生物分子网络 第1章 生物分子网络基础

引言
名解：
网络：网络是由节点集合V={v1,v2,..,vV}和边集合E={e1,e2,...,eE}所组成的集合N={V,E}。

网络科学是研究利用网络来描述物理、生物和社会现象，建立这些现象预测模型的科学. 分子生物网络：生命系统中形态与功能上特化的细胞集团之间，以及各种生物大分子在组合上相互关联的结构形式。

简答：
1，网络科学子学科：
动态网络分析、社会网络分析、复杂网络研究、网络优化、网络生物和图论
2， Albert 在报告中介绍了在网络科学和系统生物学交叉领域的3个重大研究课题： 网络发现、网络分析、动态网络模型 3，生物网络主要研究的基本性质：
a.结构性质：基因调控网络、生物化学反应途径和网络的连接结构性质，网络中的基本结构模块或模式
b.动态特性：生物系统随时间的演化过程和动态性质 ，利用动力学的分析方法研究系统的动力学规律，理解生物系统的内在动力学机制.
c.控制方法：研究正反馈、负反馈和时间延迟等控制机制在生物调控网络中的应用； 4，生物分子网络的分类
基因调控网络、蛋白质互作网络、信号转导网络、表观遗传调控网络、疾病基因网络、代谢网络
第1章 生物分子网络基础
名词解释
复杂网络：具有自组织、自相似、吸引子、小世界、无标度中部分或全部性质的网络称为复杂网络。

直径：（diameter ）是描述网络总体性质的一个属性。

网络的直径是指网络中任意两个
连通节点间距离的最大值。

网络的直径代表了网络中节点连接可能出现的最远距离，标志着网络紧密的程度。

平均路径长度：网络的平均距离（average distance ）也是描述网络总体性质的一个属
性。

网络的平均距离是指网络中任意两个连通节点距离的平均值，也是衡量网络紧密程度的重要指标
聚类系数：（clustering coefficient ）CC 来表示，在无向网络中，聚类系数定义为：
n 表示节点V 的K 个邻居两两之间连接的边
数， C k 2
表示K 个邻居两两相连的最多边数。

介数:
一个节点的介数（Betweenness 点v 的介数B v 定义如下：
j
,i σ
其中， 表示节点i 到节点j 的最短路径的条数，
表示其中通过节点v 的路径条数。

紧密度：
v 的紧密度Cv 定
义如下：
其中d vj 表示节点v 到节点j 程度，紧密型测度越小，节点越接近中心。

拓扑系数：
类似于聚类系数，拓扑系数（topology coefficient ）是反映互作节点间共享连接比例的测度，节点v
其中，
表示与节点v 和节点t 都连接的节点数。

为所有与节点v 分享邻居的节点集合。

拓扑系数反映了节点的邻居间被其它节点连接在一起的比例.
度分布函数：分布P （k ）,k=1,2,...是另一种重要描述网络连通性的属性，P(k)表示的是一个随机选定的节点的度恰好为k 的概率
聚类系数的连通度函数：而类似的针对网络还可以建立起随连通度变化的聚类系数的连
通度函数C （k ），这个函数被定义为当函数自变量等于k 时，C （k ）等于所有连通度为k 的节点的聚类系数的平均值。

随机图理论：一个含有N 个节点的ER 随机图边的总数期望值为p (N*(N-1)/2)。

进一步推断要产生一个含有N 个节点M 条边的ER 随机图概率为p M (1-p)N(N-1)/2-M
几乎每一个ER 随机图都具有某种性质Q ，如果当N→∞时产生具有这种性质Q 的ER 随机图的概
率为1。

简答题
1. 哪些生物分子网络通常是无向网络？
蛋白质互作网路、基因表达相关的网路、代谢网络 2. 如何通过网络拓扑属性分析节点在网络中的作用？
1）、
3. 什么是中心（hub)节点？生物分子网络中的中心节点有什么特点？
连通度较大的节点称为中心节点（hub ），它们很自然地成为目前研究的重点，在蛋白质互作网络等生物网络中，支持生命基本活动的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。

同时，人类蛋白质互作网络的研究表明，中心节点显著富集着与癌症等遗传性疾病相关的基因。

4.网络中的弱连接和强连接都分别有什么作用？
j
,i σ
v,t C v M
弱连接：弱连接则较能够在不同的团体间传递非重复性的讯息，使得网络中的成员能够增加修正原先观点的机会。

强连接：强连接关系通常代表着行动者彼此之间具有高度的互动，在某些存在的互动关系型态上较亲密。

5.复杂网络的复杂性主要表现在哪几个方面？
(1)结构复杂性:表现在节点数目巨大，网络结构呈现多种不同特征。

(2)节点复杂性:表现在网络节点的多样性。

复杂网络中的节点可以代表任何事物，例如，人际关系构成的复杂网络节点代表单独个体，万维网组成的复杂网络节点可以表示不同网页。

(3)网络进化性:表现在节点或连接的产生与消失。

例如world-wide network ，网页或链接随时可能出现或断开，导致网络结构不断发生变化。

(4)连接多样性:节点之间的连接权重存在差异，且有可能存在方向性。

(5)动力学复杂性：节点集可能属于非线性动力学系统，例如节点状态随时间发生复杂变化。

(6)多重复杂性融合：即以上多重复杂性相互影响，导致更为难以预料的结果。

例如，设计一个电力供应网络需要考虑此网络的进化过程，其进化过程决定网络的拓扑结构。

当两个节点之间频繁进行能量传输时，他们之间的连接权重会随之增加，通过不断的学习与记忆逐步改善网络性能.
6.什么是度分布，通常有几种度分布函数，请举例说明
P(k)表示的是一个随机选定的节点的度恰好为k 的概率
常见的网络度分布：
Delta 分布
泊松(Poisson)分布（完全随机网络） 幂律分布（无标度网络）
计算题
1. 计算下图D 点的拓扑属性
D 的度
=5；
D 的聚类系数===0.1
D 的介数
∑
∈≠≠=
V
v j i ij
ivj σσ=17
D 的紧密度∑∈≠-=
V
v j vj v d n C 11
=
D 的拓扑系数∑∈=
v
,min 1M t t v v,t
v
v }k {k C
M T =
=0.5
2. 计算网络的拓扑属性。

网络的直径D=3
网络的平均路径长度AD=/=
网络的聚类系数AC=（0.1+0+0+1+1+1+1+0.333）/8=0.554
3.计算图中BD边的介数。

=
4.计算图中点D的介数。

D点的介数为17
5.请指出图中的中心节点。

中心节点为D点
K 1 2 3 5
P(K) 2 4 1 1
第三章生物网络特征及分类
简答
1.发现生物网络并应用网络图的典型案例.
全身经络网络、进化树、中心法则
2.生物学面临的新挑战是什么？
系统生物学、癌症基因组计划、蛋白质组学
3.人类基因组计划为分子网络的发展带来了新的机遇，促进了哪些网络的快速发展？
基因网络的研究进展、蛋白质组及人类相互作用组的研究进展、
遗传信息网络的研究进展、表观遗传网络的研究进展
4.分子生物网络的基本特征是什么？
稀疏性：度大的点较少
无标度性质：度没有明显特征
超小世界性：平均路径长度比一般小世界还短
层次性：聚类系数与节点度k成反比
度的负关联性：具有度大的节点倾向于连接度小的节点
鲁棒性与适应性：当外界环境的变化时有一定的承受能力
5.如何理解分子生物网络的度的负相关性？
度的负关联性是指具有度大的节点倾向于连接度小的节点，例如，在蛋白质相互作用的网络中：度非常大的蛋白质节点不直接相连，而与度比较小的蛋白质节点相连接。

复制能够使得网络朝着负关联网络发展，而在变异的发生过程中，度大的节点更容易存活。

生物分子网络的负相关性是复制和变异这两个进化机制共同作用的结果。

6.如何理解分子生物网络的超小世界性？
许多生物分子网络的平均路径比一般小世界平均路径还要短，例如，在细胞内代谢网络中，平均通过3或4个反应的路径就能够连接多数成对的代谢物。

具有超
小世界效应的网络更便于生物信息在网络的节点之间得到迅速传播。

7.生物分子网络大致上分成哪四个层次？
节点、模体、功能模块、网络
8.分子生物网络的构建方法有哪几种？
对于成熟的数据直接构建、
对于尚不完整的数据，利用数据库下载进行补全
根据生物进化论构建网络。