第一章 系统生物学概论

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。

------Hood2004

系统生物学是生物学的一个新领域，其目的在于在系统层面上理解生物系统，力求阐述作为一个系统的生物系统，并重点着眼于以下4个问题：(1)系统结构的阐述；(2)系统行为的分析；(3)控制系统的方法；(4)如何设计系统。

------日本系统生物学定义 系统生物学是在细胞、组织、器官和生物体水平上研究结构和功能各异的生物分子及其相互作用，并通过计算生物学定量阐明和预测生物功能、表型和行为。

------杨胜利院士2004 分子生物学是以还原论为指导，研究个别基因或蛋白质将遗传信息同实体物质如

系统生物学和分子生物学的区别

蛋白质。将遗传信息同实体物质如DNA或蛋白质联系起来，强调研究具体的一个或数个基因和蛋白质的行为。

系统生物学是以系统论为指导，注重生物系统行为是通过其组分之间广泛相互作用的结果，强调从整体层次去研究和量化生物系统的行为。它要研究所有的基因、所有的蛋白质以及所有组分间相互作用的关系。

2006年2月9日中华人民共和国国务院发布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》，指出了我国未来15年将选择可促进持续创新能力迅速提高的研究方向，重点部署了4项重大科学研究计划：蛋白质研究、量子调控研究、纳米研究和发育与生殖研究。

我国将重点研究重要生物体系的转录组学、蛋白质组学、代谢组学、结构生物学、蛋白质生物学功能及其相互作用、蛋白质相关的计算生物学与系统生物学等。

4 系统生物学研究的目标

了解一个生物复杂系统中所有组成成分的构成及在特定条件下这些组分间的相互关系，分析该系统在一定时间内的动力学过程。

从大量的生物学数据中得到一个尽可能接近真正生物复杂系统的理论模型，根据模型的预测或假设，设定和实施新的改变系统状态的实验，不断地通过实验数据对模型进行修订和精练，使其理论预测能够反映出生物系统的真实性。

5 系统生物学研究的平台

研究条件：

人为控制的状态下,揭示出特定的生命系统在不同的条件和时间里具有什么样的动力学特征。 研究内容：

(1)系统结构的确认;(2)系统行为的分析;(3)系统控制规律的归纳;(4)系统的设计。 研究平台：

基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、相互作用组学、表型组学、计算生物学、系统分析等。

（1）通过众多组学(omics)尤其是基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、代谢物流率组学、糖组学、相互作用组学和表型组学等，采用6 系统生物学研究的内容（两个方面）

谢学代谢物流率学糖学相作学表学等，采高通量的实验技术，在整体和动态水平上积累数据并在挖掘数据时发现新规律、新知识，提出新概念。这部分实验室内的研究称为“湿”的部分（wet ）。

（2）利用计算生物学建立生物模型。一个真实的系统很复杂，将系统的内在联系和它与外界的关系抽象为数学模型是当今使用最广泛的系统描述方法系统生物学的另一个研究内容就是根据研究的真实系统的模述方法。系统生物学的另个研究内容就是根据研究的真实系统的模型，利用计算机进行实验研究。这是一种建立在系统科学、系统识别、控制理论和计算机等属于控制工程基础上的综合性实验科学技术。这部分计算机模拟和理论分析称为“干”的部分（dry ）。 以上两个方面内容的紧密结合才形成真正的系统生物学。

组学(omics)

“干”、“湿”整合与计算机模拟研究示意图

水稻理想株型水稻杂种优势光合作用

（1）系统结构辨识：

包括基因与信号系统生物学研究的内容（四个具体）

明确系统组分的内涵和组分间的相互作用，包括基因与信号转导、代谢通路相关的蛋白质相互作用的调控关系，有机体、细胞、细胞器、染色质以及其他组分的物理结构和组分所构成的网络拓扑关系。（2）系统行为分析：

研究系统随时间、空间改变而产生的行为。一旦系统结构在一定程度上被弄清楚，就具备了研究系统行为的基础。

（3）系统的控制及归纳：

应用来自系统结构和行为的知识成果，建立一个控制生物学系系统生物学研究的内容（四个具体）

统，学统状态的模型算法。系统模型需基于明确的设计原则，并且是对现实世界的仿真，因此必须具有一定的预测性。可以有效地缩小目标靶点的搜索范围，从而减少基础实验的数量，提高实验质量。（4）系统设计：

系统生物学的最终目的是构建一个能够提供方法指导的生物学系统，基于对实际生命系统的认识，设计出在特定时空环境中，最健全的系统模式，让生物系统恢复到健康状态。

(1)初始模型的构建：

进行测量描绘出该7 系统生物学研究的过程

对选定的某一生物系统的所有组分进行测量，描绘出该系统的组成和结构，包括各组分之间的相互作用网络，构造出一个初步的系统模型。(2)系统的干扰和整合：

系统地改变研究对象的内部组成成分(如基因突变)或外部生长条件，然后观测这些情况下系统组分或结构所发生的相应时空变化，并把得到的有关信息进行整合。

系统生物学研究的过程

整合是系统生物学研究的主要灵魂，主要有层次间整合、

研究思路整合和研究方法的整合。整合贯穿了系统生物学研究的全过程是系统生物学的核心研究内容8 系统生物学研究的特点

究的全过程，是系统生物学的核心研究内容。

干涉是系统生物学的钥匙，只有进行全面系统的相应成分或条件的干扰，才能真正理解系统内部真实的网络调控关系。 信息是系统生物学的基础，高通量检测技术产生“海量”信息，分析或挖掘这些“海量”信息，才可以进一步阐明各组分间网络调控关系以及对系统进行有规律的控制和设计组分间网络调控关系以及对系统进行有规律的控制和设计。信息主要包括编码生物蛋白质基因的信息和控制行为调控网络的信息。

系统生物学使生命科学由描述式的科学转变为定量描述和预测的科学，每个信息传输层次对理解生命系统的运行提供了有用的视角。

9 系统生物学研究的方法

包含：组学实验和理论计算两大技术方法。

组学实验，应用各种组学技术检测系统内所有成分，并通过干扰获

得参与生命活动过程各种成分在各个层面的信息；

理论计算，通过数学、逻辑学和计算科学模拟的手段，对真实生物

系统进行还原。将组学实验获得的各种生物信息转换为数字信息，变

成不同学科的共同语言，进行归纳和数学建模，建立生物系统的理论

模型，提出若干假设，然后对构建的模型进行验证和修正，进行全面

系统的干扰整合通过对系统进行人为扰动不断获得信息变化与功

系统的干扰整合。通过对系统进行人为扰动、不断获得信息变化与功

能改变之间的相互关系，进而不断调整假设的理论模型，使之更加符

合真实的生物系统。

通过组学实验和理论计算两大技术不断周而复始的进行，是系统生

物学研究最基本的方法。

系统生物学研究的循环过程

系统生物学研究的层次系统生物学结构研究的一个工作图

系统生物学的应用前景

药物的发现和开发，有望改造新药研发的投入产出；

疾病的诊断、预警和药物应答并逐步实现预测医学、预防医

学和个性化医学；

通过对农作物系统的设计和重构改良和优化农作物品种；

提升传统生物技术工业并开拓能源生物技术，新材料生物技

术和环境生物技术领域。

系统生物学的研究不仅对生命科学和生物技术产生重大影

响，而且对整个国民经济、社会和人类本身产生重大影响。