生物分子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和分析

內(nèi)容概要

系統(tǒng)生物學(xué)是一門新興的學(xué)科它以系統(tǒng)的觀點看待生物系統(tǒng)，把生物系統(tǒng)作為一個多尺度的動態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)因而在研究中除了正常的生物學(xué)知識外，還需要圖論（網(wǎng)絡(luò)）、控制論以及動力系統(tǒng)理論，本書結(jié)臺生物問題，介紹了與系統(tǒng)生物學(xué)有關(guān)的各種所需知識。
劉曾榮和王瑞琦等編著的《生物分子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和分析》可供來自高等院校生物、數(shù)學(xué)、信息和計算機(jī)科學(xué)等相關(guān)專業(yè)并從事系統(tǒng)生物學(xué)交叉研究的研究生和青年學(xué)者使用，《生物分子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和分析》也可供相關(guān)的科研工作者和工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

《非線性動力學(xué)叢書》序
前言
緒論
  0.1  分子生物學(xué)簡介
  0.2  分子系統(tǒng)生物學(xué)研究的基本特征
  參考文獻(xiàn)
第1章  復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)
  1.1  復(fù)雜系統(tǒng)研究的概況
  1.2  生物系統(tǒng)是復(fù)雜系統(tǒng)
  1.3  網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論
  1.4  復(fù)雜系統(tǒng)建?！獜?fù)雜網(wǎng)絡(luò)
  1.5  生物網(wǎng)絡(luò)特征的簡介
  參考文獻(xiàn)
第2章  化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)
  2.1  質(zhì)量作用定律
  2.2  酶動力學(xué)
  參考文獻(xiàn)
第3章  單調(diào)動力系統(tǒng)
  3.1  單調(diào)動力系統(tǒng)基礎(chǔ)
  3.2  單調(diào)動力系統(tǒng)的動態(tài)與分解
  參考文獻(xiàn)
第4章  基于生物數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)推導(dǎo)
  4.1  概述
  4.2  轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)
  4.3  轉(zhuǎn)錄后調(diào)控網(wǎng)絡(luò)
  4.4  轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模體
  4.5  常用生物網(wǎng)絡(luò)分析和可視化軟件
  4.6  小結(jié)
  參考文獻(xiàn)
第5章  由進(jìn)化論構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的方法
  5.1  用DD方法研究生物網(wǎng)絡(luò)的度負(fù)關(guān)聯(lián)性
  5.2  DD方法構(gòu)建具有綜合生物網(wǎng)絡(luò)特征的模型
  5.3  用DD方法構(gòu)建平均場意義下的生物網(wǎng)絡(luò)
  參考文獻(xiàn)
第6章  基于生物分子網(wǎng)絡(luò)的知識發(fā)現(xiàn)
  6.1  網(wǎng)絡(luò)模體
  6.2  生物網(wǎng)絡(luò)中的分層結(jié)構(gòu)
  6.3  基于生物網(wǎng)絡(luò)的知識挖掘
  參考文獻(xiàn)
第7章  細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路：建模和識別
  7.1細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)
  7.2  信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)建模
  7.3  基于蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的信號通路識別
  7.4  信號途徑的應(yīng)用
  7.5  總結(jié)
  參考文獻(xiàn)
第8章  具有典型動力學(xué)性質(zhì)的生物分子網(wǎng)絡(luò)介紹
  8.1具有平凡動力學(xué)特征的網(wǎng)絡(luò)
  8.2  具有開關(guān)效應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)
  8.3  具有振蕩效應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)
  8.4  具有可激發(fā)性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)
  參考文獻(xiàn)
第9章  生物分子網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)控現(xiàn)象
  9.1  基因表達(dá)調(diào)控
  9.2  小RNA調(diào)控
  9.3  積分控制
  9.4  單調(diào)控制系統(tǒng)
  參考文獻(xiàn)
第10章  一些生命現(xiàn)象的網(wǎng)絡(luò)分析例子
  10.1  細(xì)胞周期
  10.2  酵母細(xì)胞周期網(wǎng)絡(luò)的離散和連續(xù)模型
  10.3  酵母細(xì)胞周期網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)模型
  10.4  生物節(jié)律
  10.5  哺乳動物節(jié)律的網(wǎng)絡(luò)模型
  10.6  細(xì)胞通信和細(xì)胞同步行為研究
  10.7  適應(yīng)性模型
  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   生命在從簡單到復(fù)雜、從低級到高級的進(jìn)化過程中，起決定作用的不是基因個體數(shù)目，而是生命系統(tǒng)中基因、蛋白質(zhì)和生物分子的相互作用而形成的復(fù)雜性。因此，客觀上當(dāng)前最迫切的課題是需要系統(tǒng)生物研究工作者從生物分子整體水平上解釋生命現(xiàn)象。另外，隨著生物學(xué)的發(fā)展，人們利用各種高通量技術(shù)已經(jīng)采集到海量的生物數(shù)據(jù)，可以把這些數(shù)據(jù)直接用來建模；同時，科學(xué)家們還可間接利用來源于不同角度所積累的各種大通量數(shù)據(jù)中的信息，獲得更為完整的生物分子相互作用的模型?？傊?，從目前來看，我們既有在分子水平進(jìn)行系統(tǒng)生物學(xué)研究的理論需要，又有構(gòu)建進(jìn)行研究的模型的實驗基礎(chǔ)，因而分子系統(tǒng)生物學(xué)首先得到了發(fā)展，這也是Nature雜志把其系統(tǒng)生物學(xué)的子刊定名為Nature-Molecular Systems Biology的原因。當(dāng)然，有了模型后，就需要科學(xué)家們對模型的整體性態(tài)和動態(tài)過程進(jìn)行更深入的研究。從目前來看，大致要用到計算機(jī)科學(xué)、動力系統(tǒng)、控制論和圖論等各方面知識。如上所述，可看出分子系統(tǒng)生物學(xué)研究是涉及多學(xué)科的研究，國外已經(jīng)非常重視這種交叉研究。 已經(jīng)開展的分子系統(tǒng)生物學(xué)研究所得結(jié)果表明這樣的研究方式不僅可以幫助生物學(xué)家理解復(fù)雜的生物功能，也可以從系統(tǒng)的廣度來理解生命系統(tǒng)的根本機(jī)制或者本質(zhì)規(guī)律。因此，這種系統(tǒng)分子生物學(xué)研究方法在短短幾年中得到迅速發(fā)展，成為生物學(xué)研究中的熱點。本書主要集中于分子系統(tǒng)生物學(xué)的內(nèi)容，主要是介紹建模、動力學(xué)分析和控制機(jī)制研究，希望能推動國內(nèi)在這方面的交叉研究。從這個角度出發(fā)，本節(jié)主要介紹與分子系統(tǒng)生物學(xué)有關(guān)的問題。 分子系統(tǒng)生物學(xué)的研究工作除了有關(guān)的生物實驗外，大致也要經(jīng)歷所研究問題的建模、模型的動力學(xué)行為和控制機(jī)制的分析以及用所得結(jié)果給出生物功能的討論和對如何理解生物現(xiàn)象的解釋。 首先討論分子生物系統(tǒng)的建模。在分子系統(tǒng)生物學(xué)研究中，一個重要的任務(wù)是如何整合大量的生物數(shù)據(jù)來正確地建立所需要研究問題的模型。高通量生物實驗手段得到的數(shù)據(jù)通常有兩個主要問題：一是相對的數(shù)量和信息量不足，只能觀測到復(fù)雜生命現(xiàn)象中的一個部分；二是數(shù)據(jù)的質(zhì)量不夠可靠，通常有大量的假陽性數(shù)據(jù)存在。因而必須發(fā)展各種計算方法，針對這些問題來切實有效地推斷或解決模型構(gòu)建問題。 這里我們先以基因調(diào)控關(guān)系模型建立為例來作一個簡單說明。基因調(diào)控關(guān)系預(yù)測的研究是一個重要方面，大量積累的微陣列（microarray）基因表達(dá)數(shù)據(jù)為從生物實驗數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)基因間調(diào)控關(guān)系，進(jìn)而構(gòu)建基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和信號傳導(dǎo)通路提供了有效的途徑。這類數(shù)據(jù)的特點是一次微陣列實驗?zāi)塬@得細(xì)胞在某一條件下的全基因組表達(dá)數(shù)據(jù)，包含成千上萬的基因在細(xì)胞中的相對或絕對豐度。但是由于生物實驗條件所限，一次實驗只能獲得少數(shù)的樣本點，因此基因數(shù)據(jù)維數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于樣本個數(shù)，這就導(dǎo)致了由于基因表達(dá)數(shù)據(jù)的“維數(shù)災(zāi)難”所造成的數(shù)據(jù)相對于構(gòu)建數(shù)學(xué)模型不足的困難，從而使得集成各種不同的信息源、從實驗數(shù)據(jù)出發(fā)通過反向工程方法重構(gòu)可靠的模型成為分子系統(tǒng)生物學(xué)中有關(guān)建模研究中的最富挑戰(zhàn)性的問題。一種新的重建基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)方法——GRNInfer，與傳統(tǒng)的只依靠單一時間序列數(shù)據(jù)集來推斷基因調(diào)控網(wǎng)的方法不同。它的特點是能夠在統(tǒng)一的數(shù)學(xué)規(guī)劃框架下系統(tǒng)地集成多個時間序列數(shù)據(jù)集，并且允許這些數(shù)據(jù)集是在不同條件（細(xì)胞周期的不同階段、藥物作用時間、腫瘤類型、不同患者等）下的全基因組表達(dá)數(shù)據(jù)。這種方法在理論上保證從所有數(shù)據(jù)集中可以得到最相容的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此極大地緩解了基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)重建方法因微陣列數(shù)據(jù)樣本點個數(shù)少所產(chǎn)生的困難，并且顯著地提高了基因調(diào)控關(guān)系預(yù)測的可靠度和精度。 我們還提出了一類整數(shù)線性規(guī)劃（ILP）模型預(yù)測信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的模型。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是多細(xì)胞生物細(xì)胞間進(jìn)行通信的關(guān)鍵過程，細(xì)胞內(nèi)的各種生物過程（如蛋白質(zhì)一蛋白質(zhì)／DNA相互作用、蛋白質(zhì)翻譯后修飾、基因表達(dá)調(diào)控等）都與各種各樣的信號通路有關(guān)，由于信號轉(zhuǎn)導(dǎo)主要是由蛋白質(zhì)相互作用實現(xiàn)的，因此利用蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)識別信號通路正逐漸成為系統(tǒng)生物學(xué)中的研究熱點。蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)可以表示成一個無向圖G（V，E），其中V為網(wǎng)絡(luò)的頂點（蛋白質(zhì)或者基因），E為網(wǎng)絡(luò)的邊（如蛋白相互作用）。從優(yōu)化角度來看，從網(wǎng)絡(luò)G中識別一個信號通路可以看作是從G中尋找一個子網(wǎng)絡(luò)，該子網(wǎng)絡(luò)能滿足某種評價指標(biāo)或目標(biāo)函數(shù)。整數(shù)線性規(guī)劃模型把信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)成一個整體來處理，而不是用探索排序的方法來組裝單個的線性通路。更重要的是，該模型可以很容易地增加限制條件，并且該方法不用預(yù)先限制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。因此，它可以充分利用來自實驗結(jié)果和文獻(xiàn)的信息，并且可以直接探測具有一般網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的信號通路。同時這個優(yōu)化問題采用了一個松弛的線性規(guī)劃算法來求解，所以用它來解決大規(guī)模的問題將不會帶來任何數(shù)值計算的困難。 在建模方面，除了上面介紹的一些工作外，還有不少學(xué)者也試圖從生物理論出發(fā)來構(gòu)建相應(yīng)的模型。這方面工作的依據(jù)是進(jìn)化論，因為進(jìn)化論是生物現(xiàn)象滿足的基本規(guī)律。這樣在分子層次上，描述生物分子整體行為的模型所具有的基本特征，應(yīng)該來自于生物進(jìn)化論。這樣就自然想到以生物進(jìn)化論為出發(fā)點來建立分子系統(tǒng)生物學(xué)模型的基本框架。眾所周知，從自然選擇和生物進(jìn)化論來看，復(fù)制和變異是生物分子進(jìn)化的內(nèi)在基本機(jī)制。近幾年來，不少研究者提出了各種不同的基于復(fù)制、變異準(zhǔn)則的分子系統(tǒng)生物學(xué)的模型。通過把已有的這些模型的結(jié)果與生物結(jié)果比較，可以發(fā)現(xiàn)這種方法有一定的有效性，能從不同側(cè)面反映生物的實際情況，但離建立一個有一定普適性的框架似乎還相距甚遠(yuǎn)。

編輯推薦

《非線性動力學(xué)叢書:生物分子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和分析》編輯推薦：20世紀(jì)70年代，人們在研究兩個客體相互作用時發(fā)現(xiàn)了混沌動力學(xué)行為，從而推動了非線性科學(xué)迅速發(fā)展，在此基礎(chǔ)上，人們又進(jìn)一步考慮許多客體發(fā)生相互作用時會發(fā)生什么現(xiàn)象的問題模型研究表明這種系統(tǒng)存在著不同于定態(tài)、周期態(tài)和混沌態(tài)的更復(fù)雜的動力學(xué)行為，于是人們對這種現(xiàn)象產(chǎn)生了興趣，提出了復(fù)雜性問題，在20多年對復(fù)雜性問題的研究中，科學(xué)家碰到了前所未有的困難，當(dāng)然也總結(jié)了不少經(jīng)驗，這些經(jīng)驗中最重要的一條是復(fù)雜性的研究首先要基于復(fù)雜系統(tǒng)分析，從具體的復(fù)雜系統(tǒng)研究中找出規(guī)律性東西，進(jìn)一步的工作又認(rèn)識到生命系統(tǒng)是復(fù)雜系統(tǒng)最典型的例子這樣就自然地從復(fù)雜性理論角度提出了研究生物問題的要求?！斗蔷€性動力學(xué)叢書:生物分子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和分析》可供來自高等院校生物、數(shù)學(xué)、信息和計算機(jī)科學(xué)等相關(guān)專業(yè)并從事系統(tǒng)生物學(xué)交叉研究的研究生和青年學(xué)者使用，也可供相關(guān)的科研工作者和工程技術(shù)人員參考。

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