系统生物学

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系统生物学
細胞訊息傳遞學

系统生物学 是一个试图整合不同层次信息以理解生物系统如何行使功能的学术领域。通过研究某生物系统各不同部分之间的相互关系和相互作用(例如,与细胞信号传送代谢通路,细胞器细胞生理系统生物等相关的基因和蛋白网络),系统生物学期望最终能够建立整个系统的可理解模型。

系统生物学开始于对基因蛋白质的研究,该研究使用高通量技术来测定某物种在给定条件干涉下基因组蛋白质组的变化。研究基因组的高通量技术包括用来测定mRNA变化的生物芯片技术。高通量蛋白质组学方法包括质谱,该技术用于鉴定蛋白质,检测蛋白修饰和量化蛋白质表达水平。

沿革[编辑]

2003年4月14日,由6個國家的科學家共同宣佈人類基因組序列圖繪製成功,所完成的序列圖覆蓋人類基因體所含基因區域的99%,精確率達到99.99%,這一計畫的完成比原先估計的要提前兩年。自從1990年10月1日開始進行的人類基因體計畫是由美國能源部 (Department of Energy; DOE) 及國家衛生院 (National Institutes of Health; NIH) 共同主導展開的一項跨國計畫。計劃主旨是希望能將人類的基因體完全定序出來,並找出基因的相關位置,以便能夠進一步研究每個基因可能的生理功能及其與疾病發生之間的相關性。就在人類基因體計畫完成之前,由於計畫所產生的鉅量的資料,因此在90年代初,生物學家將電腦分析及微機電的方法大量引入生物學的研究,使得生物醫學的研究跳脫出傳統的研究方式,進入了一個新的研究領域:系統生物學 (systems biology),帶動了生物學新研究方法的風潮。

1968年国际系统论与生物学(systems theory and biology)会议提出以系统论(整合的)方法研究生物学的体系。1989年在美国召开了生物化学系统论与计算机模型研究的国际会议,研讨了生物系统的计算机方法、数学模型与定量研究。1996年第1届国际转基因动物学术研讨会,曾邦哲(Zeng BJ,大会秘书长)论述了系统论与遗传学、生物工程、输卵管生物反应器,以及基因组进化与生物体发育的自组织系统理论,并于1999年在德国建立系统生物科学与工程网(genbrain biosystem network),定义为系统理论与实验、计算机、工程方法的生物系统分析与人工生物系统研究,并阐述综合(synthetic)自组织系统结构理论的结构整合(integrative)、调适稳态(stability)和建构分层(constructive)等规律[1986年著、1991年-1994年发表、1999年genbrain网站在线]。2001年第二屆國際系統生物學會 (2nd International Conference on Systems Biology;ICSB 2001) 對 ”系統生物學” 的解釋為:Systems Biology is the quantitative study of biological processes as whole systems instead of isolate parts. The goal of Systems Biology is the construction and experimental validation of models that explain and predict the behavior of biological systems. (系統生物學是對生物體整個過程做一全面性的定量研究,並非以生物體的某一部分為對象。目的是要建立模式並以實驗來證實其可預測的生物體的表現)。 簡單的說,這樣的研究方法就是利用資訊科學及微機電工程的技術來研究生物學的問題,最後並希望能夠利用電腦運算的結果,來預測細胞、器官、系統甚至完整生物體的表現。

最先把DNA测序 (sequencing) 自動化,同時也是1985年首先推動基因体計畫的科學家之一的Leroy Hood博士2000年最早建立系統生物學研究所,並認為系統生物學是研究一個生物系統內所有組成份的構成,以及在特定條件下這些組成份相互關係的學科。並在2000年1月與Alan Aderem及Ruedi Aebersold等學者創立一個非營利性質的研究機構:Institute for Systems Biology, 致力於系統生物學在生命科學相關領域的研究與應用。Leroy Hood博士在2001年3月來台訪問時,對系統生物學曾有以下的描述:系統生物學是將DNA、RNA、蛋白質以及三者彼此之間的交互作用等資訊加以整合,並運用這些資料去建立出數學計量模型,以期能掌握所有生物基因與組織間的關係及運作。因此系統生物學的研究過程是先取得一個生物、組織或細胞系統,辨識出各種內部因素,在獲得DNA、RNA及蛋白質相互作用及資訊網路方面整合所獲得的資訊,然後開發出能描述系統結構和行為的數學模型,最後可以藉由此一個模型系統,使這個系統可以自動執行所需的功能。因此系統生物學是結合許多不同學科的領域,透過彼此相互的網狀合作,針對一個生物現象所進行的研究。

而Hiroaki Kitano博士認為系統生物學的研究可以包含四大部分,分別利用資訊科學 (computation)、分析 (analysis)、技術 (technology)、基因组學 (genomics)、四者形成環型而連續的關係,建立出一個新的研究模式(Kitano, 2002),並且利用這一模式所發展的一系列的工具來解決生物學家所面臨的研究問題。[曾湘文,2005]

发展史[编辑]

系统生物学的概念由来已久。生物学家及生化学家早就意识到,纵向的单个分子及其通路〔如蛋白质,或更常见的酶〕细致研究仅仅是对于认识生命科学的可行的、必要的开始。当代生物科学的进展—生物信息学—即是对以往的个别研究的归纳和演绎。

20世纪中期的研究手段只允许单个蛋白质分子的研究。以“高通量”为特色的研究工具的发展使得对整个细胞(单细胞生物如大肠杆菌 E. coli)以致对整个生物个体(多细胞生物如斑马鱼 D. rerio)的研究成为可能。

评论:尽管生物学家很早就认为应该在细胞的水平研究单个蛋白质分子的功能,但也只有到最近人们才能得到这方面的信息。

系统科学最初源自对还原论、机械论反省的有机体思维、综合哲学,以及C.贝尔纳与W.B.坎农对生物稳态现象的揭示,从贝塔郎菲的一般系统论与理论生物学、维纳与艾什比的控制论到香农的信息论与I.普里戈津的耗散结构理论,将生命现象看作自组织化系统,50年代形成了系统心理学,贝塔郎菲1950年发表《物理学与生物学中的开放系统理论》创立一般系统论奠基了系统生物学基础。

20世纪70-80年代,系统论与生物学、系统生物学等概念发表,美国NIH数据库Pub-Med可以检索到系统生物医学(systems biomedicine)、系统生物学(systems biology)的概念在1993年之前已有文献。采用系统方法研究生态系统、器官系统的系统生态学、系统生理学等学科先后建立与成熟。细胞生物学、生物化学与分子生物学的发展,艾根从分子水平研究细胞起源提出了超循环理论,开创了细胞、分子层次的生物系统理论探讨。20世纪90年代,中国科学院曾邦哲(BJ.Zeng)发表系统遗传学及其应用的系统医药学、系统生物工程等概念,提出细胞发生动力学、细胞仿生工程等,生物科学的系统论、系统科学研究体系形成。

随着基因组计划、生物信息学的发展,细胞信号传导与基因调控网络的研究,高通量生物技术、生物计算软件设计技术的应用,形成了高通量生物技术的组学“omics”系统生物学(L.Hood)与计算系统生物学(H.Kitnano)的细胞信号传导软件与模型等研究的迅速发展时期。1999年中科院曾邦哲(BJ.Zeng,又名曾杰J.Zeng)在德国建立系统生物科学与工程网(genbrain biosystem network),2000年美国L.Hood建立系统生物学研究所、日本Sony公司H.Kitnano主办国际系统生物学会议、美国E.Kool重新定义合成生物学为基于系统生物学的遗传工程。2003年、2008年中科院BJ.Zeng在第19届、20届国际遗传学大会发表系统遗传学,探讨“基因型-表现型”复杂系统的细胞发生信号传导与基因调控网络的非线性系统动力学。2008年美国NIH设立肿瘤的系统遗传学研究专项基金。

21世纪伊始,系统生物学的发展进入了细胞信号传导与基因表达调控研究的细胞、分子系统生物学时期,国际、国内的系统与合成生物学、系统遗传学等研究机构纷纷建立而进入了系统生命科学时代。

应用[编辑]

著名机构[编辑]

参考文献[编辑]

引用[编辑]

书目[编辑]

  • 曾湘文,以系統生物學方法探討細菌內毒素在大鼠胸主動脈內皮細胞所引發之反應。國立陽明大學藥理學研究所 博士論文(2005),http://etds.ncl.edu.tw/theabs/index.html]
  • BJ Zeng, "Structurity - pan-evolution theory" (on system medicine and bioengineering etc.),Changsha, China, May 1994.
  • BJ Zeng, "On the concept of system biological engingeering", Communication on transgenic animals, CAS, June, 1994.
  • BJ Zeng, "Expression system of transgenic animals – transgene expression in egg (Goldegg plan)" (term 'system genetics' both English and Chinese were coined by Zeng BJ. in 1994), Communication on transgenic animals, CAS, Nov., 1994.
  • BJ Zeng, "From positive to synthetic medicial science" (on system medicine), Communication on transgenic animals, CAS, Nov., 1995.
  • BJ Zeng, "The structure theory of self-organization systems" (自组织系统结构理论,theoretical fundations of system genetics and system bio-engineering etc.), Communication on transgenic animals, CAS, Vol.3 No.8-10., 1996.
  • Hiroaki Kitano (editor), (2001) Foundations of Systems Biology, MIT Press; (October 15, 2001) ISBN 0-262-11266-3
  • Gregory Bock and Jamie A. Goode (eds), (2002) "In Silico" Simulation of Biological Processes, Novartis Foundation Symposium 247, John Wiley & Sons Ltd,, ISBN 0-470-84480-9
  • Marc Vidal and Eileen E. M. Furlong. Nature Reviews Genetics 2004 From OMICS to systems biology
  • E. Klipp, R. Herwig, A. Kowald, C. Wierling, and H. Lehrach, Systems Biology in Practice, Wiley-VCH, 2005, ISBN 3-527-31078-9
  • Werner, E., "The Future and Limits of Systems Biology", Science STKE 2005, pe16 (2005).
  • Bernhard ?. Palsson. 2006 "Systems Biology - Properties of Reconstructed Networks," Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-85903-5.
  • Zeng B.J. Automatic cell - the bio-computer, Genbrain biosystem network, the Associates for Biosystem science and Engineering (since Jan. 1999), June, 2002.
  • BJ Zeng, "The third wave of genetics - pattern genetics" , 19th International Congress of Genetics, Australia, July,2003.
  • Cambien F.& Tiret L., Atherosclerosis: From genetic polymorphisms to system genetics. Cardiovascular Toxicology, Volume 5, Number 2, June 2005, pp. 143-152(10).
  • BJ Zeng, "Genetic machinsm of biosystem patterns", 20th International Congress of Genetics, Berlin, July, 2008.

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外部链接[编辑]

  • BioCircle.org - The Open Source Systems Biology Portal dedicated to computational aspects of Systems Biology. Visit us for the first community wide Systems Biology Tools & Resources - Survey - 2005 results.
  • BioChemWeb.org - The Virtual Library of Biochemistry and Cell Biology: A Guide to Biochemistry, Molecular Biology & Cell Biology on the Web
  • Guardian.co.uk - 'The unselfish gene: The new biology is reasserting the primacy of the whole organism - the individual - over the behaviour of isolated genes', Johnjoe McFadden, The Guardian (May 6, 2005)
  • PsiMap.kaist.ac.kr - PSIbase Database: Protein Structure Interactome Map Database Server: Structural Interactome Map of all Proteins
  • ScienceMag.org - Special Issue: Systems Biology, Science, Vol 295, No 5560, March 1, 2002
  • Nature - Molecular Systems Biology
  • Systems Biology: An Overview - a review from the Science Creative Quarterly

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参见[编辑]