）。
系统生物学 (Systems Biology)的概念
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（DNA、RNA、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。
Systems Biology
Gene （Protein）
1，
2，
3，
n
组学
（发现的科学）
研究策略：实验科学与理论科学的整合
实验科学
系
分子生物学
统
细胞生物学 基因组学 蛋白质组学
生 物
······
学
理论科学
数学 计算科学 信息科学 理论物理学 ······
Future potential for perturbation-based gene network identification strategies.
❖ 基因组学的应用：药物基因组学
2. 转录组学
❖ 是一门在整体水平上研究细胞中基因转录情况及 转录调控规律的学科。
❖ 转录组：是指特定细胞在某一功能状态下全部转 录本的总和，包括mRNA与非碥码RNA。
❖ 研究内容包括：在特定的细胞中所有可能的转录 本、它们的时空表达模式、参与其表达的调控因 子及其调控机制、转录调控的作用靶点及其对基 因表达结果的影响、靶基因表达对相关生物功能 与生物学行为的影响。
人类基因组计划
系统生物学的诞生
科 中心法则的发现
学
家
分子生物学的诞生
对
自
然
界
的
认
识
程
度
1950
1990
时间
研究生命的新思维
传统生物科学
（中国传统医学） 输入
综合性研究
输入
经典生物实验科学
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 输出
系统生物学——21世纪的新科学
❖ 预期在2005年，把人体内约10万个基因的密码全部 解开，同时绘制出人类基因的图谱；
❖ 结构基因组学：是通过基因作图，核苷酸序列分析 以及确定基因组成、基因定位的一门科学。
基因组学
❖ 功能基因组学：进行基因组功能的注释、了解基因 的功能、认识基因与疾病的关系、掌握基因的产物 及其在生命活动中的作用。 1）进一步识别基因； 2）注释所有基因的功能； 3）研究基因的表达调控机制； 4）比较基因组学研究。
合成生物学
蛋白质组 相互作用组
数据整合
模型构建
代谢组
系统干涉
表型组
组学实验
wenku.baidu.com
理论计算
系统生物学研究的两大技术方法：组学实验和理论计算
系统生物学的研究流程
模型构建
模型验证 与重复
干涉与整合
模型调整 与修订
系统生物学的基本工作环节
选择可控生物系统 定性和定量的测量 计算和数学建模
系统生物学的研究特点