系統(tǒng)生物學(xué)導(dǎo)論

前言

　　很高興《系統(tǒng)生物學(xué)導(dǎo)論——生物回路的設(shè)計(jì)原理》中譯本跟大家見(jiàn)面了。　　系統(tǒng)生物學(xué)(Systems Biologyr)是一門誕生不久又急速成長(zhǎng)的交叉學(xué)科，它涵蓋了生物學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)等學(xué)科的核心知識(shí)，是一門知識(shí)高度集成、在理論和應(yīng)用兩方面都具有重要意義的新興學(xué)科。雖然距2000年11月在日本東京召開(kāi)的第一次系統(tǒng)生物學(xué)國(guó)際會(huì)議還不到10年，但系統(tǒng)生物學(xué)的研究卻以難以想象的速度在我國(guó)得到重視和開(kāi)展。中國(guó)科學(xué)院和許多高校均相繼成立了系統(tǒng)生物學(xué)研究機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)生物學(xué)幾乎成了最熱門的科技詞匯之一。但是，系統(tǒng)生物學(xué)研究到底如何開(kāi)展，如何實(shí)踐，國(guó)內(nèi)外都還是處于探索階段。2001年，Hiroaki Kitano(北野宏明)出版了“FoLmdations of Systems Biology”(系統(tǒng)生物學(xué)基礎(chǔ))一書(此書中譯本已于2007年出版)，這是系統(tǒng)生物學(xué)領(lǐng)域的第一本專著。此書雖對(duì)系統(tǒng)生物學(xué)做了較全面的基礎(chǔ)性介紹，但大部分內(nèi)容僅停留于宏觀的描述，對(duì)研究工作的細(xì)節(jié)和核心部分都沒(méi)有作深入的展開(kāi)。這也正反映出當(dāng)時(shí)系統(tǒng)生物學(xué)還處于萌芽狀態(tài)，其全貌一時(shí)還無(wú)法精細(xì)地刻畫。但這是一個(gè)急速發(fā)展的領(lǐng)域，近年來(lái)相關(guān)的書籍紛紛面世，這些著作都以特定的視角介紹系統(tǒng)生物學(xué)。　　2007年以色列魏茨曼研究所的Uri Alon(尤拉·阿隆)依據(jù)他的團(tuán)隊(duì)的科研實(shí)踐撰寫了“An Introduction To systeros Biology”(系統(tǒng)生物學(xué)導(dǎo)論)，則為系統(tǒng)生物學(xué)研究的實(shí)踐提供了一本非常有用的指南書。作者依據(jù)自己的科研實(shí)踐對(duì)相關(guān)的知識(shí)做了精心的梳理和選擇，特別是對(duì)新的理論研究成果，如網(wǎng)絡(luò)模體等，更是做了細(xì)致深入的闡述，指出了系統(tǒng)生物學(xué)研究的核心內(nèi)容和實(shí)踐方法。全書層次清晰，重點(diǎn)突出，內(nèi)容自成一體，讀者通過(guò)本書的學(xué)習(xí)，即可進(jìn)入系統(tǒng)生物學(xué)的研究前沿。加之作者又為全書添加了相應(yīng)的習(xí)題，這對(duì)初涉系統(tǒng)生物學(xué)研究的讀者理解和領(lǐng)會(huì)系統(tǒng)生物學(xué)的內(nèi)涵將會(huì)有極大的幫助。因此，本書不僅可作為系統(tǒng)生物學(xué)研究的入門參考書，更可作為相關(guān)學(xué)科大學(xué)高年級(jí)學(xué)生和研究生的教材。　　上海大學(xué)數(shù)學(xué)系生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究生彭新俊、周文、劉祥、沈稱意、李馮、馮鐵男、閻正樓、張玉濱、孟煒、張亮生、劉煥、王飛飛、趙潔苑、呂玉龍、沈青松、江浩、王晶、高松、龔云路、茅嘉、秦殿剛、薛曉怡、林合同、金鼎立、李建華、王群群等參加了本書的研討和翻譯，全書最后由王翼飛統(tǒng)稿并校訂。　　中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)院的丁達(dá)夫、李亦學(xué)、趙慕鈞研究員，李載平院士，上海大學(xué)數(shù)學(xué)系史定華教授，上海師范大學(xué)郭本瑜教授，以及化學(xué)工業(yè)出版社的編輯等對(duì)本書的翻譯出版都給予了熱情的支持和鼓勵(lì)，并提供了寶貴的意見(jiàn)，在此一并致謝。

內(nèi)容概要

　　《系統(tǒng)生物學(xué)導(dǎo)論：生物回路的設(shè)計(jì)原理》首次對(duì)系統(tǒng)生物學(xué)研究工作的核心和細(xì)節(jié)進(jìn)行深入闡述，為直觀理解生物學(xué)中一般原理建立了基礎(chǔ)。全書內(nèi)容編排體現(xiàn)了下列特色：對(duì)網(wǎng)絡(luò)模體等新的理論研究成果做了細(xì)致深入的闡述，指出了系統(tǒng)生物學(xué)的核心內(nèi)容和實(shí)踐方法；闡明了轉(zhuǎn)錄調(diào)控、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、發(fā)育網(wǎng)絡(luò)中的基本回路；　　檢測(cè)了魯棒性原理；　　清晰地說(shuō)明了如何用進(jìn)化優(yōu)化來(lái)理解最優(yōu)回路設(shè)計(jì)；　　仔細(xì)考慮了動(dòng)力學(xué)校正和其他機(jī)制是如何使生物信息處理中的誤差減到最少的；　　包括了習(xí)題、問(wèn)題的解答以及關(guān)于背景材料的附錄?！　　断到y(tǒng)生物學(xué)導(dǎo)論：生物回路的設(shè)計(jì)原理》對(duì)于初涉系統(tǒng)生物學(xué)研究的讀者理解和領(lǐng)會(huì)這門學(xué)科的內(nèi)涵會(huì)有很大幫助，可以作為系統(tǒng)生物學(xué)研究的熱門參考書，更可作為相關(guān)學(xué)科的高年級(jí)本科和研究生教材。

書籍目錄

第1章 緒論1進(jìn)一步閱讀2第2章 轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)：基本概念32.1 引言32.2 細(xì)胞的認(rèn)知問(wèn)題42.3 轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)中的元件52.3.1 時(shí)間尺度分離72.3.2 邊上的符號(hào)：激活劑和阻抑物92.3.3 邊上的數(shù)字：輸入函數(shù)92.3.4 邏輯輸入函數(shù)：一個(gè)理解網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)的簡(jiǎn)單框架112.3.5 多維輸入函數(shù)調(diào)控具有幾個(gè)輸入的基因122.3.6 小結(jié)122.4 簡(jiǎn)單基因調(diào)控的動(dòng)力學(xué)和響應(yīng)時(shí)間142.4.1 穩(wěn)定蛋白質(zhì)的響應(yīng)時(shí)間是一個(gè)細(xì)胞世代16進(jìn)一步閱讀16習(xí)題17第3章 自身調(diào)節(jié)：一種網(wǎng)絡(luò)模體203.1 引言203.2 模式、隨機(jī)化網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)模體213.2.1 與隨機(jī)化網(wǎng)絡(luò)比較發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模體223.3 自身調(diào)節(jié)：一種網(wǎng)絡(luò)模體223.4 負(fù)自身調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)加快基因回路的響應(yīng)時(shí)間243.5 負(fù)自身調(diào)節(jié)可增強(qiáng)生成速率波動(dòng)的魯棒性273.5.1 正自身調(diào)節(jié)延緩響應(yīng)且能導(dǎo)致雙穩(wěn)態(tài)283.6 總結(jié)29進(jìn)一步閱讀29習(xí)題29第4章 前饋環(huán)網(wǎng)絡(luò)模體324.1 引言324.2 子圖在隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的次數(shù)324.3 前饋環(huán)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模體354.4 前饋環(huán)基因回路的結(jié)構(gòu)364.5 具有邏輯“與”的協(xié)調(diào)-1型FFL的動(dòng)力學(xué)394.6 C1-FFL是一個(gè)信號(hào)敏感的延遲元件404.6.1 在Sx的ON跳變后的延遲404.6.2 在Sx的OFF跳變后沒(méi)有延遲414.6.3 C1-FFL是一個(gè)信號(hào)敏感的延遲元件414.6.4 信號(hào)敏感延遲能防止短暫的輸入波動(dòng)424.6.5 大腸桿菌的阿拉伯糖系統(tǒng)中的信號(hào)敏感延遲434.6.6 “或”門C1-FFL對(duì)Sx的OFF跳變是信號(hào)敏感延遲的464.6.7 小結(jié)464.7 非協(xié)調(diào)-1型FFL464.7.1 非協(xié)調(diào)FFL的結(jié)構(gòu)464.7.2 I1-FFL的動(dòng)力學(xué)：一個(gè)脈沖發(fā)生器474.7.3 I1-FFL加快了響應(yīng)時(shí)間494.7.4 響應(yīng)加速是信號(hào)敏感的504.7.5 I1-FFL動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究504.7.6 加快響應(yīng)的三種方法（小結(jié)）514.8 為什么有些FFL類型是稀有的？524.8.1 I1-FFL的穩(wěn)態(tài)邏輯：Sy能開(kāi)啟高表達(dá)524.8.2 I4-FFL，一個(gè)稀有的選擇回路，擁有簡(jiǎn)化的功能性534.9 FFL的趨同進(jìn)化554.1 0總結(jié)56進(jìn)一步閱讀57習(xí)題57第5章 時(shí)間程序與轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)615.1 引言615.2 單輸入模塊（SIM）網(wǎng)絡(luò)模體615.3 SIM可產(chǎn)生表達(dá)的時(shí)間程序635.4 網(wǎng)絡(luò)模體的拓?fù)浞夯?65.5 多輸出FFL能產(chǎn)生FIFO時(shí)間順序695.5.1 多輸出FFL也可作為每個(gè)輸出的持續(xù)檢測(cè)器725.6 信號(hào)整合和組合調(diào)控：雙扇和致密重疊調(diào)節(jié)子735.7 網(wǎng)絡(luò)模體及感覺(jué)轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)74進(jìn)一步閱讀77習(xí)題78第6章 發(fā)育、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)模體806.1 引言806.2 發(fā)育轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)模體816.2.1 用于決策的雙結(jié)點(diǎn)正反饋環(huán)816.2.2 調(diào)節(jié)反饋和被調(diào)節(jié)反饋836.2.3 長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄級(jí)聯(lián)和發(fā)育的時(shí)間選擇846.2.4 枯草桿菌孢子形成網(wǎng)絡(luò)中連鎖的前饋環(huán)856.3 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)模體876.4 利用多層感知機(jī)的信號(hào)處理886.4.1 蛋白激酶感知機(jī)的玩具模型896.4.2 多層感知機(jī)可以執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算936.5 復(fù)合網(wǎng)絡(luò)模體：負(fù)反饋和振蕩器模體966.6 秀麗隱桿線蟲神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)模體1006.6.1 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中的多輸入前饋環(huán)1046.6.2 秀麗隱桿線蟲神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中的多層感知機(jī)1056.7 總結(jié)107進(jìn)一步閱讀108習(xí)題109第7章 蛋白質(zhì)回路的魯棒性：細(xì)菌趨化性的例子1147.1 魯棒性準(zhǔn)則1147.2 細(xì)菌趨化性，或細(xì)菌是如何思考的1157.2.1 趨化性行為1157.2.2 響應(yīng)和正合適應(yīng)1167.3 大腸桿菌的趨化性蛋白質(zhì)回路1187.3.1 引誘劑降低X的活性1207.3.2 修飾增強(qiáng)X的活性，而緩慢的修飾就會(huì)導(dǎo)致適應(yīng)性1207.4 解釋正合適應(yīng)性的兩種模型：魯棒和微調(diào)1217.4.1 微調(diào)模型1217.4.2 正合適應(yīng)的Barkai-Leibler魯棒機(jī)制1237.4.3 魯棒適應(yīng)和積分反饋1267.4.4 實(shí)驗(yàn)顯示正合適應(yīng)是魯棒的，而穩(wěn)態(tài)活性和適應(yīng)時(shí)間則是微調(diào)的1267.5 細(xì)菌趨化性的特異性和魯棒性127進(jìn)一步閱讀128習(xí)題129第8章 發(fā)育中的魯棒模式形成1338.1 引言1338.2 指數(shù)型形態(tài)發(fā)生素剖面是非魯棒的1348.3 通過(guò)自增強(qiáng)形態(tài)發(fā)生素降解來(lái)增強(qiáng)魯棒性1368.4 為魯棒模式形成提供降解反饋的網(wǎng)絡(luò)模體1388.5 魯棒性原理可以辨別果蠅模式形成的機(jī)制139進(jìn)一步閱讀144補(bǔ)充讀物144習(xí)題144第9章 動(dòng)力學(xué)校正1469.1 引言1469.2 遺傳密碼的動(dòng)力學(xué)校正可以減少分子識(shí)別的差錯(cuò)率1479.2.1 平衡結(jié)合不能解釋翻譯的精確性1489.2.2 動(dòng)力學(xué)校正可以顯著地減少差錯(cuò)率1509.3 免疫系統(tǒng)的自身和非自身識(shí)別1519.3.1 平衡結(jié)合不能解釋免疫識(shí)別的低差錯(cuò)率1529.3.2 動(dòng)力學(xué)校正提高T細(xì)胞識(shí)別的精確度1549.4 動(dòng)力學(xué)校正可能發(fā)生于細(xì)胞中不同的識(shí)別過(guò)程155進(jìn)一步閱讀156習(xí)題157第10章 最優(yōu)的基因回路設(shè)計(jì)16010.1 引言16010.2 在恒定條件下蛋白質(zhì)的最優(yōu)表達(dá)水平16110.2.1 LacZ蛋白的收益16210.2.2 LacZ蛋白的成本16210.2.3 適應(yīng)度函數(shù)與最優(yōu)表達(dá)水平16310.2.4 實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化實(shí)驗(yàn)表明細(xì)胞在幾百個(gè)世代之內(nèi)達(dá)到最優(yōu)的LacZ水平16410.3 調(diào)節(jié)還是不調(diào)節(jié)：在可變環(huán)境中的最優(yōu)調(diào)節(jié)16610.4 前饋環(huán)網(wǎng)絡(luò)模體的環(huán)境選擇16810.5 總結(jié)172進(jìn)一步閱讀172習(xí)題173第11章 基因調(diào)控的需求規(guī)則17811.1 引言17811.2 SAVAGEAU需求規(guī)則17911.2.1 大腸桿菌中需求規(guī)則存在的證據(jù)18011.2.2 需求規(guī)則的突變解釋18211.2.3 突變體選擇討論的問(wèn)題18211.3 基于最小裝載誤差的基因調(diào)控規(guī)則18311.4 最優(yōu)調(diào)控下的選擇壓力18411.5 多調(diào)節(jié)物系統(tǒng)中的需求規(guī)則18511.6 總結(jié)189進(jìn)一步閱讀191習(xí)題191第12章 結(jié)束語(yǔ)：生物學(xué)中的簡(jiǎn)單性193附錄A基因的輸入函數(shù)：Michaelis-Menten與Hill方程199A.1 阻抑物與啟動(dòng)子的結(jié)合199A.2 阻抑物蛋白質(zhì)與誘導(dǎo)物的結(jié)合：Michaelis-Menten方程201A.3 誘導(dǎo)物結(jié)合的協(xié)同性及Hill方程202A.4 Monod、Changeux及Wymann模型203A.5 阻抑物的基因調(diào)節(jié)輸入函數(shù)204A.6 激活劑與它的DNA位點(diǎn)的結(jié)合204A.6.1 Logic和Hill輸入函數(shù)的動(dòng)力學(xué)比較205A.7 Michaelis-Menten酶動(dòng)力學(xué)206進(jìn)一步閱讀207習(xí)題207附錄B多維輸入函數(shù)209B.1 整合激活劑和阻抑物的輸入函數(shù)209習(xí)題210附錄C轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)的圖性質(zhì)211C.1 轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)是稀疏的211C.2 轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)具有長(zhǎng)尾出度序列和緊入度序列211C.3 轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)的群集系數(shù)212C.4 網(wǎng)絡(luò)模塊化的量化測(cè)度213附錄D基因表達(dá)的細(xì)胞間可變性214進(jìn)一步閱讀216詞匯表217參考文獻(xiàn)224中文索引247英文索引253

章節(jié)摘錄

　　當(dāng)我第一次閱讀生物學(xué)教科書時(shí)，好似在看一本驚險(xiǎn)讀物，它的每一頁(yè)都會(huì)帶來(lái)新的震驚。作為一名物理學(xué)家，我習(xí)慣于研究那些遵循精確數(shù)學(xué)法則的事物，然而細(xì)胞是一類不斷變化著的物體，其結(jié)構(gòu)自發(fā)地組裝，以執(zhí)行精細(xì)的生物化學(xué)功能，并且在功能實(shí)現(xiàn)后能夠容易地分解。生物分子在編碼及執(zhí)行信息時(shí)幾乎不會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)，盡管它們事實(shí)上是處于很強(qiáng)的熱噪聲下，而且被包埋在濃厚的分子湯中。這是如何做到的?是否在這些生物系統(tǒng)中存在一些能夠幫助我們理解生命物質(zhì)與非生命物質(zhì)之問(wèn)區(qū)別的特殊的自然法則?　　我們渴望知道自然法則以及簡(jiǎn)化的原理，然而生物學(xué)是如此的復(fù)雜以致難以實(shí)現(xiàn)。每個(gè)生物化學(xué)相互作用都是異常地精確，而且細(xì)胞中存在著包含成千上萬(wàn)個(gè)這種相互作用的網(wǎng)絡(luò)。此類網(wǎng)絡(luò)是進(jìn)化的結(jié)果，而進(jìn)化則是通過(guò)產(chǎn)生隨機(jī)變化、并選擇能夠生存下來(lái)的有機(jī)體來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此從某種意義上講，進(jìn)化得到的結(jié)構(gòu)依賴于歷史上的偶然性，同時(shí)也滿載著在每種情形中都需要特別說(shuō)明的生物化學(xué)細(xì)節(jié)。　　盡管存在這樣的復(fù)雜性，科學(xué)家們也已經(jīng)在試圖辨明那些貫穿于整個(gè)生物學(xué)史的一般化原理。對(duì)于這類原理的探索正在進(jìn)行之中，而且還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有完成。然而，隨著生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段已可以獲得關(guān)于生物學(xué)意義上相互作用網(wǎng)絡(luò)的詳細(xì)的、可以理解的信息，從而使得這樣的研究成為可能?！　∈聦?shí)上，隨著此類研究的開(kāi)展，我們將會(huì)發(fā)現(xiàn)一些可應(yīng)用于生物網(wǎng)絡(luò)的一般規(guī)律。生物網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)化中出現(xiàn)是為了實(shí)現(xiàn)各種功能，所以生物回路并非是隨機(jī)或偶然形成的。它具有確定的形態(tài)，系統(tǒng)的這種形態(tài)必須實(shí)現(xiàn)功能。盡管進(jìn)化是通過(guò)隨機(jī)調(diào)整來(lái)起作用的，但是通過(guò)一次次的進(jìn)化它將收斂到一個(gè)確定的回路元件的集合，這種集合遵循一般的設(shè)計(jì)原理?！　”緯哪康氖峭怀錾锵到y(tǒng)的一些設(shè)計(jì)原理，同時(shí)提供一個(gè)數(shù)學(xué)框架，使得在這個(gè)數(shù)學(xué)框架中，這些原理可用來(lái)理解生物網(wǎng)絡(luò)。重要的信息是，生物系統(tǒng)包含著固有的簡(jiǎn)單性(simpIicity)。雖然細(xì)胞的進(jìn)化是為了實(shí)現(xiàn)功能，而不是為了便于理解，但是簡(jiǎn)化的原理卻使得生物學(xué)設(shè)計(jì)更易于為人們所理解?！　”緯淖x者需要有一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。為了闡述一些重要的原理，書中雖然給出了幾個(gè)已經(jīng)有較好研究的生物系統(tǒng)的詳細(xì)描述，但我們還是避免使用專業(yè)術(shù)語(yǔ)和基因名。本書展現(xiàn)了一條以數(shù)學(xué)原理為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)生物學(xué)的途徑，其中很少?gòu)?qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)技術(shù)。書中的一些示例都是作者非常熟悉的。在每章結(jié)尾處列出的資源以及本書最后給出的擴(kuò)展讀物中可以找到其他的指導(dǎo)說(shuō)明。

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