系統(tǒng)生物學導論

前言

　　很高興《系統(tǒng)生物學導論——生物回路的設計原理》中譯本跟大家見面了?！　∠到y(tǒng)生物學(Systems Biologyr)是一門誕生不久又急速成長的交叉學科，它涵蓋了生物學、物理學、數(shù)學、計算機科學和系統(tǒng)科學等學科的核心知識，是一門知識高度集成、在理論和應用兩方面都具有重要意義的新興學科。雖然距2000年11月在日本東京召開的第一次系統(tǒng)生物學國際會議還不到10年，但系統(tǒng)生物學的研究卻以難以想象的速度在我國得到重視和開展。中國科學院和許多高校均相繼成立了系統(tǒng)生物學研究機構。系統(tǒng)生物學幾乎成了最熱門的科技詞匯之一。但是，系統(tǒng)生物學研究到底如何開展，如何實踐，國內(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)生物學基礎)一書(此書中譯本已于2007年出版)，這是系統(tǒng)生物學領域的第一本專著。此書雖對系統(tǒng)生物學做了較全面的基礎性介紹，但大部分內(nèi)容僅停留于宏觀的描述，對研究工作的細節(jié)和核心部分都沒有作深入的展開。這也正反映出當時系統(tǒng)生物學還處于萌芽狀態(tài)，其全貌一時還無法精細地刻畫。但這是一個急速發(fā)展的領域，近年來相關的書籍紛紛面世，這些著作都以特定的視角介紹系統(tǒng)生物學?！　?007年以色列魏茨曼研究所的Uri Alon(尤拉·阿隆)依據(jù)他的團隊的科研實踐撰寫了“An Introduction To systeros Biology”(系統(tǒng)生物學導論)，則為系統(tǒng)生物學研究的實踐提供了一本非常有用的指南書。作者依據(jù)自己的科研實踐對相關的知識做了精心的梳理和選擇，特別是對新的理論研究成果，如網(wǎng)絡模體等，更是做了細致深入的闡述，指出了系統(tǒng)生物學研究的核心內(nèi)容和實踐方法。全書層次清晰，重點突出，內(nèi)容自成一體，讀者通過本書的學習，即可進入系統(tǒng)生物學的研究前沿。加之作者又為全書添加了相應的習題，這對初涉系統(tǒng)生物學研究的讀者理解和領會系統(tǒng)生物學的內(nèi)涵將會有極大的幫助。因此，本書不僅可作為系統(tǒng)生物學研究的入門參考書，更可作為相關學科大學高年級學生和研究生的教材?！　∩虾４髮W數(shù)學系生物信息學實驗室的研究生彭新俊、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?！　≈袊茖W院上海生命科學院的丁達夫、李亦學、趙慕鈞研究員，李載平院士，上海大學數(shù)學系史定華教授，上海師范大學郭本瑜教授，以及化學工業(yè)出版社的編輯等對本書的翻譯出版都給予了熱情的支持和鼓勵，并提供了寶貴的意見，在此一并致謝。

內(nèi)容概要

　　《系統(tǒng)生物學導論：生物回路的設計原理》首次對系統(tǒng)生物學研究工作的核心和細節(jié)進行深入闡述，為直觀理解生物學中一般原理建立了基礎。全書內(nèi)容編排體現(xiàn)了下列特色：對網(wǎng)絡模體等新的理論研究成果做了細致深入的闡述，指出了系統(tǒng)生物學的核心內(nèi)容和實踐方法；闡明了轉(zhuǎn)錄調(diào)控、信號轉(zhuǎn)導、發(fā)育網(wǎng)絡中的基本回路；　　檢測了魯棒性原理；　　清晰地說明了如何用進化優(yōu)化來理解最優(yōu)回路設計；　　仔細考慮了動力學校正和其他機制是如何使生物信息處理中的誤差減到最少的；　　包括了習題、問題的解答以及關于背景材料的附錄。　　《系統(tǒng)生物學導論：生物回路的設計原理》對于初涉系統(tǒng)生物學研究的讀者理解和領會這門學科的內(nèi)涵會有很大幫助，可以作為系統(tǒng)生物學研究的熱門參考書，更可作為相關學科的高年級本科和研究生教材。

書籍目錄

第1章 緒論1進一步閱讀2第2章 轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡：基本概念32.1 引言32.2 細胞的認知問題42.3 轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡中的元件52.3.1 時間尺度分離72.3.2 邊上的符號：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)：一個理解網(wǎng)絡動力學的簡單框架112.3.5 多維輸入函數(shù)調(diào)控具有幾個輸入的基因122.3.6 小結122.4 簡單基因調(diào)控的動力學和響應時間142.4.1 穩(wěn)定蛋白質(zhì)的響應時間是一個細胞世代16進一步閱讀16習題17第3章 自身調(diào)節(jié)：一種網(wǎng)絡模體203.1 引言203.2 模式、隨機化網(wǎng)絡及網(wǎng)絡模體213.2.1 與隨機化網(wǎng)絡比較發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡模體223.3 自身調(diào)節(jié)：一種網(wǎng)絡模體223.4 負自身調(diào)節(jié)網(wǎng)絡加快基因回路的響應時間243.5 負自身調(diào)節(jié)可增強生成速率波動的魯棒性273.5.1 正自身調(diào)節(jié)延緩響應且能導致雙穩(wěn)態(tài)283.6 總結29進一步閱讀29習題29第4章 前饋環(huán)網(wǎng)絡模體324.1 引言324.2 子圖在隨機網(wǎng)絡中出現(xiàn)的次數(shù)324.3 前饋環(huán)是一個網(wǎng)絡模體354.4 前饋環(huán)基因回路的結構364.5 具有邏輯“與”的協(xié)調(diào)-1型FFL的動力學394.6 C1-FFL是一個信號敏感的延遲元件404.6.1 在Sx的ON跳變后的延遲404.6.2 在Sx的OFF跳變后沒有延遲414.6.3 C1-FFL是一個信號敏感的延遲元件414.6.4 信號敏感延遲能防止短暫的輸入波動424.6.5 大腸桿菌的阿拉伯糖系統(tǒng)中的信號敏感延遲434.6.6 “或”門C1-FFL對Sx的OFF跳變是信號敏感延遲的464.6.7 小結464.7 非協(xié)調(diào)-1型FFL464.7.1 非協(xié)調(diào)FFL的結構464.7.2 I1-FFL的動力學：一個脈沖發(fā)生器474.7.3 I1-FFL加快了響應時間494.7.4 響應加速是信號敏感的504.7.5 I1-FFL動力學的實驗研究504.7.6 加快響應的三種方法（小結）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能開啟高表達524.8.2 I4-FFL，一個稀有的選擇回路，擁有簡化的功能性534.9 FFL的趨同進化554.1 0總結56進一步閱讀57習題57第5章 時間程序與轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡的整體結構615.1 引言615.2 單輸入模塊（SIM）網(wǎng)絡模體615.3 SIM可產(chǎn)生表達的時間程序635.4 網(wǎng)絡模體的拓撲泛化665.5 多輸出FFL能產(chǎn)生FIFO時間順序695.5.1 多輸出FFL也可作為每個輸出的持續(xù)檢測器725.6 信號整合和組合調(diào)控：雙扇和致密重疊調(diào)節(jié)子735.7 網(wǎng)絡模體及感覺轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡的整體結構74進一步閱讀77習題78第6章 發(fā)育、信號轉(zhuǎn)導及神經(jīng)網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡模體806.1 引言806.2 發(fā)育轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡模體816.2.1 用于決策的雙結點正反饋環(huán)816.2.2 調(diào)節(jié)反饋和被調(diào)節(jié)反饋836.2.3 長轉(zhuǎn)錄級聯(lián)和發(fā)育的時間選擇846.2.4 枯草桿菌孢子形成網(wǎng)絡中連鎖的前饋環(huán)856.3 信號轉(zhuǎn)導網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡模體876.4 利用多層感知機的信號處理886.4.1 蛋白激酶感知機的玩具模型896.4.2 多層感知機可以執(zhí)行復雜的計算936.5 復合網(wǎng)絡模體：負反饋和振蕩器模體966.6 秀麗隱桿線蟲神經(jīng)元網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡模體1006.6.1 神經(jīng)元網(wǎng)絡中的多輸入前饋環(huán)1046.6.2 秀麗隱桿線蟲神經(jīng)元網(wǎng)絡中的多層感知機1056.7 總結107進一步閱讀108習題109第7章 蛋白質(zhì)回路的魯棒性：細菌趨化性的例子1147.1 魯棒性準則1147.2 細菌趨化性，或細菌是如何思考的1157.2.1 趨化性行為1157.2.2 響應和正合適應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X的活性，而緩慢的修飾就會導致適應性1207.4 解釋正合適應性的兩種模型：魯棒和微調(diào)1217.4.1 微調(diào)模型1217.4.2 正合適應的Barkai-Leibler魯棒機制1237.4.3 魯棒適應和積分反饋1267.4.4 實驗顯示正合適應是魯棒的，而穩(wěn)態(tài)活性和適應時間則是微調(diào)的1267.5 細菌趨化性的特異性和魯棒性127進一步閱讀128習題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 通過自增強形態(tài)發(fā)生素降解來增強魯棒性1368.4 為魯棒模式形成提供降解反饋的網(wǎng)絡模體1388.5 魯棒性原理可以辨別果蠅模式形成的機制139進一步閱讀144補充讀物144習題144第9章 動力學校正1469.1 引言1469.2 遺傳密碼的動力學校正可以減少分子識別的差錯率1479.2.1 平衡結合不能解釋翻譯的精確性1489.2.2 動力學校正可以顯著地減少差錯率1509.3 免疫系統(tǒng)的自身和非自身識別1519.3.1 平衡結合不能解釋免疫識別的低差錯率1529.3.2 動力學校正提高T細胞識別的精確度1549.4 動力學校正可能發(fā)生于細胞中不同的識別過程155進一步閱讀156習題157第10章 最優(yōu)的基因回路設計16010.1 引言16010.2 在恒定條件下蛋白質(zhì)的最優(yōu)表達水平16110.2.1 LacZ蛋白的收益16210.2.2 LacZ蛋白的成本16210.2.3 適應度函數(shù)與最優(yōu)表達水平16310.2.4 實驗室進化實驗表明細胞在幾百個世代之內(nèi)達到最優(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)絡模體的環(huán)境選擇16810.5 總結172進一步閱讀172習題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189進一步閱讀191習題191第12章 結束語：生物學中的簡單性193附錄A基因的輸入函數(shù)：Michaelis-Menten與Hill方程199A.1 阻抑物與啟動子的結合199A.2 阻抑物蛋白質(zhì)與誘導物的結合：Michaelis-Menten方程201A.3 誘導物結合的協(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位點的結合204A.6.1 Logic和Hill輸入函數(shù)的動力學比較205A.7 Michaelis-Menten酶動力學206進一步閱讀207習題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習題210附錄C轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡的圖性質(zhì)211C.1 轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡是稀疏的211C.2 轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡具有長尾出度序列和緊入度序列211C.3 轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡的群集系數(shù)212C.4 網(wǎng)絡模塊化的量化測度213附錄D基因表達的細胞間可變性214進一步閱讀216詞匯表217參考文獻224中文索引247英文索引253

章節(jié)摘錄

　　當我第一次閱讀生物學教科書時，好似在看一本驚險讀物，它的每一頁都會帶來新的震驚。作為一名物理學家，我習慣于研究那些遵循精確數(shù)學法則的事物，然而細胞是一類不斷變化著的物體，其結構自發(fā)地組裝，以執(zhí)行精細的生物化學功能，并且在功能實現(xiàn)后能夠容易地分解。生物分子在編碼及執(zhí)行信息時幾乎不會出現(xiàn)差錯，盡管它們事實上是處于很強的熱噪聲下，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)之問區(qū)別的特殊的自然法則?　　我們渴望知道自然法則以及簡化的原理，然而生物學是如此的復雜以致難以實現(xiàn)。每個生物化學相互作用都是異常地精確，而且細胞中存在著包含成千上萬個這種相互作用的網(wǎng)絡。此類網(wǎng)絡是進化的結果，而進化則是通過產(chǎn)生隨機變化、并選擇能夠生存下來的有機體來實現(xiàn)的。因此從某種意義上講，進化得到的結構依賴于歷史上的偶然性，同時也滿載著在每種情形中都需要特別說明的生物化學細節(jié)。　　盡管存在這樣的復雜性，科學家們也已經(jīng)在試圖辨明那些貫穿于整個生物學史的一般化原理。對于這類原理的探索正在進行之中，而且還遠遠沒有完成。然而，隨著生物學實驗技術的進步，通過實驗手段已可以獲得關于生物學意義上相互作用網(wǎng)絡的詳細的、可以理解的信息，從而使得這樣的研究成為可能?！　∈聦嵣?，隨著此類研究的開展，我們將會發(fā)現(xiàn)一些可應用于生物網(wǎng)絡的一般規(guī)律。生物網(wǎng)絡在進化中出現(xiàn)是為了實現(xiàn)各種功能，所以生物回路并非是隨機或偶然形成的。它具有確定的形態(tài)，系統(tǒng)的這種形態(tài)必須實現(xiàn)功能。盡管進化是通過隨機調(diào)整來起作用的，但是通過一次次的進化它將收斂到一個確定的回路元件的集合，這種集合遵循一般的設計原理?！　”緯哪康氖峭怀錾锵到y(tǒng)的一些設計原理，同時提供一個數(shù)學框架，使得在這個數(shù)學框架中，這些原理可用來理解生物網(wǎng)絡。重要的信息是，生物系統(tǒng)包含著固有的簡單性(simpIicity)。雖然細胞的進化是為了實現(xiàn)功能，而不是為了便于理解，但是簡化的原理卻使得生物學設計更易于為人們所理解?！　”緯淖x者需要有一定的數(shù)學基礎。為了闡述一些重要的原理，書中雖然給出了幾個已經(jīng)有較好研究的生物系統(tǒng)的詳細描述，但我們還是避免使用專業(yè)術語和基因名。本書展現(xiàn)了一條以數(shù)學原理為基礎的學習系統(tǒng)生物學的途徑，其中很少強調(diào)實驗技術。書中的一些示例都是作者非常熟悉的。在每章結尾處列出的資源以及本書最后給出的擴展讀物中可以找到其他的指導說明。

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