系统生物学选讲

系统生物学的定义：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（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，并通过计算生物学建立一个数学模型来定量描述和预测生物功能、表型和行为的学科。

系统生物学的工作流程①对选定的某一生物系统的所有组分进行研究，构建系统模型。

②系统地改变被研究对象的内部组成成分或外部生长条件，观测系统所发生的相应变化，整合全部信息③把通过实验得到的数据与根据模型预测的情况进行比较，并对初始模型进行修订。

④是根据修正后的模型，设定新的改变系统状态的实验，重复第二步和第三步，不断地通过实验数据对模型进行修订和精练。

系统生物学研究的4个问题：系统结构的阐述；系统行为的分析；控制系统的方法；如何设计系统遗传图谱又称连锁图谱或遗传连锁图谱：指基因组内基因和专一的多态性DNA标记相对位置的图谱。

遗传作图的DNA（分子）标记：第一代：限制性片段长度多态性；第二代：简单序列长度多态性；第三代：单核苷酸多态性标记物理作图：定义：以一段已知核苷酸序列的DNA片段（限制性酶切位点、序列标签位点等）为标记,以Mb或Kb作为图距绘制的基因组图。

基本要素：路标、单位、顺序、可复制的DNA片段为什么要进行物理作图？遗传学图谱分辨率有限；遗传学图谱精确度有限物理作图的基本原理：物理图谱的本质是路标和克隆测序；单一克隆或重叠克隆都不是图谱，重叠克隆的延续可以制成图谱，克隆末端的数量决定了可排DNA片段的数量文库的概念：含有某种生物体全部基因的随机片段的重组DNA克隆群体宿主：能容纳外源DNA片段的生物体，常用的有大肠杆菌、酵母等载体：能携带外源DNA进入宿主细胞的工具，常用的载体有质粒载体、噬菌体载体、细菌人工染色体等作为载体的基本要求：能在宿主细胞中进行独立的复制；具有多克隆位点，可插入外源DNA片段；有合适的筛选标记，如抗药性；大小合适，易于分离纯化；拷贝数多序列图谱：以某一染色体上所含的全部碱基顺序绘制的图谱。

第一章系统生物学概况1 系统生物学产生的背景20世纪分子生物学的诞生使传统生物学研究转变为现代实验科学。

1953年双螺旋结构模型建立是生物学进人分子生物学时代的标志，生物学由宏观生物学进入微观生物学，生物学研究由形态、表型的描述逐步分解、细化到生物体的各种分子及其功能的研究进入了对生命现象进行定量描述的阶段能的研究，进入了对生命现象进行定量描述的阶段。

1993年启动的人类基因组计划是生命科学史上第1个大科学工程，开始了对生物全面、系统研究的探索。

2003年完成了人和各种模式生物体基因组的测序，第1次揭示了人类的生命密码。

基因组计划的成功使我们了解了包括大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇、小鼠等模式生物和人类的所有遗传信息组成、大规模的基因和这些基因产物的功能、基因表达图谱等。

1994年蛋白质组学概念提出及发展使对生物系统所有蛋白质的组成和相互作用关系有了更深的了解。

基因组学和蛋白质组学中的高通量实验方法为系统生物学发展提供了大量的数据。

计算生物学的兴起。

计算生物学通过数据处理、模型构建和理论分析，成为系统生物学发展的一个必不可缺、强有力的工具。

随着人类基因组计划等的进展，生命科学步入了功能基因组时代。

生物学在基因组学、蛋白质组学、信息科学和系统学等新型大科学发展的基础上孕育了系统生物学。

系统生物学发展史(Koide et al., 2009)2 系统生物学产生和发展的主要特点系统生物学的发展都是随着人类认知需要、生产需要和生命科学新技术的不断发展而发展的，是生物信息、实验技术和分析方法等集聚到一定的阶段而产生的。

发展的主要特点：1953-2000左右：基因认知和基因组学的发展基因结构；基因表达和调控；基因和产物的对应关系；基因扩增；序列测定；体外编辑；转基因技术；基因体外产物的表达和获取；体外基因重组产物的功能验证；大规模基因组测序；1988-2000左右：蛋白的认知和蛋白组的发展蛋白检测技术发展蛋白杂交技术蛋白组的获得定量蛋白组分析蛋白检蛋白检测技术发展；蛋白双杂交技术；蛋白组的获得；定量蛋白组分析；蛋白检测微型化技术等；1999以后：代谢和其它组学的认知和发展等代谢物标记技术；代谢网络重构技术；体外基因和小型基因组合成和拼接技术；蛋白-DNA互作和检测技术；大规模基因组测序技术(NGS)；代谢组检测技术；大规模基因调控网络检测技术等；3 系统生物学的定义系统生物学是研究一个生物系统中所有组成成分(DNA、mRNA、蛋白质等)的构成，以及在特定条件下这些组分间并通过计算生物学建立一个的相互关系，并通过计算生物学建立个数学模型来定量描述和预测生物的功能、表型和行为的学科。

系统生物学的研究及应用前景分析导言现代生物学在基因组学和信息学的发展下，逐渐从分子生物学革新为系统生物学。

系统生物学是一门研究组织层级整体性能的生物学科学，基于高通量技术、计算生物学和网络等工具，从微观到宏观的不同层面，涵盖了化学、物理、计算等多学科的知识，做到了客观描述、可预测和可控制复杂的组织和生物系统。

目前，该领域不仅有极大的研究价值，还有着十分广泛的应用前景。

本文将对系统生物学从研究到应用前景进行分析。

一、系统生物学的研究方法1.1 基因组学的应用基因组学是基于高通量测序技术的生物学分支，它可以用于检测一组生物体内的DNA序列，从而研究随机发生的基因突变和遗传变异和整个基因组的演化程度，是系统生物学的研究重点。

目前已出现了一些公共数据库，例如GenBank、SwissProt、RefSeq 等，这些数据库中收集了全世界基因组数据，有利于研究者们对生物基因组的研究和分析。

1.2 转录组学的应用转录组学是基于DNA序列转录的生物学分支，它可以通过建立菌株实验室的转录组数据，通过RNA-Seq技术筛选出与疾病相关的基因和分子。

例如，通过对细胞核糖体蛋白S18基因在不同代谢状态下的转录数据分析，研究者发现了5个可能与这基因高表达有关的基因，为治疗这些疾病提供了一些关键的线索。

1.3 蛋白质组学的应用蛋白质组学是基于介质分析分离出的蛋白质数量和序列的生物学分支，它可以在蛋白质水平上研究生物体内的调节过程和代谢状态，为药物筛选提供了重要的信息，例如蛋白质组分析，在分析骨髓细胞中调节肿瘤代谢的蛋白，为临床治疗的选择提供了一些可靠性。

1.4 代谢组学的应用代谢组学是基于质谱分析和核磁共振技术进行的生物学分支，它主要研究生物体内的代谢活动和代谢物关键酶以及代谢途径，为研究代谢物与疾病之间的关系，提供了确定性与可靠的途径。

例如，在分析代谢物组学技术和肥胖病之间的关系时，发现代谢物与肥胖病具有密切的关联性。

二、系统生物学在疾病的研究中的应用2.1 肿瘤学肿瘤是人类威胁健康的一种疾病，系统生物学研究发现肿瘤是一种复杂的组织紊乱现象，这种情况下可以通过对公共数据库（例如The Cancer Genome Atlas: TCGA）进行基因组学、转录组学、蛋白质组学等数据的整合分析，来研究肿瘤的转录发生和动态过程是如何进行的。

系统生物学的基本原理与应用：探讨系统生物学的基本原理、算法和应用引言生物学研究自古以来就是人类一直追求的领域之一。

随着科学技术的进步，我们对生物体内的各种生命现象有了越来越深入的了解。

而系统生物学作为一门新兴的交叉学科，正是利用系统论的思想和方法，将生物学、工程学和计算机科学相结合，帮助我们更好地理解生物系统中复杂的生命现象和机制。

本文将探讨系统生物学的基本原理、算法和应用。

什么是系统生物学？系统生物学是一门研究生物系统的学科，旨在揭示生物系统的整体结构、功能和行为。

它强调生物体内各个层级的组织与协同作用，研究生物系统的全局性质。

系统生物学不仅关注个体细胞的分子机制，还研究生物组织、器官乃至整个生物体的系统特性。

通过建立数学模型和计算机模拟，系统生物学可用于预测和优化生物系统的行为，从而有助于生物学、医学和工程学的发展。

系统生物学的基本原理1. 基因调控网络基因调控网络是系统生物学研究的重点之一。

在生物体内，基因的表达受到调控因子的调控，如转录因子和正负调控子。

基因调控网络描述了这些调控因子之间的相互作用，以及它们对基因表达的影响。

通过对基因调控网络的分析，我们可以了解基因间的相互作用关系，以及这些关系对整个生物系统的影响。

2. 信号转导网络信号转导网络是生物体内传递信号的重要方式之一。

在生物体内，细胞通过内部和外部信号来调节其功能和行为。

信号转导网络描述了信号从起始点到终点的传递路径，以及这些路径上的分子相互作用和调节关系。

通过对信号转导网络的分析，我们可以了解信号传递的调节机制，以及这些机制对细胞功能和行为的影响。

3. 代谢网络代谢网络是描述生物体内代谢过程的数学模型。

代谢是生物体将输入物质转化为能量和产物的过程，包括物质的合成、降解和转运等。

代谢网络描述了这些转化过程的相互作用和调节关系。

通过对代谢网络的分析，我们可以了解代谢过程的调节机制，以及这些机制对生物体能量平衡和物质转化的影响。

系统生物学的算法系统生物学的研究离不开数据的收集和分析。

21世纪的生命科学——系统生物学吴家睿中科院上海生命科学研究院物秀-专w ww .b秀-专心w w w.b bi o生物秀-专心做生w w w.b i oo.co m生物w w心做生物.b b i oo.co m-专-专心做生物w.b bi o o.c om系统生物学1，2，3，n 组学（发现的科学）基因（蛋白质）基因克隆基因表达基因突变蛋白质结构蛋白质相互作用酶活力实验生物科学（假设驱动的科学）生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m秀-专心做生物w w w.b bi o o.c om生物基因组：Digital生物秀-专心做生物w ww.b bi o o.c omDNAmRNA 蛋白质蛋白质相互作用网络细胞组织/器官个体生命系统的信息流向生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m（141TF)生物秀-专心做生物w ww.b bi o o.c om系统生物学的国际动态生物秀-专心做生物w ww.b bi o o.c om生物秀-专心做生物w ww.b bi o o.c omInstitute for Systems Biology（1999）秀-专心做生物w w w.b bi o o.c om生物秀-专心做w w w.b bi o o.c om生物系统生物学面临的挑战生物秀-专心做生物w ww.b bi o o.c om秀-专心做生物w w w.b bi o o.c om生物秀-专心做生物w w w.b bi o o.c om生物Thank You!生物秀-专心做生物w ww.b bi o o.c om。

系统生物学的基础知识和应用系统生物学是一门综合性学科，旨在研究生物系统中各个组成部分的相互作用及其整体行为。

它涵盖了从分子、细胞、组织到器官、个体和生态系统的各个层次。

系统生物学的发展为我们理解复杂生物现象提供了新的视角和方法。

本文将简要介绍系统生物学的基础知识和应用。

一、系统生物学的基础知识1.1 系统生物学的定义系统生物学是一门跨学科的领域，融合了生物学、化学、物理学、计算机科学、数学和工程学等多个学科的知识。

系统生物学的主要目标是研究生物系统中各个组成部分的相互作用，揭示生物体的整体行为和功能。

1.2 系统生物学的层次结构系统生物学的研究对象涵盖了从分子、细胞、组织、器官、个体到生态系统的各个层次。

在不同层次上，系统生物学家关注的问题和研究方法有所不同，但共同目标是为了揭示生物体的整体行为。

•分子层次：研究生物大分子（如蛋白质、核酸、糖类等）的结构、功能和相互作用。

•细胞层次：研究细胞内部的生物化学反应、信号传导、代谢调控等。

•组织层次：研究组织结构、细胞分化和组织生成等。

•器官层次：研究器官的结构、功能和疾病机制等。

•个体层次：研究个体的生理、行为和生态适应等。

•生态系统层次：研究生物群落、生态位、能量流动和物质循环等。

1.3 系统生物学的核心技术系统生物学的研究方法主要包括实验、模型构建和计算分析。

其中，实验方法包括基因组学、蛋白质组学、代谢组学等技术，用于获取生物系统的数据；模型构建采用数学模型、物理模型和计算机模型等，用于模拟生物系统的整体行为；计算分析方法包括统计学、机器学习和数据挖掘等，用于解析生物系统的复杂性。

二、系统生物学的应用2.1 疾病研究与治疗系统生物学在疾病研究与治疗领域取得了显著成果。

通过研究疾病相关的基因、蛋白质和代谢物等生物标志物，可以实现早期诊断、病情评估和治疗效果监测。

此外，系统生物学还为药物研发提供了新的思路和方法，如基于靶点的药物设计、药物-靶点相互作用网络分析等。

1.系统生物学与合成(synthesis)的观点系统生物学试图由合成的角度看生物学，合成的观点选择面对子系统不独立的可能性，而希望寻找新的方法来解决子系统间交互作用的问题。

就像是研究任何一个科学问题一样，解决这问题的第一个步骤是有系统地收集这些交互作用的信息。

在过去采用化约论的观点看问题时，在用一个新的观点诠释问题时，才会注意到过去那些被忽视的信息。

佛来明发现抗生素时，并不是因为只有他观察到这现象，而是因为只有他重视这现象。

因此能够灵活地由不同的尺度，不同的观点看问题时，才容易有新的发现。

传统生物学假设细胞是一个黑盒子，我们可以加入物质(例如养份或抑制剂)，或制作突变株来扰动这未知的系统，再做实验上的观察。

系统生物学在设计实验时，所测量的数值或许与过去所差不多，可是使用巨量分析的技术收集大量数据，而解释数据的观点也不相同，甚至会引入许多生物学者不熟悉的分析方式。

这种先收集大量数据，再做理论分析的研究方法是比较有效率的方式，可在同样的时间内由不同的专家‚平行‛地研究不同的路径。

更重要的是这种研究方式，让我们有机会观察到许多路径间的交互作用，这是在针对单一路径做研究时不容易看见的信息，因此才有机会由合成的角度分析生物学。

在发展遗传工程学时，曾经淘汰了一批不习惯用这样方式思考的人，也让学习这种思考方式的人有了飞快的进展。

系统生物学的观点是否相当于过去遗传工程学对生物学的冲击，不同的人或许有不同的见解，可是可以确认的是它会发现一些过去忽视的现象，而且能与化约的观点互补。

或许现在发展系统生物学的时机尚未成熟，可是我们是要创造时势，或是在未来追随时代的潮流，是我们应该思考的问题。

2.生物信息学是过渡到未来生物学的重要工具未来的生物学究竟是否会综合化约与合成的观点来建立生物学的理论架构虽然尚不明朗，可以确认的是生物信息学的工具将像遗传工程技术那样的深入到每个生物学实验室。

这种新的工具是这两种观点都需要的工具，它不但能被动地节省做分析的人力，也能主动地引入‚由信息驱动的生物医学研究‛。

整合生物学中的系统生物学在生物学领域中，系统生物学涌现出来是一个较新的学科，它将许多既往被认为是明确定义的生物学概念，例如排列、蛋白质、化学物质及工作系统等，合成为一个独特的框架。

系统生物学不是一个孤立的领域，它涉及多个科学领域，包括计算机科学、信息学、物理学、生物物理学、细胞生物学、生物化学、分子生物学以及遗传学等。

由于其跨学科的特性，系统生物学为生物学研究带来了很多新的视角和策略，令研究者能够从更高的层次来认识生命现象。

系统生物学十分重视研究各类生态系统中生物之间的关系，以及之间的相互作用。

在这一过程中，系统生物学采用了一系列的方法，例如利用人工的或是计算机模拟的实验来观察和分析生物生态环境。

系统生物学还利用了比较生物学，将来自不同物种的生态数据进行匹配分析，我们可以在自然经历过自然选择的物种种群中寻找生物间的联系和差异。

在拥有如此多的分支学科中，系统生物学是一种学术进化，其最终目的是为了更为立体化、准确地描绘生命现象中发生的事件、失衡和驱动力，而不仅仅满足于解释单纯物质之间的相互作用。

例如在药物研究中，系统生物学可帮助理解药物如何影响生物系统，并寻找到它所产生的复杂反应。

通过这项工作，我们将更好地了解药物与生物之间的相互影响，以及找到开发更有效的药物的方法。

与生物学中其他领域类似，系统生物学研究仍然需要大量的仪器和技术支持。

这些技术包括计算机模型、不同类型的光学、质谱和核磁共振等，这些仪器和技术旨在帮助我们了解有关细胞、化学物质、蛋白质、DNA以及基因表达等的信息。

一个好的系统生物学家需要熟练掌握这些科学的技术，以便更好地实现他们的研究目的。

总的来说，系统生物学的目标是促进生物学的演化并推广与其他科学分支的关系，在这一过程中，我们可以观察到当前的商业化与技术能力的发展所让我们可以动态观察生态环境的异常变化以及每个单独的物种在其中所起的作用。

如果我们能够充分地利用系统生物学方法，我们可以更好地了解生命中微观和宏观领域的相互作用，帮助我们更深入地解析和掌握生命的奥秘。

系统生物学试题及答案系统生物学是一门研究生物系统整体行为的学科，它结合了生物学、物理学、数学、计算机科学等多个领域的知识。

下面是一套系统生物学的试题及答案。

一、选择题（每题2分，共20分）1. 系统生物学研究的是什么？A. 单个分子的行为B. 单个细胞的行为C. 生物系统的整体行为D. 单个基因的行为答案：C2. 下列哪项不是系统生物学常用的数学工具？A. 微分方程B. 概率论C. 线性代数D. 遗传算法答案：D3. 系统生物学中的“系统”指的是什么？A. 一个细胞B. 一个组织C. 一个生物体D. 一个生物体的所有组成部分答案：D4. 以下哪个不是系统生物学研究的层次？A. 分子层次B. 细胞层次C. 组织层次D. 环境层次答案：D5. 系统生物学中，以下哪个概念与“反馈调节”无关？A. 正反馈B. 负反馈C. 信号传导D. 基因克隆答案：D二、简答题（每题10分，共30分）1. 简述系统生物学与分子生物学的主要区别。

答案：系统生物学与分子生物学的主要区别在于研究的焦点和方法。

分子生物学主要关注单个分子或基因的功能和结构，而系统生物学则关注整个生物系统的动态行为和相互作用。

系统生物学使用跨学科的方法，包括数学建模、计算模拟和实验验证，来理解生物系统的复杂性。

2. 解释什么是“网络生物学”并举例说明其在系统生物学中的应用。

答案：网络生物学是系统生物学的一个分支，它使用网络理论来研究生物系统中的相互作用和连接。

例如，蛋白质-蛋白质相互作用网络可以帮助我们理解细胞内信号传导的复杂性，基因调控网络可以揭示基因如何协同作用以控制细胞行为。

3. 描述系统生物学中的“系统级干预”概念。

答案：系统级干预是指在系统生物学中，通过改变系统的某些参数或条件来影响整个系统的行为。

这可能包括改变基因表达、添加或移除特定的分子，或者改变环境条件。

系统级干预的目的是揭示系统行为的基本原理，以及如何通过干预来治疗疾病或改善生物过程。