系统生物学第一章系统生物学概况.pptx

1、系统生物学第一章系统生物学概况中文参考书 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。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。English BooksKlipp E.etc.Systems Biology:A Textbook,Wiley-VCH,2009 Alberghina L.&Wes

2、terhoff H.V.(Eds.)Systems Biology:Definitions and Perspectives(Topics in Current Genetics),Springer-Verlag Berlin Heidelberg,2005.Palsson B.O.Systems Biology:Properties of Reconstructed Networks,Cambridge University Press,2006.Konopka A.K.Systems Biology:Principles,Methods,and Concepts,CRC Press,200

3、6.Kriete A.&Eils R.(Eds.)Computational Systems Biology,Elsevier Academic Press,2006.Wilkinson D.J.,Stochastic Modelling for Systems Biology,CRC Press,2006.Sangdun Choi(Eds.)Introduction to Systems Biology,Humana Press,2007.Frederick B.Marcus,Bioinformatics and Systems Biology:Collaborative Research

4、and Resources,Springer-Verlag Berlin Heidelberg,2008.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.Oleg Demin&

5、Igor Goryanin,Kinetic Modelling in Systems Biology,CRC Press,2009.第一章 系统生物学概况什么是系统生物学（systems biology）？人类认识世界的两种方法论p Reductionism（还原论）p Holism（整体论）RENE DESCARTES(1595-1650)I am thinking therefore I exist.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。长久以来，科学家

6、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。所有生命都来自共同的祖先所有生命都来自共同的祖先C.Darwin不同的有机体遵循着统一的规律不同的有机体遵循着统一的规律DNA 是实现生命繁衍的基本大分子是实现生命繁衍的基本大分子繁殖就是将繁殖就是将 DNADNA 双螺旋传给后代双螺旋传给后代不同结构的蛋白质负责不同的生命活动不同结构的蛋白质负责不同的生命活动酶酶运动蛋白运动蛋白血红蛋白血红蛋白不同氨基酸序列的蛋白质具有不同的空间结构不同氨基酸序列的蛋白质具有不同的空间结构蛋白质是由蛋白质是由 2020 种氨基酸连成的生物大分子

7、种氨基酸连成的生物大分子蛋白质的形成倚赖蛋白质的形成倚赖 DNADNA 上的遗传信息上的遗传信息遗传密码（三个碱基）决定一种氨基酸遗传密码（三个碱基）决定一种氨基酸基因就是含有遗传密码的一段基因就是含有遗传密码的一段 DNADNA 序列序列起始位置起始位置结束位置结束位置基因基因基因1基因2蛋白质蛋白质1 1蛋白质蛋白质2 2一个基因决定一种蛋白质一个基因决定一种蛋白质转录：解读基因的语言转录：解读基因的语言翻译：根据遗传密码决定蛋白质的氨基酸序列翻译：根据遗传密码决定蛋白质的氨基酸序列现代生命科学的“中心法则”现代生命科学的“中心法则”DNADNA信息信息 RNARNA解读解读 蛋白蛋白质质

8、产品产品生命活动生命活动用途用途现代生物学家眼中的生命还原论观点现代生物学家眼中的生命还原论观点个体水平个体水平细胞水平细胞水平DNA分子水平分子水平蛋白质蛋白质 生命与非生命没有本质上的不同，它生命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。们都遵循着统一的物理化学规律。现代生命科学的特征现代生命科学的特征l 简单化简单化l 线性化线性化l 定性化定性化l 实验化实验化小结一直以来,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

9、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。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。传统思路：信号通路实际情况：信号网络人类认识世界的两种方

10、法论p Reductionismp HolismRENE DESCARTES(1595-1650)I am thinking therefore I exist.Jan Smuts(1870-1950)“Holism and Evolution”27基因组 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：原核生物基因组：1.5Mb(1500 个基因个基因)8Mb(7500 个基个基因因)古细菌基因组：古细菌基因组：1.5Mb(1500 个基因个基因)3Mb(2700 个基个基因因)真核生物基因组真核生物基因组细胞

11、核基因组：细胞核基因组：1.3X107kb(6 千个基因千个基因)3.3X109kb(4 万个万个基因基因)线粒体基因组：线粒体基因组：16 kb(13 个基因个基因)399 kb(34 个基因个基因)叶绿体基因组：叶绿体基因组：120kb(87 个基因个基因)190kb(183 个基因个基因)基因组是什么？基因组是什么？“基因组后基因组”时代基因组后基因组”时代人类基因组人类基因组23 条染色体：条染色体：3.3X109 bp常染色质：常染色质：2.9X109 bp异染色质：异染色质：0.4X109 bp基因数：基因数：2 万 万 2 万万 5千千 1.5%1.5%序列用于编码基因序列用于编

12、码基因人类基因组计划 人类基因组计划 HGP人类基因组计划的意义（人类基因组计划的意义（1 1）催生了组学（催生了组学（Omics）的研究）的研究基因组学（基因组学（Genomics）功能基因组学 功能基因组学(Functional Genomics)转录组学转录组学（Transcriptomics）蛋白质组学蛋白质组学（Proteomics）代谢组学代谢组学（Metabolomics）人类基因组计划的意义（人类基因组计划的意义（2 2）生物信息学生物信息学计算生物学计算生物学促进了交叉学科的发展促进了交叉学科的发展人类基因组计划的意义（人类基因组计划的意义（3 3）认识论认识论目标大目标大方

13、法论方法论视野大视野大形成了生命科学的“大科形成了生命科学的“大科学”学”人类基因组计划的意义（人类基因组计划的意义（4 4）高通量低成本测序技术：个性化医学的基础高通量低成本测序技术：个性化医学的基础20002000 年：年：1 1 万美金测序费万美金测序费/百万百万碱基碱基20102010 年：年：1 1 美金测序费美金测序费/百万百万碱基碱基个体化个体化在近五年内，将实现一个人的全基因组测序费用不在近五年内，将实现一个人的全基因组测序费用不超过超过 10001000 美金；到美金；到 20202020 年，测序费用还将大大降年，测序费用还将大大降低。低。个体基因组计划个体基因组计划美国个

14、体基因组计划美国个体基因组计划lDiploid genome sequencinglPersonal genome sequencing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。英国万人基因组计划英国万人基因组计划（UK10K）l4000 名英国人的全基因组序列，其中一半是针对英国的双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。胞胎来进行的，另一半则是针对父母与子女来开展。l 6000 个人则只是测定其外显子序列。参与外

15、显子测序的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，因相互作用疾病定位到特定的基因上。其中，2000 人是人是极度的肥胖；极度的肥胖；3000 人患有神经元发育障碍；另外人患有神经元发育障碍；另外 1000 人人则患有先天性心脏病等比较稀少的疾病。则患有先天性心脏病等比较稀少的疾病。Generate antigenGenerate specific antibodiesa b c d In vitro protein profiling In vivo

16、protein profiling Isolation of protein complexesProteinchip Isolation of native protein Structure Modification BiochemistryThe Human Proteome Resource(HPR)program利用抗体系统地检测人类蛋白质组利用抗体系统地检测人类蛋白质组Prof.Mathias UhlenRoyal Institute of Technology Sweden生命进化与转录组生命进化与转录组1 7%0.5%D r o s o p h i l a8 5%2%1 3%E.c o l i7 0%2%2 8%Y e a s t S.c e r e v i s i a e1.5%0.5%9 8%H u ma n2 8%0.5%7 1%N e m a t o d e C.e l e g a n s0.5%0.0 1%L u n f i s h (d i p n o i)C o d i n g (p r o t e i n)R N A N o n-c o d i n g8