年 月 系统工程理论与实践 第 期

    文章编号 一 一 一

    系统生物学 面向系统的生物学研究

    资治科,孙之荣

    清华大学生物系生物信息学与系统生物学研究所 ,北京

    摘要 论文介绍 了什么是系统生物学 、系统生物学的简史 、系统生物学的结构 、内容、研究方法以及药

    物开发应用的前景 生物学研究正从分子生物学走向系统生物学 ,由精细的分解研究转向系统的整体研

    究 系统生物学研究整合各种生物信息的实验数据 、建立数学模型 ,并通过实验验证 、完善模型 ,最终预

    测生物的系统的行为

    关键词 系统生物学 系统建模 细胞信号转导 药物开发

    中图分类号 文献标识码

    一

    一 , 一

    , , ,, ,,一 ,,,从分子生物学到 系统生物学

    年 ,沃森和克里克建立 了 双螺旋结构模型〔 ’〕 并因此获得 了诺贝尔奖 双螺旋结构模

    型的建立 ,标志着人类在揭示生命遗传奥秘方面迈 出了具有里程碑意义的一步 双螺旋结构的发现

    也将生物科学的研究带入了一个分子生物学时代 回顾生物学发展的历史 ,传统生物学家试图在通过对一

    个生物系统的个别基因或者蛋 白质进行大量的研究来获得对纷繁复杂的生物系统的认识 虽然分子生物

    学已经导致我们对生物系统的认识取得显著的进步 ,但是这些研究主要集 中在识别基 因以及认识它们表

    达产物 生物系统 中的组件 的功能还不足以解释复杂的生物系统图 最近生物学 中正在进行的一个潮流

    研究生物系统中一些基本组成部分相互作用时所涌现出来的一些性质 虽然有些人把它称作系统生物学

    ,但是它还有许多意义相 近 同义词

    —基 因组学 、回路 。 、意 向论 、模块 〔〕 世纪生物学面临的一个挑战就是如何在系统水平上研究 由分子生物

    学手段发现的组件所构成的生物系统 生物学将由分子生物学走 向系统生物学 那么究竟什么是系统生

    物学呢 这里我们给 出美 国 ,系统生物学研究所 对这个术语下 的定

    义〔 〕

    系统生物学是研究基因和蛋 白质的一种新的方法 ,这种方法是 由于得益于计算机技术 的迅速发展在

    收稿 日期 一 一

    资助项 目 重大基础研究基金

    作者简介 资治科 一 ,男 ,湖南人 ,硕士生·

    研究方向 计算系统生物学 ,孙

    之荣 一 ,男 ,江苏人 ,教授 ,博士生导师·

    研究方向 生物信息学与系统生物学 ,系统 上程理论与实践 多抓 年 艺 林

    最 近 才成 为可 能 的 和传统生物科学研 究单个基 因或者蛋 白质 不 同 ,系统生 物学研 究 的是生物信息

    〔 、 、蛋白质 、功能蛋 白、生物信息途径 、生物信息网络 在所有水平上复杂的相互作用 ,重点考

    察这些生物信息是如何一起工作的 复杂系统产生的涌现属性 或者系统属性 —对

    大脑而言 ,它们是记忆 、感知和学习能力 这些系统属性不可能通过研究个别的神经元得以理解 所以我们

    必须对全系统或者子系统进行分析 在过去的 年 中 ,生物学家们已经形成一个研究个别基因或者蛋白

    质的惯性 系统生物学要求用综合技术来定义系统的元素和跟踪这些元素的在系统行使功能时的行为 例

    如 ,要是准备弄清楚汽车是如何工作的 ,传统的生物学家将孤立地研究各个汽车的各个部件

    —变速器 、点火装置 、刹车等等 系统方法则首先定义系统的所有元素 ,然后研究 当系统工作时各个元素如何和系统

    中其他元素相互作用 最后 ,系统方法要求建立一个数学模型 ,这个模型将描述系统的本质和系统属性

    虽然系统生物学是 当前生物学领域 中的一个新潮流 ,但是这种研究方法过去在其他学科领域已经广

    泛的得到研究 来 自其他学科的科学家们 比如物理学家以及系统理论学家 将他们学科的知识应用到生

    物系统的历史已经 由来已久川 早在 年控制论之父 就明确地提出生物系统和控制系

    统可 以用同样地科学方法进行研究川 后来 ,尤其是 世纪 年代 ,系统理论和科学分享了“

    杰出数学家

    和工程学家们的兴趣爱好 ’

    心」 那个时候 ,将物理应用到生物学的想法引起 了“

    经典 ”

    系统生物学局限性的

    争论 从那以后 的几十年间 ,仍然在控制论的名义下产生了其他想法 其中著名的有 世纪 年代后期

    发展的生物化学系统理论 ,和 年代中期在此基础 上发展的代谢控制

    理论 ,仁 〕 仁 〕 和 仁 ‘。〕 是两种建立生物系统简单数学模型 的方法·

    这些模型用来描述在稳态 或者近似稳态情况下 的生物系统 虽然 和 被认为是建

    模方法 ,但是它们都分别导致大量分析建模系统的工具和方法的产生 所有的这些在系统水平上研究生物

    系统的想法都遭到了支撑这些理论 、模型的数据不充分的尴尬局面 其 中原因之一就是当时的试验测量技

    术有限闹 那么现在系统生物学为什么能够“

    重出江湖 ”

    呢 其中主要原因就是分子生物学 、基因组测序以

    及高通量测量技术 一

    的进展使得我们能够收集到关于生物系统性能方面

    的综合数据以及能够获取到由试验生物学知识所带来的信息 这在 时代是无法做到的 ,因为当时

    分子生物学处于萌芽状态 现在我们处于利用分子生物学研究成果对生物系统进行系统水平上研究的黄

    金时期泣” 〕

    国际 系统生物学研究简介

    在他的《 》 一书中分析了一个文化小潮流传播到文化其他领域所

    必需的条件 对于这个传播过程有三个关键组成部分 参与人员 、通讯的质量以及讯息的背景闭 因此系统

    生物学是否能够在当前的黄金时期内在生物学科内广泛传播一个必需的因素就是参与系统生物学研究的

    人员 参与系统生物学研究人员的名单读起来就像是一部生物学家的名人录 这个名人录中包括 、 、 、 、 , 、 、 ,等等 表 列举了

    国际上一些系统生物学研究机构和公司信息〔 ‘ ,‘ 〕 具体的详细内容 ,请访问表 中的相关网页

    世界上很多国家都启动了系统生物学研究方面的计划 ,比如 如美国国家能源部提出的基因组到生命

    ,计划仁 ,‘〕

    旧本 研究组提出的系统组 计划 ,德国政府启动了

    计划投人 万欧元用于资助系统生物学研究 ,韩国提出了系统生物学计划等等·

    我国也已经有

    一些科学家开始了系统生物学的前期研究第 期 系统生物学 面向系统的生物学研究

    研 研究机构 公司 司 主页地址 址 目标和使命 命

    理解人类生理和疾病

    预测细胞和器官响应 基因 缺失和环 环

    境 境 境 境变化时的行为。

    为生物新时代培养生物学家

    一 了 生物系统建模与仿真模拟

    一

    建立 细胞 中所有蛋 白质的相互作用 用

    图 图 图 图谱

    发展解决生物学问题的计算工具

    乙 ,一

    将数学建模和统计分析应用 生物 系 系

    统中发展系统和控制方法

    基 于现有 生物学知 识 ,设计 出实施、 、评估生物系统模型的方法,,发现新药物靶标

    研发药物

    为新药物靶标 的发现挖掘多 种 生物 物

    知 知 知 知识

    ,为细胞和多 细胞系统构建生理状态 态

    下的工程学知识

    系统生物学的研究 内容与方法

    系统生物学结构

    系统生物学的研究主要体现在四个层次 或者说四个方面 “ ’〕

    系统结构的识别和研究 盯 这包括基因相互作用网络 、生化代谢途径以及这些

    相互作用以何种机制调节生物系统的研究

    系统的动态特征 要研究生物系统在不 同条件不同时间的行为 ,我们可以对它

    进行代谢分析 。 、敏感性分析 、动态分析 。

    如相图 ......