系统生物学系统生物学概况省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

系统生物学System Biology第1页汉字参考书系统生物学理论、方法和应用 德 柯利普 等著；贺福初 等译，复旦大学出版社，。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，。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，。系统生物学，张自立，王振英 编著，科学出版社，。系统生物学导论：生物回路设计原理尤.阿隆 著，王翼飞 等译，化学工业出版社，。第2页English BooksKlipp E.etc.Systems Biology:A Textbook,Wiley-VCH,Alberghina L.&Westerhoff H.V.(Eds.)Systems Biology:Definitions and Perspectives(Topics in Current Genetics),Springer-Verlag Berlin Heidelberg,.Palsson B.O.Systems Biology:Properties of Reconstructed Networks,Cambridge University Press,.Konopka A.K.Systems Biology:Principles,Methods,and Concepts,CRC Press,.Kriete A.&Eils R.(Eds.)Computational Systems Biology,Elsevier Academic Press,.Wilkinson D.J.,Stochastic Modelling for Systems Biology,CRC Press,.Sangdun Choi(Eds.)Introduction to Systems Biology,Humana Press,.Frederick B.Marcus,Bioinformatics and Systems Biology:Collaborative Research and Resources,Springer-Verlag Berlin Heidelberg,.Nakanishi S.etc.(Eds.)Systems Biology:the Challenge of Complexity,Springer Tokyo Berlin Heidelberg New York,.McDerMott Jason etc.(Eds.)Computational Systems Biology(Springer Protocals:Methods in Molecular Biology),Humana Press,.Oleg Demin&Igor Goryanin,Kinetic Modelling in Systems Biology,CRC Press,.第3页第一章 系统生物学概况第4页什么是系统生物学（systems biology）？第5页人类认识世界两种方法论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第6页生命是一个多层次、多功效复杂架构体系。研究其运动改变规律科学称之为生物科学或生命科学。长久以来，科学家从群体、个体、细胞、分子等不一样层次，以及形态解剖、生理生化、遗传发育、免疫、种群、进化等不一样侧面探索者生命运动规律。第7页全部生命都来自共同祖先全部生命都来自共同祖先C.Darwin第8页不不一一样样有有机机体体遵遵照照着着统统一一规规律律第9页DNA是实现生命繁衍基本大分子是实现生命繁衍基本大分子第10页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第11页不一样结构蛋白质负责不一样生命活动不一样结构蛋白质负责不一样生命活动酶酶运动蛋白运动蛋白血红蛋白血红蛋白第12页不一样氨基酸序列蛋白质含有不一样空间结构不一样氨基酸序列蛋白质含有不一样空间结构第13页蛋白质是由蛋白质是由2020种氨基酸连成生物大分子种氨基酸连成生物大分子第14页蛋白质形成倚赖蛋白质形成倚赖DNADNA上遗传信息上遗传信息第15页遗传密码（三个碱基）决定一个氨基酸遗传密码（三个碱基）决定一个氨基酸第16页基因就是含有遗传密码一段基因就是含有遗传密码一段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第17页基因1基因2蛋白质蛋白质1 1蛋白质蛋白质2 2一个基因决定一个蛋白质一个基因决定一个蛋白质第18页转录：转录：解读解读基因语言基因语言第19页翻译：依据遗传密码决定蛋白质氨基酸序列翻译：依据遗传密码决定蛋白质氨基酸序列第20页当代生命科学当代生命科学“中心法则中心法则”DNADNA信息信息 RNA RNA解读解读 蛋白质蛋白质产品产品生命活动生命活动用途用途第21页当代生物学家眼中生命当代生物学家眼中生命还原论观点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不一样，它生命与非生命没有本质上不一样，它们都遵照着统一物理化学规律。们都遵照着统一物理化学规律。第22页当代生命科学特征当代生命科学特征l 简单化简单化l 线性化线性化l 定性化定性化l 试验化试验化第23页小结一直以来,人们在硕士物体系统时,都是采取还原论（reductionism）方法,分别对系统单个组成元素进行独立分析研究。当前为止,还原论研究已经取得了大量成就,在细胞甚至在分子层次对生物体都有了很详细了解,但对生物体整体行为却极难给出系统、圆满解释。生物科学还停留在试验科学阶段,没有形成一套完善理论来描述生物体怎样在整体上实现其功效行为。第24页还原论及其不足奠基人：笛卡尔分析-重构方法主导地位：分析、分解、还原4来，创造了一套可操作科学方法面临巨大问题：复杂系统，用认识叠加方法，不宜发觉整体“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双螺旋结构发觉以及随即基因突破已经抵到达有机生命与无机物质拐点，还原论在生命科学领域里所负担使命大致已经终止。第25页传统思绪：信号通路 实际情况：信号网络第26页人类认识世界两种方法论p Reductionismp HolismRENE DESCARTES(1595-1650)I am thinking therefore I exist.Jan Smuts(1870-1950)“Holism and Evolution”27第27页基因组基因组(Genome)载有细胞或生物个体全套遗传载有细胞或生物个体全套遗传信息全部遗传物质信息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个基因个基因)古细菌基因组：古细菌基因组：1.5Mb(1500个基因个基因)3Mb(2700个基因个基因)真核生物基因组真核生物基因组细胞核基因组：细胞核基因组：1.3X107kb(6千个基因千个基因)3.3X109kb(4万个基因万个基因)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？“基因组基因组后基因组后基因组”时代时代第28页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码基因第29页人类基因组计划人类基因组计划 HGP第30页人类基因组计划意义（人类基因组计划意义（1 1）催生了催生了组学组学（Omics）研究）研究基因组学基因组学（Genomics）功效基因组学功效基因组学(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）第31页人类基因组计划意义（人类基因组计划意义（2 2）第32页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发展促进了交叉学科发展人类基因组计划意义（人类基因组计划意义（3 3）第33页认识论认识论目标大目标大方法论方法论视野大视野大形成了生命科学形成了生命科学“大科学大科学”人类基因组计划意义（人类基因组计划意义（4 4）第34页高通量低成本测序技术：个性化医学基础高通量低成本测序技术：个性化医学基础：1万美金测序费/百万碱基：1美金测序费/百万碱基个个体体化化在近五年内，将实现一个人全基因组测序费用不超出1000美金；到，测序费用还将大大降低。第35页个体基因组计划个体基因组计划第36页美国个体基因组计划美国个体基因组计划lDiploidgenomesequencinglPersonalgenomesequencing第37页英国10K项目是,WellcomeTrust在三年内支持1000万英镑，测定10000个人基因组序列，意在找出与肥胖和精神分裂症等疾病相关罕见基因变异。英国万人基因组计划英国万人基因组计划（UK10K）l4000名英国人全基因组序列，其中二分之一是针对英国双名英国人全基因组序列，其中二分之一是针对英国双胞胎来进行，另二分之一则是针对父母与儿女来开展。胞胎来进行，另二分之一则是针对父母与儿女来开展。l 6000个人则只是测定其外显子序列。参加外显子测序人都个人则只是测定其外显子序列。参加外显子测序人都得有得有“尤其突出表型尤其突出表型”，这么就有利于将某一多基因相互作，这么就有利于将某一多基因相互作用疾病定位到特定基因上。其中，用疾病定位到特定基因上。其中，人是极度肥胖；人是极度肥胖；3000人患人患有神经元发育障碍；另外有神经元发育障碍；另外1000人则患有先天性心脏病等比较人则患有先天性心脏病等比较稀少疾病。稀少疾病。第38页Generate antigenGenerate antigenGenerate specific Generate specific antibodiesantibodiesa b c d a b c d In vitro In vitro protein profilingprotein profiling In vivo In vivo protein profilingprotein profiling Isolation of Isolation of protein complexesprotein complexesProteinProteinchip chip Isolation of Isolation of native proteinnative protein Structure Structure Modification Modification Biochemistry 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.MathiasUhlenRoyalInstituteofTechnologySweden第39页生命进化与转录组生命进化与转录组第40页非编码非编码RNA:复杂性源泉复杂性源泉第41页后基因组时代后基因组时代第42页酵母基因功效网络酵母基因功效网络后基因组时代生命观：复杂系统后基因组时代生命观：复杂系统第43页后基因组时代生命观：复杂系统后基因组时代生命观：复杂系统细细胞胞信信号号转转导导网网络络第44页神经网络神经网络后基因组时代生命观：复杂系统后基因组时代生命观：复杂系统第45页人类基因组终生在改变人类基因组终生在改变 美国约翰霍普金斯大学医学院研究了个体基因组内DNA甲基化改变。DNA样原来自冰岛大约600个人，分别于1991年和至年间采得。研究人员测量了111个样本中每个样本DNA甲基化总量，并比较了同一个人采自至年间和1991年DNA甲基化总量。结果发觉，在这大约时间跨度中，大约三分之一个体甲基化量发生了改变。不过改变方向并不一致一些人甲基化总量增加，另一些人则发生丢失。JAMA第46页传统生物科学传统生物科学（中国传统医学）（中国传统医学）输入输入输出输出经典生物试验科学经典生物试验科学输入输入输出输出A(基因基因/蛋白质蛋白质)B(基因基因/蛋白质蛋白质)系统生物学系统生物学输入输入输出输出系统生物学是认识生命复杂系统新角度系统生物学是认识生命复杂系统新角度综合性研究综合性研究分析性研究分析性研究分析分析+综合研究综合研究第47页系统生物学是二十一世纪生命科学革命代表科科学学革革命命科科学学革革命命常规科学常规科学常规科学常规科学科科学学家家对对自自然然界界认认识识程程度度中心法则发觉中心法则发觉分子生物学诞生分子生物学诞生系统生物学诞生系统生物学诞生人类基因组计划人类基因组计划19501990时间时间第48页49第49页经典生命科学经典生命科学 l 简单化简单化l 线性化线性化l 定性化定性化l 试验化试验化系统生物学系统生物学 l 复杂化复杂化l 网络化网络化l 定量化定量化l 理论化理论化经典生命科学与系统生物学之比较经典生命科学与系统生物学之比较第50页物理学物理学物理现象观察物理现象观察数学描述数学描述F=maE=MC2物理学描述物理学描述经经验验阶阶段段理理性性阶阶段段生命科学生命科学生命现象观察生命现象观察数学描述数学描述？生物学描述生物学描述经经验验阶阶段段理理性性阶阶段段第51页系统生物学系统生物学(Systems Biology)定义定义：系统生物学是系统性地研究一个生物：系统生物学是系统性地研究一个生物系统中全部组成成份（基因、系统中全部组成成份（基因、mRNAmRNA、蛋白质等）、蛋白质等）组成以及在特定条件下这些组分间相互关系，组成以及在特定条件下这些组分间相互关系，并分析生物系统在一定时间内动力学过程。并分析生物系统在一定时间内动力学过程。第52页系统思想（相互作用着整体）中国古代哲学辩证唯物主义：物质世界是由无数相互联络、相互依赖、相互制约、相互作用事物和过程所形成统一整体-马克思、恩格斯第53页 系统生物学从系统水平来了解生物学系统，利用一系列原理与方法学来研究分子行为与系统特征与功效关系，经过各种组学联合以及计算生物学来 定量说明和预测生物功效、表型和行为。Systems biology is a discipline to study the spatial-temporal interactions of components in different levels of biological systems,seeking to find the laws in the organization principles,dynamic behaviors and emergent properties of such biological systems.第54页系统生物学分类组学OMICS基因组学转录组学蛋白质组学糖组学脂质组学代谢组学表观遗传组学宏基因组学计算系统生物学第55页近几十年来发展最为快速生物科学二十一世纪生物学分子水平，系统生物学基础整合性大科学分子生物学系统生物学系统生物学与分子生物学56第56页 分子生物学 与 系统生物学还原主义还原主义将生物学还原到将生物学还原到分子水平分子水平 整体主义从系统层次上了解生物系统研究对象是生物系统组成部分（个别基因、个别蛋白质）研究对象是组成部分相互作用或部分之间关系本质上就是信息 57第57页 分子生物学 与 系统生物学侧重从试验中获取数据试验数据挖掘（data mining）试验深层次结果往往被忽略 取得深层次结果，理论创新58第58页传统分子生物学各种“组学”系统生物学少多多对多(Interactions)组织原理动态行为涌现属性研究范式转变59第59页“系统论是还原论和整体论辩证统一”-钱学森对还原论超越Nature,Volume7,Novemberhttp:/www.newvisions.ucsb.edu/background/images/elephant.gif第60页1948年，控制论之父Norbert Wiener提出生物系统和控制系统能够用一样科学方法进行研究20世纪60年代生物化学系统理论（BST）20世纪70年代谢控制理论（MCT）二十一世纪系统生物学稳态或拟稳态理论、模型数据不充分分子生物学、基因组测序以及高通量测量技术进展，使生物信息系统（BIS）建立成为可能人类基因组计划和各种组学技术把生物学带入系统科学时代第61页第62页第63页InteractionPutcontentsintocontextDimensionalityofGenomeAnnotation1DGenome:基因在基因组上线性排列Two-dimensionalannotationofgenomesNatureBiotechnology22,1218-1219()byBernhardPalsson2DGenome:基因及其产物之间相互关联和作用TowardsmultidimensionalgenomeannotationNatureReviewsGenetics7,130-141()BernhardO.Palsson3D(4D)Genome:时空中发生生物分子动态行为第64页系统生物学研究方法第65页系统生物学基本工作流程系统生物学基本工作流程 选择可控生物系统选择可控生物系统定性和定量测量定性和定量测量计算和数学建模计算和数学建模第66页p 是生物学p 是大数据整合p 是建模仿真p 是系统科学系统生物学是什么第67页系统生物学四个研究层次p Understanding of system structurep Understanding behaviors of the systemp Understanding how to control the system p Understanding how to design the system-by Hiroaki Kitano 68第68页1.系统结构识别和研究 （System Structure）这包含基因相互作用网络、生化代谢 路径以及这些相互作用以何种机制调 节生物系统研究等内容。第69页2.系统动态特征分析 （System Dynamics）要硕士物系统在不一样条件下不一样时间不一样条件行为，要对生物系统进行代谢分析，敏感性分析，动态分析等等从而发觉生物系统特定行为机理机制。第70页3.系统控制方法（The Control Method）系统能够控制一个细胞状态使得细胞功能受损最小，经过研究可认为疾病治疗提供潜在药品靶标。第71页4.系统设计方法（The Design Method）将生物系统利用仿真、模拟等方法设计，最终到达建立数据系统模型目标。第72页73第73页整合系统生物学关键p 系统内不一样性质组成要素（基因、mRNA、蛋白质、生物小分子等）整合。p 从基因到细胞、到组织、到个体各个层次整合。p 研究思绪和方法整合。需要生命科学、信息科学、数学、计算机科学等各种学科共同参加，真正实现这种整合还有很长路要走。75第75页经典分子生物学研究垂直型研究。基因组学、蛋白质组学和其它各种“组学”水平型研究。系统生物学特点把水平型研究和垂直型研究整合起来，成为一个“三维”研究。ProteinGenesGenesProteinsTranscriptionsOMICsSystemBiologyGenesProteinGenomicsProteomics第76页GenomeTranscriptomeProteomeCitric acid cycleMetabolome系统生物学特征：各种生物分子整合系统生物学特征：各种生物分子整合第77页系统生物学特征：各种层次整合系统生物学特征：各种层次整合 第78页系统生物学系统生物学1，2，3，n 组学组学（发觉科学）（发觉科学）基因基因（蛋白质）（蛋白质）基因克隆基因克隆 基因表示基因表示 基因突变基因突变 蛋白质结构蛋白质结构 蛋白质相互作用蛋白质相互作用 酶活力酶活力 试验生物科学试验生物科学（假设驱动科学）（假设驱动科学）系统生物学特征：小科学与大科学整合系统生物学特征：小科学与大科学整合第79页系统生物学特征：试验科学与理论科学整合系统生物学特征：试验科学与理论科学整合lMolecular BiologylCell BiologylGenomicslProteomicslMetabolomicsWet LaboratorylComputinglInformaticslModelinglMathematicsDry Laboratory系系统统生生物物学学第80页生命科学信息科学系统科学系统生物学三大学科基础第81页生物学物理学化学工程学数学计算科学系统生物学学科交叉特征系统生物学，是把孤立在基因水平、蛋白水平各种相互作用、各种代谢路径、调控路径等融合起来，用以说明 生物整体，高通量组学试验平台组成了系统生物学大科学工程.第82页试验技术（Wet Part）信息技术（Dry Part）两大技术支撑第83页试验技术p 基本技术 离心与层析 酶切与电泳 PCR技术 杂交和印迹技术p 高通量技术 新DNA测序技术 克隆载体与DNA文库 DNA和蛋白质芯片 酵母双杂交 质谱技术 ChIP-chip和ChIP-PET技术p 转基因生物、RNA干扰p 各种显微示踪技术p 等http:/ 程序设计技术 程序设计语言 面向过程与面向对象程序设计 惯用编程工具p 数据库技术 数据管理方式演变 关系型数据库与SQL语言 数据集成与交换p 网络技术 计算机网络概述 服务器-客户端结构 网络开发LAMP体系p 平行计算技术 并行计算与串行计算比较 微机集群架构与应用 并行计算新趋势：基于多核CPU与GPGPU程序设计计算含有试验和理论双重属性：-相对于试验，它是理论；-相对于理论，它是试验。第85页p 惯用数据库 序列和结构数据库 基因表示数据库 蛋白相互作用数据库 代谢路径数据库 动力学和模型数据库p 惯用算法和网络服务 序列和结构比对算法 进化树构建方法 网络建模、比对和分析方法 p 惯用建模工具 通用建模工具MatLab,Maple,Mathematica Dizzy仿真工具 SBW平台 网上建模环境（PyBioS）建模程序包（PySCeS）生物信息资源第86页包括生物学知识p 生命起源与进化 生命起源学说 生命化学进化 生命生物进化p 细胞结构与物质代谢 细胞组成 生物分子合成与分解 生物分子中化学键和主要作用力p 分子生物学中心法则 基因表示信息流向 基因表示调控 表示后蛋白修饰p 细胞周期与胚胎发育 细胞分裂过程 胚胎发育过程第87页系统生物学与生物信息学Bioinformaticsistheapplicationofstatisticsandcomputersciencetothefieldofmolecularbiology.（fromWiki）AsScience:从信息角度，认识生命活动中规律。AsTechnology:信息技术(IT)在生命科学（尤其是）分子生物学中应用。88第88页系统生物学基础系统生物学基础信息信息 生物学是一门信息科学：生物学研究关键基因组是数字化；生命数字化关键表现为两大类型信息，第一类信息是指编码蛋白质基因，第二类信息是指控制基因行为调控网络；生物信息是有等级次序，而且沿着不一样层次流动。第89页系统生物学钥匙系统生物学钥匙干涉干涉系统生物学一方面要了解生物系统结构组成，其次要揭示系统行为方式。相比之下，后一个任务更为重要。系统生物学研究状态下，揭示出特定生命系统在不一样条件下和不一样时间里具有什么样动力学特征。所研究并非一种静态结构，而是要在人为控制状态下，揭示出特定生命系统在不一样条件下和不一样时间里具有什么样动力学特征。人为设定某些条件作用于被实验对象，达到实验目，在系统生物学中称之为干涉（perturbation）。第90页系统生物学中干涉特点系统生物学中干涉特点 首先，这些干涉应该是有系统性，如酵母果糖代谢9个基因逐一进行突变，研究在每一个基因突变下系统改变。其次，系统生物学需要高通量干涉能力，如高通量遗传变异。系统生物学既需要“发觉科学”，也需要“假设驱动科学”。先选择一个条件（干涉），然后利用“发觉科学”方法，对系统在该条件下全部元素进行测定和分析；在此基础上做出新假设，然后再利用“发觉科学”研究伎俩进行新研究。这两种不一样研究策略和方法互动和整合，是系统生物学成功确保。第91页Date AcqusitionHigh-throughput“omica”dataGlobal DatabasesAnalysis ModulesNetwork RefinementHypothesis GenerationNetworkVisualization/Modeling网络模型重复完善图示网络模型重复完善图示第92页仿真和分析仿真和分析仿真是对系统全部内容如基因和代谢网络、染色体高水平结构、蛋白质之间相互作用等等变成数据流最终成为数学模型。参数优化方法需要考虑全局/局部最小值，找到全局优化设计。基于现有算法改进方法。第93页第94页最终目:经过这些详细研究能够使研究者按照特定设计原理进行模拟构建含有他们所需要特征生物系统第95页系统生物学应用第96页系统生物学应用p 医药领域p 能源领域p 工业生产p 畜牧农林业p 改进环境与生态第97页研究复杂生命活动和复杂性疾病主要工具研究复杂生命活动和复杂性疾病主要工具小视频第98页系统生物学在医学研究中应用大部分疾病如癌症、心血管疾病等复杂疾病发生发展不是由单一原因引发，而是受多原因影响；除了遗传原因，还受环境原因影响，是多个遗传原因和多个环境原因相互作用结果。所以，在本质上，很多疾病都是“系统”病，其预防、诊疗和治疗都需要以“系统”观点和方法来研究。高通量生物医学技术迅猛发展为系统生物学兴起奠定了数据基础，复杂网络理论以及信息学理论发展亦为系统生物学发展提供了坚实方法学基础。系统生物学在医学研究中得到了广泛应用，在当代医学各个方面发挥着越来越主要作用。中医药作为我国传统医学主要部分，在研究中因为其成份复杂，靶点不确定，在体内作用复杂等原因一直不能充分发掘和利用，系统生物学或成为解读中医药复杂理论体系一个可能。第99页系统生物学在医学研究中应用 复杂疾病了解 疾病基因预测 疾病相关子网络确定 疾病生物标志物确定 网络药理学 中医药研究第100页对复杂疾病了解 癌症等复杂疾病本身属于基因网络病，单或多分子角度不能很好了解这类疾病，在网络水平却能够发觉之前不能发觉现象和规律。伴随各类癌症基因组测序项目开始实施，结果表明癌症基因突变异质性非常高，即使对同一个癌症，不一样病人发生遗传变异基因也有很大区分。癌症基因组测序目标是发觉癌症基因组共性，从而了解、预防、诊疗和治疗癌症。但结果并不符合人们期望。以后，从系统角度猜测，即使在基因层面上不一样癌症病人基因突变异质性较高，但在网络层面这些突变基因可能有共性规律。基于这一思想，有学者以细胞信号传导网络为模型研究了癌症突变基因在该网络上分布。结果确实在一定程度上证实了之前猜测，癌症病人突变基因即使很不一样，但在网络水平上，这些突变基因含有非常强规律，有热点突变网络区域存在。小视频第101页对复杂疾病了解 复杂疾病不但和遗传原因相关，而且还受到了极强环境原因影响。这些疾病发生发展和环境原因密不可分，因而，其预防、诊疗和治疗亦如此，受遗传原因和环境原因相互作用影响。比如：研究者在一项研究中发觉家庭生活环境原因对于肿瘤生长含有显著影响，并确定了和肿瘤生长相关环境原因和遗传原因相互作用网络。第102页疾病基因预测 疾病基因确定一直是医学研究中热点问题。除了高通量技术外，比如 GWAS,microarray 等，生物信息学也在其中饰演了主要角色。这些预测方法基本思想都是经过新基因和位置基因某种相同度，比如序列相同度、表示谱相同度，及其它诸如经过疾病相同度、基因功效注释相同度和文件挖掘等。系统生物学思想和方法也被应用到疾病基因预测。其预测算法各种多样，但基本思想是功效相同基因，其关联疾病也相同。也就是基于现有基因和疾病关联数据，或者其它数据，经过网络信息，预测新基因和已知疾病关联基因关系，从而预测新基因和疾病关系。对于非编码 RNA，比如 miRNA，其思想和方法也大约如此。第103页疾病相关子网络确定 在一个大分子网络中，确定出和疾病亲密相关子网络也是系统生物学在医学研究中主要应用。这类研究或基于试验确定有明确物理作用分子网络，如蛋白相互作用网络、细胞信号传导网络，或者基于经过高通量数据构建出网络，如基因共表示网络，文件挖掘基因网络，包括科学问题也是种类繁多，诸如疾病发展阶段、药品反应、非编码 RNA 网络等第104页疾病生物标志物确定 疾病生物标志物是能够反应某种疾病相关状态，而且是能够测量来自检测对象身体、组织、细胞或体液生物特征。生物标志物在疾病风险预测、疾病诊疗、病情监测、疗 效判断和预后评定起着主要作用。一个好生物标志物对于降低疾病发病风险、疾病早期诊疗以及疾病有效治疗起着至关主要作用，所以筛选高敏感性和高特异性疾病生物标志物是当前医学研究中最主要科学问题之一。第105页疾病生物标志物确定 传统分子生物标志物是基于单分子或多分子，并没有充分考虑分子之间相互作用，而分子之间相互作用实际上是在复杂疾病中起主要作用。各种分子之间相互作用都有可能和疾病相关，所以，各种水平分子相互作用都可能成为疾病网络生物标志物，比如转录调控关系，蛋白质相互作用关系，基因共表示网络，疾病相同网络等。即使疾病网络生物标志物研究正处于起步阶段，不过考虑到复杂疾病网络本质，网络生物标志物筛选方法是新兴含有潜力疾病生物标志物筛选方法。第106页网络药理学 药品对于疾病治疗含有主要意义。将系统生物学或网络生物学概念、方法和技术应用到药品相关研究，就形成了系统药理学或网络药理学这一新兴研究方向，网络药理学正在成为药品发觉未来主要工具。在药品研发许多方面发挥了主要作用。网络药理学在药品靶点筛选、药品新适应证预测（老药新用）、挖掘药品研发规律等方面取得了较多应用。年一项研究经过对 FDA 同意药品药品-靶点网络研究揭示了 FDA 同意药品和靶点很多规律和性质，比如在网络上，药品靶点和疾病基因有距离越来越近趋势，这可能是一个药品理性设计，所带来好处是可能有利于药品更加好发挥作用。研究者在考查了药品靶点和疾病基因网络距离和药品不良反应关系后发觉，网络距离缩短并不总是带来好处，在网络距离过于小情况下，药品不良反应程度显著增加，这提醒我们，从不良反应角度讲，在筛选药品靶点时网络距离过大和过小均引发较大不良反应。第107页中医药研究 中医药理论是一个复杂系统，其最具特色就是：整体观，动态观，辨证观，这些与系统生物学研究思绪一致，系统生物学与中医药复杂理论体系有很多相同之处，系统生物学研究促使研究人员从整体上，系统上和信息水平上说明中医药理论，建立中药药效评定，实现数据基础之上中医药当代化，系统说明中医药理论。利用系统生物学方法可能解读出中医药复杂理论体系科学内涵，当前系统生物学已应用于中医药各个领域研究。主要包含：中医基础理论研究和中药研究等两个大方向第108页中医药研究中医基础理论研究 中医作为我国传统医学，一直以来都没有完备科学理论来解释它作用原理，这在一定程度上妨碍了中医健康发展和应用，主要还是缺乏对应研究伎俩和方法，不过最近有一些研究人员开始利用系统生物学方法尝试解读中药一些基础理论，是基础理论研究一个新尝试。如：“肺与大肠相表里”理论是中医脏腑表里学说主要组成部分之一，当代研究证实肺与大肠存在某种物质及功效联络，认为肺与大肠有共同发育学基础，相互影响气体排泄路径，而且神经系统，免疫系统，神经-内分泌-免疫网络系统均参加了肺肠相关物质基础，但其生理及病理功效关系上尚存在含糊性，有研究者提出从系统生物学角度说明肺与大肠相表里代谢组学改变，希望能找出“肺与大肠表里”物质基础和内涵。第109页中医药研究中药研究 作用于单靶点高选择性药品在治疗多基因疾病及影响多个组织或细胞疾病如肿瘤，糖尿病等常难到达预期效果或毒性很大，而那些多组分，多靶点，超出单一药效药品成为了新药研发重点，中药治病正是经过多路径，多步骤，多靶点产生整合调整而发挥治疗作用，但也同时因为这种特点，使得在研究其作用机理时比较困难。第110页系统生物学研究展望第111页系统生物学研究中问题1.数据质量及标准化2.生物网络研究3.判定和定量不一样类型分子4.缩小与自动微流学/纳米技术平台5.在单个细胞内进行动力空间多参数检测第112页系统生物学与合成生物学p 系统生物学 为合成生物学 提供理论基础p 合成生物学 为系统生物学 提供验证伎俩“Synthetic Biology”113第113页现有药品大多数特异性差、不良反应较多。而系统生物学经过创建细胞调整网络详细模型，为基于机理药品发觉，提供了深层次了解，不但能较准确预测药品所产生副作用，而且可能针对某一患者设计某一药品，这么将有利于推进建立个性化用药机制。新药开发和疾病预防第114页在疾病预防方面，系统生物学能够针对每个病人准确系统动力学能够改变药品设计和治疗程序，采取系统最优化标准到达最正确化治疗效果。同时经过复杂系统互学模型对疾病能做出准确预测。系统生物学经过系统仿真、控制、虚拟现实等技术为器官克隆提供全新方法，还有更多方面应用，如经过对农作物设计和重构优化农作物品种，提升传统生物技术并开拓能源生物技术、材料生物技术和环境生物技术等新领域。第115页系统生物学在医学研究中发展 相关系统生物学应用也面临着一些局限，也是未来发展关键。1“系统”精华在于要素和要素相互作用网络，系统生物学研究结果依赖于数据完整性，而当前生物医学数据完整性还远不能保障。但实际上这是当前生物医学研究共同难题。2 当前系统生物学对动态性研究不够。系统另一大特点是其动态性，没有事物是静止不变，其有空间动态性、时间动态性，而当今系统生物学对动态性研究远远不够。3 因为系统复杂性，系统生物学需要发展出更多方法来有效处理未来更多更复杂数据，更深度，更精细分析系统中各要素关系第116页第117页Other famous institutesp Systems Biology Department at Harvard Medical School p Computational and Systems Biology Initiative at MIT p Bio-X at Stanford University p BioSPI Project at Weizmann,Israelp SystemsX.ch,The Swiss Initiative in Systems Biologyp Caltech,USA p University of Edinburgh,UK p University of Gotenberg,Swedenp Humboldt University Berlin,Institute for Biology,Theoretical Biophysics,Berlin,Germany 第118页国内机构p 中科院系统生物学重点试验室，http:/ 复旦大学数学学院，系统生物学研究室p 中科院生物物理所，系统生物学研究组p 中科院数学与系统科学研究院，生物信息学组p 苏州大学系统生物学研究中心，http:/ 西南大学蚕学与系统生物学研究所等第119页系统生物学前景展望系统生物学