系統(tǒng)生物學(xué)的理論、方法和應(yīng)用

內(nèi)容概要

　　系統(tǒng)生物學(xué)是一門(mén)典型的交叉學(xué)科，需要生命科學(xué)、信息科學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的交叉研究；而目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一本書(shū)能涵蓋所有這些學(xué)科的內(nèi)容。本書(shū)提供了進(jìn)入系統(tǒng)生物學(xué)領(lǐng)域所必需的基礎(chǔ)知識(shí)和學(xué)科概貌，內(nèi)容體系連貫完整、深入淺出，非常適合作為課程教材和研究參考書(shū)?！　∪珪?shū)分為3個(gè)部分。第1部分介紹系統(tǒng)生物學(xué)的主要基礎(chǔ)：細(xì)胞生物學(xué)、數(shù)學(xué)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。第2部分介紹當(dāng)前的計(jì)算建模和數(shù)據(jù)挖掘策略，包括代謝、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞周期、基因表達(dá)等各種細(xì)胞進(jìn)程及其相互作用的各種細(xì)節(jié)；介紹了建模中的一些概念，并討論了如何用不同的模型來(lái)解決一些常見(jiàn)的問(wèn)題，如怎樣解讀數(shù)據(jù)、在特定條件下該應(yīng)用哪種模型。第3部分對(duì)目前互聯(lián)網(wǎng)上可獲得的幫助和資源進(jìn)行了概述性介紹，同時(shí)介紹了作者自己常用的一些建模工具；并對(duì)信息交換絕對(duì)必要的、從而也是構(gòu)成系統(tǒng)生物學(xué)不可或缺的支柱數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了概述。

作者簡(jiǎn)介

　　賀福初，中國(guó)科學(xué)院院士，第三世界科學(xué)院院士。1962年出生于湖南安鄉(xiāng)，1982年畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)后考入軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院攻讀碩士學(xué)位并入伍，相繼獲生物化學(xué)碩士、細(xì)胞生物學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)任事醫(yī)學(xué)科學(xué)院副院長(zhǎng)、研究員、博士生導(dǎo)師，兼任復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院院長(zhǎng)、教授?！　∫獜氖禄蚪M學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)與生物信息學(xué)研究。曾發(fā)現(xiàn)“細(xì)胞活性因子的發(fā)育相關(guān)進(jìn)化”、“相互作用分子的協(xié)同進(jìn)化”、“mRNA編碼區(qū)與非編碼區(qū)的協(xié)調(diào)進(jìn)化”及“物種演化中的分子減速進(jìn)化”等規(guī)律性現(xiàn)象；發(fā)現(xiàn)并克隆肝細(xì)胞生成素、揭示其基因調(diào)控機(jī)制、研制其重組品，發(fā)現(xiàn)其受體及其兩條信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路；建立人胎肝轉(zhuǎn)錄組及其蛋白質(zhì)組，從中發(fā)現(xiàn)500余種新基因、新蛋白質(zhì)；發(fā)現(xiàn)中國(guó)人群常見(jiàn)惡性腫瘤及慢性肝炎等的易感基因10余種；倡導(dǎo)并領(lǐng)銜了人類(lèi)第一個(gè)組織、器官的“人類(lèi)肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”，這也是中國(guó)第一次領(lǐng)導(dǎo)大型國(guó)際合作計(jì)劃， Nature、 Science、Nature Biotechnology 等國(guó)際著名雜志給予高度評(píng)價(jià)。以責(zé)任作者在國(guó)際核心刊物 Nature Genetics、 PNAS、 Gastroenterology、 Hepatology、Genome Res、 Mol Cell Proteomics、 Cancer Res、 JBC、 Oncogene 等發(fā)表論文100余篇?！　s獲“中國(guó)青年科技獎(jiǎng)”、“國(guó)家杰出青年科學(xué)基金”、“求是杰出青年實(shí)用工程獎(jiǎng)”、“中國(guó)青年科學(xué)家獎(jiǎng)”、“中國(guó)五四青年獎(jiǎng)?wù)隆?、“何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)”。曾主持國(guó)家“863”以及“九五”、“十五”攻關(guān)、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新群體項(xiàng)目，國(guó)家自然科學(xué)基金重大、重點(diǎn)課題，北京市重大項(xiàng)目，上海市創(chuàng)新群體項(xiàng)目等10余項(xiàng)，是“973”項(xiàng)目“人類(lèi)重大疾病的蛋白質(zhì)組學(xué)”共首席科學(xué)家。獲國(guó)際人類(lèi)蛋白質(zhì)組組織“研究獎(jiǎng)”，國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，軍隊(duì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，北京市科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)。　　現(xiàn)任國(guó)際人類(lèi)肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃共同執(zhí)行主席，國(guó)際人類(lèi)蛋白質(zhì)組組織理事，國(guó)際核心刊物 Proteomics 資深編輯、 Molecular & Cellular Proteomics 編委，中國(guó)遺傳學(xué)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)。

書(shū)籍目錄

第1部分 概論第1章 基本原理1.1 系統(tǒng)生物學(xué)是生物學(xué)1.2 系統(tǒng)生物學(xué)是建模1.3 系統(tǒng)生物學(xué)是數(shù)據(jù)整合1.4 系統(tǒng)生物學(xué)是一門(mén)有生機(jī)的科學(xué)第2章 生物學(xué)概要引言2.1 生命的起源2.2 細(xì)胞的分子生物學(xué)2.3 結(jié)構(gòu)細(xì)胞生物學(xué)2.4 基因的表達(dá)2.5 細(xì)胞周期第3章 數(shù)學(xué)概要引言3.1 線(xiàn)性代數(shù)3.2 常微分方程3.3 差分方程3.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)3.5 圖和網(wǎng)絡(luò)理論3.6 隨機(jī)過(guò)程第4章 實(shí)驗(yàn)技術(shù)概要引言4.1 基本技術(shù)4.2 高級(jí)技術(shù)第2部分 系統(tǒng)生物學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型和方法第5章 代謝引言5.1 酶動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)5.2 代謝網(wǎng)絡(luò)5.3 代謝控制分析第6章 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)引言6.1 細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間通訊的結(jié)構(gòu)與功能6.2 受體配體相互作用6.3 信號(hào)通路的結(jié)構(gòu)組成6.4 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo):動(dòng)力學(xué)與調(diào)節(jié)特征第7章 選取的生物學(xué)過(guò)程引言7.1 生物學(xué)振蕩7.2 細(xì)胞周期7.3 衰老第8章 基因表達(dá)建模引言8.1 基因表達(dá)建模8.2 啟動(dòng)子識(shí)別8.3 真核基因表達(dá)特定過(guò)程的建模8.4 E.coli 操縱子調(diào)控的建模第9章 基因表達(dá)數(shù)據(jù)的分析引言9.1 數(shù)據(jù)獲取9.2 倍數(shù)變化分析9.3 聚類(lèi)算法9.4 基因表達(dá)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證9.5 分類(lèi)方法9.6 反向工程遺傳網(wǎng)絡(luò)第10章 進(jìn)化和自組織引言10.1 準(zhǔn)種和超循環(huán)10.2 進(jìn)化的其他數(shù)學(xué)模型10.3 用最優(yōu)原理預(yù)測(cè)生物系統(tǒng)第11章 數(shù)據(jù)整合引言11.1 數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)絡(luò)11.2 異質(zhì)數(shù)據(jù)的信息度量11.3 雙邊聚類(lèi)第12章 系統(tǒng)生物學(xué)展望12.1 系統(tǒng)生物學(xué):未來(lái)生物學(xué)研究和醫(yī)學(xué)實(shí)踐的核心12.2 生物學(xué)研究在系統(tǒng)生物學(xué)階段的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)12.3 系統(tǒng)生物學(xué)時(shí)代的出版物12.4 系統(tǒng)生物學(xué)和文本挖掘12.5 醫(yī)學(xué)中的系統(tǒng)生物學(xué)12.6 藥物研發(fā)中的系統(tǒng)生物學(xué)12.7 食品生產(chǎn)和生物工程中的系統(tǒng)生物學(xué)12.8 生態(tài)學(xué)中的系統(tǒng)生物學(xué)12.9 系統(tǒng)生物學(xué)與納米技術(shù)12.10 指導(dǎo)新物種的設(shè)計(jì)12.11 計(jì)算的局限性12.12 潛在的危險(xiǎn)第3部分 計(jì)算機(jī)信息檢索和檢驗(yàn)第13章 數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)上的工具引言13.1 Gene Ontology13.2 KEGG13.3 BRENDA13.4 NCBI的數(shù)據(jù)庫(kù)13.5 EBI的數(shù)據(jù)庫(kù)13.6 SwissˉProt， TrEMBL和UniProt13.7 Reactome13.8 PDB13.9 TRANSFAC 和 EPD13.10 Genome Matrix第14章 建模工具引言14.1 建模和可視化14.2 模型交換語(yǔ)言，數(shù)據(jù)格式

章節(jié)摘錄

　　1.1　系統(tǒng)生物學(xué)是生物學(xué)　　生命作為宇宙間最復(fù)雜的現(xiàn)象之一，已利用系統(tǒng)化的方法在植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、生態(tài)學(xué)以及單細(xì)胞的組成和分子生物學(xué)等領(lǐng)域得到了研究。長(zhǎng)期以來(lái)生物學(xué)家對(duì)細(xì)胞中的各部分是如何運(yùn)行的進(jìn)行了透徹的研究：他們研究了各種分子的生物化學(xué)性質(zhì)，蛋白質(zhì)、DNA和RNA的結(jié)構(gòu)，DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯的法則以及生物膜的結(jié)構(gòu)和功能等等。此外，關(guān)于不同類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)中各種元素間的相互作用的理論概念也得到了發(fā)展。這條研究路線(xiàn)的下一步是進(jìn)一步朝著細(xì)胞、器官和機(jī)體以及（主要是）細(xì)胞進(jìn)程如細(xì)胞通訊、細(xì)胞分裂、體內(nèi)穩(wěn)態(tài)和適應(yīng)的系統(tǒng)化研究方向努力。這類(lèi)研究方法可以被稱(chēng)為系統(tǒng)生物學(xué)?！　榱烁美斫饧?xì)胞是如何工作的，細(xì)胞進(jìn)程是如何調(diào)控的，以及細(xì)胞對(duì)環(huán)境擾動(dòng)如何反應(yīng)或甚至是預(yù)期那些變化?，F(xiàn)在將生物學(xué)和自然科學(xué)中的不同領(lǐng)域整合起來(lái)，正其時(shí)也。生物學(xué)進(jìn)程更為系統(tǒng)化圖景的發(fā)展伴隨并基于實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法學(xué)的革命。盡管仍非常昂貴，新的高通量方法已經(jīng)使得我們可以在同一時(shí)刻并以適當(dāng)?shù)臅r(shí)間分辨率測(cè)量細(xì)胞中所有基因的表達(dá)水平。熒光標(biāo)記和尖端的顯微技術(shù)允許追蹤單細(xì)胞中的個(gè)別分子。對(duì)細(xì)胞組分和細(xì)胞進(jìn)程在時(shí)空上的細(xì)致研究是進(jìn)一步闡明細(xì)胞調(diào)控的重要前提?！　∠到y(tǒng)生物學(xué)的發(fā)展部分地為科學(xué)家的興趣所推動(dòng)，但更多的是由它具有的高應(yīng)用潛力所推動(dòng)。生物工程的生產(chǎn)需要高預(yù)測(cè)能力的工具，以便廉價(jià)、可靠地設(shè)計(jì)具有期望特性的細(xì)胞。鑒于對(duì)衛(wèi)生保健存在許多期望，調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型是必要的，以便認(rèn)識(shí)其在疾病狀況下的改變，并發(fā)展出治療該疾病的方法。而且，由于衛(wèi)生保健朝著個(gè)體化和預(yù)測(cè)醫(yī)學(xué)方面發(fā)展的矚目趨勢(shì)（Weston和Hood 2004），使得在藥物研發(fā)、藥效驗(yàn)證、診斷學(xué)以及治療監(jiān)控等領(lǐng)域內(nèi)對(duì)細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)精確公式化和系統(tǒng)行為預(yù)測(cè)的需求日益增加。以表皮生長(zhǎng)因子受體這個(gè)新一代抗癌藥物靶標(biāo)為例，它屬于一個(gè)至少包含4種相關(guān)受體的家族。這些受體能夠被30多種的不同分子所啟動(dòng)。因此，面對(duì)這種復(fù)雜裝置，有必要繪制其布線(xiàn)圖，以弄清各元件在響應(yīng)各種不同刺激和致病中所起的作用。詳細(xì)模型一經(jīng)建立，所有可能擾動(dòng)的影響均可以相當(dāng)廉價(jià)地用計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)。

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