现代生命科学与生物技术-03系统生物学

系统生物学化学化工学院黄磊现代生命科学与生物技术硕士研究生公共课程定义：以生物系统内所有的组成成分〔基因、RNA、蛋白、代谢物〕及其相互关系〔基因调控网络、代谢网络、信息传递网络〕为对象，通过大规模的动力学分析，抽象出生物系统的设计原理和运行规律。系统生物学的定义系统生物学的诞生1948年，控制论之父NorbertWiener提出生物系统和控制系统可以用同样的科学方法进行研究20世纪60年代生物化学系统理论〔BST〕稳态或拟稳态20世纪70年代谢控制理论〔MCT〕理论、模型的数据不充分分子生物学、基因组测序以及高通量测量技术的进展，使生物信息系统〔BIS〕的建立成为可能人类基因组方案和各种组学技术把生物学带入系统科学的时代21世纪的系统生物学系统生物学的诞生近几十年来开展最为迅速的生物科学21世纪的生物学分子水平，系统生物学的根底整合性的大科学分子生物学系统生物学系统生物学的诞生分子生物学系统生物学复原主义将生物学复原到分子水平整体主义从系统层次上理解生物系统研究对象是生物系统的组成局部〔个别基因、个别蛋白质〕研究对象是组成局部的相互作用或局部之间关系——本质上就是信息侧重从实验中获取数据实验数据的挖掘〔datamining〕实验的深层次成果往往被无视获得深层次成果，理论创新系统生物学的奠基人：

L.Hood,1999年提出“系统生物学〞，2000年建立第一个系统生物学研究所；系统生物学的诞生系统生物学的奠基人：

L.Hood,1999年提出“系统生物学〞，2000年建立第一个系统生物学研究所〔ISB〕；系统生物学的诞生系统生物学的奠基人：

H.Kitano,2000年建立日本的第一个系统生物学研究所(SBI)系统生物学的诞生系统生物学研究领域基因(DNA)基因序列和基因活动在染色体水平的调控Genomics/Epigenomics基因调控基因特异性调控（转录调控因子）Regulatomics基因产物(RNA/蛋白质)转录组（编码和非编码RNA）/蛋白质组（成熟、运输和修饰）Transcriptomics/Proteomics基因功能单元(基因产物)操作分子（RNA和蛋白质）的相互作用Interactomics基因功能群(基因产物复合体)操作分子组成功能团（如核糖体）Ribosomics细胞机器与基因功能关联群操作分子组成结构团和功能团（线粒体）Mitochonriomics细胞通讯细胞水平的过程和功能属性（分化、凋亡等）Metablomics细胞<>器官生理和病理现象的分子基础（免疫、认知等）Liveromics个体<>群体基因型与表现型的遗传学关系Pharmacogenomics群体<>环境表型可塑性与环境的作用（生物节律、冬眠）Rhythmomics第一步：确定组分与建模第二步：系统扰动与监控第三步：模型优化第四步：模型测试系统生物学研究步骤转录组学蛋白质组学代谢组学和代谢物组学细胞组学系统生物学研究领域转录组学细胞、组织或个体所有mRNA的总和叫转录组，以转录组作为研究对象，开展科学研究而形成了转录组学。转录组学研究的主要手段为：

基因芯片技术

RNA干扰技术

转录调控网络系统生物学研究领域蛋白质组学生物体、细胞、组织中全部蛋白质的表达谱、相互作用、结构与功能作为研究对象，开展科学研究而形成了蛋白组学。

系统生物学研究领域氨基酸氨基酸是同时具有α-氨基和α-羧基的小分子。α-碳原子具有α-氨基和α-羧基是各种氨基酸的共性各种氨基酸的区别在侧链基团——R上参与蛋白质合成的共有20种天然氨基酸根据侧链结构和性质，可把20种氨基酸分成不同的组：疏水氨基酸：亮氨酸，异亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸亲水氨基酸：丝氨酸，苏氨酸，天冬酰氨，酸性氨基酸：天冬氨酸，谷氨酸碱性氨基酸：精氨酸，赖氨酸含硫氨基酸：半胱氨酸，甲硫氨酸含羟基氨基酸：苏氨酸，丝氨酸，带环氨基酸：酪氨酸，苯丙氨酸，色氨酸必需氨基酸：人体中不能合成的氨基酸缬氨酸精氨酸亮氨酸组氨酸异亮氨酸婴儿还应加上这两种苏氨酸半必需氨基酸苯丙氨酸色氨酸赖氨酸蛋氨酸谷类作物中尤其缺乏此种氨基酸IleMetValLeuTrpPheThrLys一家写两三本书来异亮、甲硫、缬、亮、色、苯丙、苏、赖甘丙缬亮异脂链；丝苏半甲羟硫添；天谷精赖组酸碱；脯酪苯色杂芳环；门冬酰胺谷酰胺；都有“密码〞属常见20种天然氨基酸除甘氨酸外，都带一个不对称碳原子-α碳原子，都有光学异构体〔镜映体〕。19种天然氨基酸均为L-型氨基酸。参与蛋白质合成的也是L-型。氨基酸的功能：〔1〕作为组建蛋白质的元件〔2〕有的氨基酸或其衍生物具有生物活性〔代谢调节、信号传递等〕调味品：味精——谷氨酸钠1、氨基酸通过肽键联成肽链寡肽：含有2-20个氨基酸残基〔如二肽、五肽、八肽〕多肽：含20－50个氨基酸残基蛋白质：含几十个氨基酸残基注意：肽链有方向性，氨基端〔N端〕，羧基端〔C端〕蛋白质的高级结构蛋白质的一级结构是指肽链中氨基酸的排列顺序蛋白质的二级结构是指邻近几个氨基酸形成的一定的结构形状。如：α-螺旋和β-折叠蛋白质的三级结构是指整条肽链盘绕折叠形成一定的空间结构形状。如纤维蛋白和球状蛋白。蛋白质的四级结构是指各条肽链之间的位置和结构。所以，四级结构只存在于由两条肽链以上组成的蛋白质。血红蛋白质的三级结构和四级结构维持生物大分子高级结构的重要因素－－非共价键范德华引力疏水基团相互作用非共价键的键强度很小，所以：A、需要多个非共价键才足以维持高级结构的稳定；B、高级结构不很稳定。生物大分子变性就是因为高级结构破坏，大分子性质改变，生物活性丧失。但是，一级结构尚未破坏。RNase的变性和复性注意：双硫键〔共价键〕也在维持蛋白质高级结构中起重要作用。蛋白质合成也就是基因表达决定合成什么样的蛋白质的遗传信息，贮存在细胞内的DNA大分子中，表达为DNA大分子中核苷酸排列次序，最终表达为蛋白质大分子中的氨基酸序列。蛋白质合成的第一步，由DNA指导mRNA〔信使RNA〕的合成。DNA中的遗传信息通过转录表达在mRNA分子中核苷酸排列次序中。蛋白质合成的第二步，由mRNA指导蛋白质合成。mRNA中携带的遗传信息通过翻译转而表达为蛋白质大分子中氨基酸的排列次序。转录核苷酸序列――核苷酸序列翻译核苷酸序列――氨基酸序列蛋白质合成的第一步是mRNA的合成mRNA合成需要：以四种三磷酸核苷为原料ATP、GTP、UTP和CTP以DNA〔大分子中的一段〕为模板由RNA聚合酶催化总反响式：〔NTP〕n+DNA酶mRNA+DNAmRNA的合成在细胞核内进行，之后mRNA从核内移至细胞质中。遗传密码和转运RNAmRNA分子中每三个相邻核苷酸序列决定一个氨基酸，这就是通常所说的三联密码子。与遗传密码子相对应的反密码子在转运RNA〔tRNA〕分子中。tRNA的二级结构呈三叶草形，它的任务是搬运氨基酸。在tRNA分子中，一方面联接着被搬运的氨基酸，另一方面通过反密码子把氨基酸安置到适宜的位置上去。遗传密码表转运RNA〔tRNA〕核糖体由蛋白质和RNA组成，后者称为核糖体RNA〔rRNA〕。在细胞质中，mRNA先与核糖体结合。蛋白质合成的第二步需依托核糖体第一个tRNA把一个氨基酸放在肽链起始位置上；另一个tRNA带来第二个氨基酸。第一个氨基酸以羧基联到第二个氨基酸上，形成肽键。核糖体向右移三个核苷酸位置，第一个tRNA脱落,准备好位置迎接第三个tRNA及其所带的氨基酸。合成过程连续进行直到在mRNA上出现休止符号的密码子。于是，不再有新的tRNA上来，肽链合成结束。核糖体与mRNA脱开。mRNA从核内来到细胞质中，核糖体的两个亚基和mRNA组装在一起。第一个tRNA把一个氨基酸放在肽链起始位置上；另一个tRNA带来第二个氨基酸。第一个氨基酸以羧基连到第二个氨基酸的氨基上，形成肽键。核糖体向右移三个核苷酸位置，第一个tRNA脱落，准备好位置迎接第三个tRNA及其所带的氨基酸。合成过程连续进行直到在mRNA上出现休止符号的密码子。于是，不再有新的tRNA上来，肽链合成结束。核糖体与mRNA脱开。蛋白质合成中还有其他加工步骤。包括:A、蛋白质大分子折叠；B、糖基和其他基团的修饰；C、蛋白质分子向细胞各部位的运送等。蛋白质分子折叠主要研究策略表达蛋白质组学：即观察某种细胞或组织中大量蛋白质的整体表达，并分析在不同情况下表达图谱的变化。细胞图谱蛋白质组学：旨在定义蛋白质间的相互作用，以建立细胞内信号转导通路的复杂网络图。蛋白质组学系统生物学研究领域主要研究方法蛋白质组学系统生物学研究领域代谢组学和代谢物组学代谢组学是指用来表示生物体代谢物整体。代谢组学分析能够提供有关细胞代谢和调控的信息。

代谢物组学是对一个生物系统的细胞在给定时间和给定条件下所有小分子代谢物质的定量分析研究，这一定义多用在植物和微生物系统。

系统生物学研究领域细胞组学细胞组学是指把基因到蛋白质的生命过程中所发生变化的信息集成到细胞的结构与功能及细胞间相互关系上的学科。系统生物学研究领域系统生物学的研究方法：〔1〕确定组分与建模；〔2〕系统扰动与监控；〔3〕模型优化；〔4〕模型测试；系统生物学的研究方法NCBI数据库：GO〔GeneOntology〕数据库：日本的KEGG数据库：欧洲EBI数据库：ArrayExpress酶信息数据库BRENDA：蛋白质结构数据库PDB系统生物学相关数据库蛋白质相互作用数据库：DIP、BIND生物学过程数据库Reactome：转录因子数据库TRANSFAC：真核生物启动子数据库EPD：基因组分析数据库Genome-Matrix:系统生物学相关数据库CellDesigner:JDesigner:Jarnac:Cytoscape:··············系统生物学相关工具系统生物标记语言:SBML、CellML、MathMLSBML:SBML是机器可读的、基于XML的置标语言，用于描述生化反响等网络的计算模型。可以描述代谢网络、细胞信号通路、调节网络、以及在系统生物学研究范畴中的其它系统。地址：:///Main_Page系统生物学工作平台和标记语言系统生物标记语言:CellML：基于XML的置标语言，用于描述生化反响等网络的计算模型。地址：:///系统生物学工作平台和标记语言系统生物标记语言:MathML是一种基于XML的标准，用来在互联网上书写数学符号和公式的置标语言。它是由W3C的数学工作组提出的。地址：

系统生物学工作平台和标记语言ICSB-2000，

TheFirstInternationalConferenceonSystemsBiology，2000/11/14-16,inTokyo,JapanICSB-2001，2001/11/4-7,CaliforniaInstituteofTechnology,USA.ICSB-2002，2002/12/13-15,KarolinskaInstitutet,Stockholm,Sweden.系统生物学国际会议ICSB-2003,2003/11/5-10,St.Louis,USAICSB-2004,2004/10/9-13Heidelberg,GermanyICSB-2005,2005/11/19-24,inBoston,UKICSB-2006,2006/11/9-13,Yokohama,Japan系统生物学国际会议ICSB-2007,2007/11/3-6,California,USAICSB-2023,2023/08/22-28,Gothenburg,SwedenICSB-2023,2023/08/30-09/04,Stanford,California,USA系统生物学国际会议系统生物学权威期刊系统生物学学术期刊：MolecularSystemsBiology

：IF8.9475，NaturePublishingGroupBMCSystemsBiology:IF3.710,BioMed

CentralIETSystemsBiology:IF2.008,IETDigitalLibrary系统生物学研究机构美国：IBS，