系统生物学 第一章 系统生物学概况ppt课件PPT课件下载推荐.pptx
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系统生物学 第一章 系统生物学概况ppt课件PPT课件下载推荐.pptx
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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。
EnglishBooks,KlippE.etc.SystemsBiology:
ATextbook,Wiley-VCH,2009AlberghinaL.&
WesterhoffH.V.(Eds.)SystemsBiology:
DefinitionsandPerspectives(TopicsinCurrentGenetics),Springer-VerlagBerlinHeidelberg,2005.PalssonB.O.SystemsBiology:
PropertiesofReconstructedNetworks,CambridgeUniversityPress,2006.KonopkaA.K.SystemsBiology:
Principles,Methods,andConcepts,CRCPress,2006.KrieteA.&
EilsR.(Eds.)ComputationalSystemsBiology,ElsevierAcademicPress,2006.WilkinsonD.J.,StochasticModellingforSystemsBiology,CRCPress,2006.SangdunChoi(Eds.)IntroductiontoSystemsBiology,HumanaPress,2007.FrederickB.Marcus,BioinformaticsandSystemsBiology:
CollaborativeResearchandResources,Springer-VerlagBerlinHeidelberg,2008.NakanishiS.etc.(Eds.)SystemsBiology:
theChallengeofComplexity,SpringerTokyoBerlinHeidelbergNewYork,2009.McDerMottJasonetc.(Eds.)ComputationalSystemsBiology(SpringerProtocals:
MethodsinMolecularBiology),HumanaPress,2009.OlegDemin&
IgorGoryanin,KineticModellinginSystemsBiology,CRCPress,2009.,第一章系统生物学概况,什么是系统生物学(systemsbiology)?
人类认识世界的两种方法论,Reductionism(还原论)Holism(整体论),RENEDESCARTES(1595-1650)IamthinkingthereforeIexist.,JanSmuts(1870-1950)“HolismandEvolution”,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,C.Darwin,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,繁殖就是将DNA双螺旋传给后代,不同结构的蛋白质负责不同的生命活动,酶,运动蛋白,血红蛋白,不同氨基酸序列的蛋白质具有不同的空间结构,蛋白质是由20种氨基酸连成的生物大分子,蛋白质的形成倚赖DNA上的遗传信息,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DNA序列,起始位置,结束位置,基因,基因1,基因2,蛋白质1,蛋白质2,一个基因决定一种蛋白质,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,现代生命科学的“中心法则”,现代生物学家眼中的生命还原论观点,个体水平,细胞水平,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。
现代生命科学的特征,简单化,线性化,定性化,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法论,ReductionismHolism,RENEDESCARTES(1595-1650)IamthinkingthereforeIexist.,JanSmuts(1870-1950)“HolismandEvolution”,27,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,原核生物基因组:
1.5Mb(1500个基因)8Mb(7500个基因),古细菌基因组:
1.5Mb(1500个基因)3Mb(2700个基因),真核生物基因组细胞核基因组:
1.3X107kb(6千个基因)3.3X109kb(4万个基因)线粒体基因组:
16kb(13个基因)399kb(34个基因)叶绿体基因组:
120kb(87个基因)190kb(183个基因),基因组是什么?
“基因组后基因组”时代,人类基因组,23条染色体:
3.3X109bp,常染色质:
2.9X109bp异染色质:
0.4X109bp,基因数:
2万2万5千1.5%序列用于编码基因,人类基因组计划HGP,人类基因组计划的意义
(1),催生了组学(Omics)的研究基因组学(Genomics)功能基因组学(FunctionalGenomics)转录组学(Transcriptomics)蛋白质组学(Proteomics)代谢组学(Metabolomics),人类基因组计划的意义
(2),生物信息学,计算生物学,促进了交叉学科的发展,人类基因组计划的意义(3),形成了生命科学的“大科学”,人类基因组计划的意义(4),高通量低成本测序技术:
个性化医学的基础,2000年:
1万美金测序费/百万碱基,2010年:
1美金测序费/百万碱基,在近五年内,将实现一个人的全基因组测序费用不超过1000美金;
到2020年,测序费用还将大大降低。
个体基因组计划,美国个体基因组计划,Diploidgenomesequencing,Personalgenomesequencing,英国10K项目是,WellcomeTrust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(UK10K),4000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。
6000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因相互作用疾病定位到特定的基因上。
其中,2000人是极度的肥胖;
3000人患有神经元发育障碍;
另外1000人则患有先天性心脏病等比较稀少的疾病。
TheHumanProteomeResource(HPR)program,利用抗体系统地检测人类蛋白质组,Prof.MathiasUhlenRoyalInstituteofTechnologySweden,生命进化与转录组,非编码RNA:
复杂性的源泉,后基因组时代,酵母的基因功能网络,后基因组时代的生命观:
复杂系统,后基因组时代的生命观:
复杂系统,细胞信号转导网络,神经网络,后基因组时代的生命观:
复杂系统,人类基因组终生在变化,美国约翰霍普金斯大学医学院研究了个体的基因组内的DNA甲基化变化。
DNA样本来自冰岛大约600个人,分别于1991年和2002年至2005年间采得。
研究人员测量了111个样本中每个样本的DNA甲基化总量,并比较了同一个人的采自2002年至2005年间和1991年的DNA甲基化总量。
结果发现,在这大约11年的时间跨度中,大约三分之一个体的甲基化量发生了变化。
不过变化的方向并不一致一些人的甲基化总量增加,另一些人的则发生丢失。
JAMA2009,传统生物科学(中国传统医学),经典生物实验科学,系统生物学,系统生物学是认识生命复杂系统的新角度,综合性研究,分析性研究,分析+综合研究,系统生物学是21世纪生命科学革命的代表,科学革命,科学革命,常规科学,常规科学,1950,1990,时间,49,经典生命科学简单化线性化定性化实验化,系统生物学复杂化网络化定量化理论化,经典生命科学与系统生物学之比较,物理学,物理现象的观测,数学的描述F=maE=MC2,物理学的描述,生命科学,生命现象的观测,数学的描述?
生物学的描述,系统生物学(SystemsBiology),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,并分析生物系统在一定时间内的动力学过程。
系统的思想(相互作用着的整体)中国古代哲学辩证唯物主义:
物质世界是由无数相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的事物和过程所形成的统一整体-马克思、恩格斯,系统生物学从系统水平来理解生物学系统,利用一系列的原理与方法学来研究分子行为与系统特性与功能的关系,通过多种组学的联合以及计算生物学来定量阐明和预测生物的功能、表型和行为。
Systemsbiologyisadisciplinetostudythespatial-temporalinteractionsofcomponentsindifferentlevelsofbiologicalsystems,seekingtofindthelawsintheorganizationprinciples,dynamicbehaviorsandemergentpropertiesofsuchbiologicalsystems.,系统生物学的分类,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,近几十年来发展最为迅速的生物科学,21世纪的生物学,分子水平,系统生物学的基础,整合性的大科学,分子生物学,系统生物学,系统生物学与分子生物学,56,分子生物学与系统生物学,57,分子生物学与系统生物学,58,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,研究范式的转变,59,“系统论是还原论和整体论的辩证统一”-钱学森,对还原论的超越,Nature,Volume7,November2006,http:
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