系统生物学简述ppt课件

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系统生物学-第一章-系统生物学概况PPT课件

DNA样本来自冰岛大约600个人，分别于1991年和2002 年至2005年间采得。研究人员测量了111个样本中每个样本的DNA甲基化总量，并比较了同一个人的采自 2002年至2005年间和1991年的DNA甲基化总量。
结果发现，在这大约11年的时间跨度中，大约三分之一个体的甲基化量发生了变化。不过变化的方向并不一致——一些人的甲基化总量增加，另一些人的则发生丢失。
数学的描述 F=ma E=MC2
生物学的描述
.
数学的描述
？
51
Lunfish (dipnoi)
40
非编码RNA: 复杂性的源泉
.
41
后基因组时代
.
42
后基因组时代的生命观：复杂系统
酵母的基因功能网络
.
43
后基因组时代的生命观：复杂系统
细胞信号转导网络
.
44
后基因组时代的生命观：复杂系统
神经网络
.
45
人类基因组终生在变化
美国约翰霍普金斯大学医学院研究了个体的基因组内的DNA甲基化变化。
英国10K项目是, Wellcome Trust在三年内支持1000 万英镑，测定10000个人的基因组序列，旨在找出与肥胖和精神分裂症等疾病相关的罕见基因变异。
4000名英国人的全基因组序列，其中一半是针对英国的双胞胎来进行的，另一半则是针对父母与子女来开展。
6000个人则只是测定其外显子序列。参与外显子测序的人都得有“特别突出的表型”，这样就有利于将某一多基因相互作用疾病定位到特定的基因上。其中，2000人是极度的肥胖；3000人患有神经元发育障碍；另外1000人则患有先天性心脏病等比较稀少的疾病。

系统生物学简介systemsbiology

Database, schema standards
Modelling; ODEs, Constraint-based optimisation, Solving inverse problems, Novel strategies
Iteration between theory and experiment
一个自稳态系统是一个开放系统，通过由相互依赖的调控机制严格控制的多重动态平衡来维持其结构和功能
History
• Term coined at 1960s, however theoretical people and experimental biologists diverged • Renaissance at 1990s
Genome-wide protein-metabolite binding constants Regulatory interactions Genome-wide protein-protein binding constants
Experimentation Analysis
Genome-wide high-throughput enzyme kinetics
Model organism/ system of choice
Transcriptome Proteome Metabolome
New theory
New methodology
Genome-wide protein-inhibitor binding constants (Chemical genetics)
E. Schrödinger (1944) What is life? Cambridge University Press

生物系统学原理和方法ppt课件

到目前为止，还没有一个物种定义能适合一切要求，可为分类学者所普遍接受。在此仅给出一个传统的生物学物种概念。
物种的定义：物种是什么？过去不少权威人士下过字面不很相同的定义，形成众说纷纭，莫宇一是。但事实上只有两个要点：一是地区隔离，两个种群在地理位置上，因为各种原因，互相隔开，彼此不能交流；二是生殖隔离，使两个种群不能相互交配，各为一宗，天长地久，各自形成物种。有关物种的理论已有专题讲座，在此不再赘述。
何谓分类？通俗的讲就是要让“物以类聚”。即许多事物依据它们所具有的性状，相似者归为一类。如被子植物依据子叶多少可以分为单子叶植物和双子叶植物；昆虫依据翅的类型可分为直翅目、“同翅目” 、半翅目、鳞翅目、鞘翅目、膜翅目、脉翅目、双翅目等。
一、关于分类的一些重要概念
（一）分类的概念和要素
分类做动词用（classify）——指将分类单元用等级系统表述出来的行为；做名词用（classification）——是分类单元用等级系统结构所做的表述形式。
二、分类的等级系统和阶元
随着动物学知识的发展（及发现动物种数的增加），作更精细的区分就显得必要了。其中两个分类阶元被得以普遍接受，即科（family）（介于属与目之间），门（phylum）（介于纲与界之间）。至于林奈所用的变种则成为一个任意引用的阶元。它包括不同类型的变异（地理的和个体的），其余阶元则构成动物分类的基本体系。这样，任一个已知的物种均无例外的归属于七个必要的阶元。即界（Kingdom）、门（phylum）、纲（class）、目（order）、科（family）、属（genus）、种（species）。
生物系统学原理和方法
生物系统学
生物系统学关于生物物种多样性及

系统生物学ppt课件

3
图1 “组学”技术与细胞信息层次
编辑课件
4
• 组学技术的特点
– 高通量，数据驱动，整体性，top-down策略 – 从系统的角度解释细胞代谢，而不是简单地依
据彼此相关联的不同分子间的相互作用信息的整合
– 数据处理依赖于计算机技术
编辑课件
5
• 多“组学”整合技术
– 运用组学技术可以分析不同细胞水平的分子信息，但是单一的组学技术显然难以适应生物系统的复杂性
编辑课件
17
• 以代谢组学的整合发展为例
编辑课件
18
四、展望
• 高通量技术的发展促使大量的组学数据积累，而多组学数据整合可以提供对生物系统的全面了解
• 系统生物学中数据整合的发展有待于在实验技术上提高产出数据的精度，在生物上提供更多新的理论指导，在数学和计算机领域提出更加强有力的分析方法，最终有效的整合多种组学数据，对生物系统进行全面的解读
编辑课件
15
• 代谢通量组学
– 高通量分析技术使人们对生物体物质代谢活动的调节具有了实时、全局的了解。通过代谢或信号途径发生的代谢通量(或称代谢流，flux)取决于代谢物各自的生理活性
– 代谢通量组学(fluxomics)旨在通过追踪代谢物的流向来定义调控代谢流的基因
– 主要通过两种方法监控代谢流，即：
编辑课件
2
• 多种“组学”技术
– 转录组学，mRNA的转录水平 – 蛋白质组学，蛋白质丰度的定量 – 代谢物组学，小分子细胞代谢物的表达丰度 – 相互作用组学，整个细胞分子间的相互作用 – 代谢流组学，胞内分子随时间的动态变化过程
• 多组学整合途径是理解全细胞系统动态变化和功能法则的有力工具

课件1-系统生物学与合成生物学

S5
S6
X1
Typical replies: 1. Nothing happens. 2. Nothing happens unless it is the rate-limiting step. 3. The rate v goes down, but that’s all. 4. S3 goes up. 5. S4 goes down. 6. Species downstream of v go down. 7. Steady State flow changes but species levels don’t. 8. Xo and X1 change
Technologies to study systems at different levels
Genomics (HT-DNA sequencing) (HTMutation detection (SNP methods) Transcriptomics (Gene/Transcript measurement, SAGE, gene chips, microarrays) Proteomics (MS, 2D-PAGE, protein 2Dchips, Yeast-2-hybrid, X-ray, NMR) YeastXMetabolomics (NMR, X-ray, capillary Xelectrophoresis)
So where do we start?
Feedback loops
So where do we start?
So where do we start?
autoregulation
So where do we start?
X Y
– 转录因子X调控基因Y 转录因子X调控基因Y

系统生物学代谢组学培训课件

系统生物学代谢组学
24
代谢组学的研究策略
• 代谢物指纹分析（Metabolic fingerprinting）：
• 代谢物图谱有其特质性，类似样品的“指纹”一样；对这种特质性进行区分、鉴定，被称为“代谢指纹分析”，帮助找出机体代谢的共性与个性。代谢物指纹分析的目的在于根据其来源和生物学相关性对样品进行快速分类。在工业和临床应用上，它有时不能在一个样品中测定所有代谢物，也不能分离鉴定具体单一组分，但是对于样品的快速分类是很合适的（如表型的快速鉴定）。
• 直接研究基因变化的初级影响，可对专有的底物或相应编码蛋白进行分析。
• 可以详细而精确的完成某个或某几个特定组分的分析。容易被其他相似的混合物所干扰。
• 为使分析准确，应用大量制备方法来清除样品中的杂质，并用灵敏度高的分析方法对样品进行检测。
系统生物学代谢组学
22
代谢组学的研究策略
• 代谢轮廓分析（Metabolic profiling）： • 代谢轮廓分析是少数预设的一些代谢产物的识别和定量分析，如某一类结构、性质相关的化合物（氨基酸、有机酸、顺二醇类）或某一代谢途径的所有中间产物或多条代谢途径的标志性组分。有时在代谢物分析中，不必分析生物样本中的所有化合物，只要分析所研究的特定生化代谢途径即可。因此，在样品制备过程中某一代谢途径的中间化合物时需要特别留意
Proteomics Metabolomics
Traits
系统生物学代谢组学
Phenomics
9
代谢组的概念
• 细胞内的生命活动均以代谢为基础，代谢物的变化可更直接反映细胞所处的环境，如营养状态、药物作用和环境改变等。 • Metabolome：代谢组，指一个细胞、组织或器官中,所有代谢产物的集合,一般指分子量小于 1000D的物质。

系统生物学-第三讲-转录组学PPT课件

.
18
• 第一个被确认的miRNA——在线虫中首次发现的lin-4 和 let-7 ，可以通过部分互补结合到目的mRNA靶的3’非编码区(3’UTRs)，以一种未知方式诱发蛋白质翻译抑制，进而抑制蛋白质合成，通过调控一组关键mRNAs的翻译从而调控线虫发育进程。
继线虫之后，随后多个研究小组在包括人类、果蝇、植物等多种生物物种中鉴别出数百拼接和注释表达与分类功能分析作用机理分析qpcr验证est软件平台est序列库序列的质量检查测序量监控聚类和拼接检查借助于基因组信息全长orf寻找发现全长基因研究表达基因概况的主要实验手段dnachipproteomics的先驱功能分类表达量分析交替剪接检测est特有信息microarray和genechip大规模表达谱或全景式表达谱globalexpressionprofile
.
40
表达序列标签(EST)测定及分析
1、什么是EST? 2、EST的应用 3、EST序列测定及分析过程
.
41
1、表达序列与表达序列标签概念
(1) 什么是表达序列?
基因组表达为RNA的序列: mRNA和功能RNA
(2) 什么是表达序列标签?
（expressed sequence tag, EST）
• 转录组研究是基因功能及结构研究的基础和出发点，是解读基因组功能原件和揭示细胞及组织分子组成所必需的。
.
34
• 转录组的特点：受到内外多种因素的调节，因而是动态可变的。能够揭示不同物种、不同个体、不同细胞、不同发育阶段及不同生理病理状态下的基因差异表达信息。
.
35
• 转录组学（Transcriptomics）：研究细胞在某一功能状态下所含mRNA的类型与拷贝数；比较不

系统生物学表型组学、糖组学、脂质组学PPT精选文档

蛋白质组等生物信息。
13
植物表型组学研究技术
• 植物活力 • 根形态 • 叶的形态特性 • 光合效率 • 产量相关性状 • 生物量 • 对非生物胁迫的响应
14
叶片形态测量仪
15
麦穗形态测量仪
16
夹角测量仪
17
茎秆强度测量仪
18
麦穗数量测量仪
19
全自动考种仪
20
PlantScreen植物表型成像分析系统——高通量植物表型组学研究平台
Genomics Transcriptomics
Proteins Metabolites
OH O OH
HO
OH
OH
OH O
OH NH2
Proteomics Metabolomics
Traits
Phenomics
7
8
9
表型组学研究的需求
• 人口的急剧增长，城市化进程的加快、人类对生物燃料的需求、气候变化、病虫害发生使全球粮食安全受到极大挑战，传统育种已经很难满足三大主要谷类作物( 水稻、玉米和小麦)的增产需求。
3
• 表型组学( phenomics) 最早由Steven A．Garan 于 1996 年提出。
• 表型组学( phenomics) 是研究生物体表现型特征的学科。表型组学近年来得到了迅猛发展，其概念也在逐步完善，但尚未形成定论。
4
• Gjuvsland、Freimer 和Houle等生物学家认为，表型( Phenotype) 即生物某一特定物理外观或组成，如植物的株高、花色、产量、酶活力、抗逆性等，是基因型和环境共同作用的结果。
• 传统的育种转变为分子辅助育种，通过各种组学手段提高了植物育种效率和水平。

系统生物学和新兴的系统医学培训课件

精准预防与预测
系统生物学通过对个体的全面分析，能够预测个体在未来可能面临的风险，为精准预防提供依据。
个体化治疗方案的设计
系统生物学通过对个体基因组、表型和环境因素的综合分析，为个体化治疗方案的设计提供科学依据，有助于提高治疗效果和降低副作用。
公共卫生与流行病学的系统分析
01
公共卫生与流行病学的系统分析
传统疾病的分类和诊断方式，提供更为精准和全面的疾病认识。
03
疾病治疗策略的优化
系统生物学从整体和全局的角度出发，为疾病的治疗提供更为综合和个
性化的方案，有助于提高治疗效果和患者的生活质量。
药物设计与筛选的系统方法
药物设计与筛选的系统方法
系统生物学通过研究生物系统的分子结构和功能，为药物设计与筛选提供了更为高效和准确的方法，有助于缩短药物研发周期和降低成本。
详细描述
系统生物学采用整体论和系统论的方法，研究生物系统的组成、结构、功能和演化等方面的规律。它强调从全局和整体的角度出发，探究生物体内各个组成部分之间的相互作用和关系，以及这些关系如何影响整个系统的行为和功能。
系统生物学的发展历程
总结词
系统生物学的发展历程可以追溯到20世纪后半叶，随着分子生物学、生物信息学和计算生物学等学科的快速发展，系统生物学逐渐成为一门独立的学科。
行为和演化。这些方法和技术相互补充，共同推动系统生物学的发展。
02
系统生物学在医学中的应用
疾病发生发展的系统机制研究
01
疾病发生发展的系统机制研究
系统生物学通过研究生物系统的整体性、动态性和复杂性，揭示疾病发
生发展的内在机制，为疾病的预防、诊断和治疗提供理论支持。
02
疾病分类与诊断的革新

生物体的器官、系统ppt课件

3.鸡翅的主要功能是扇翅运动，主要靠肌肉的收缩，牵引骨骼运动。家鸡由于适应家养环境，不善于飞行，鸡翅的飞行能力退化。
几种不同的组织构成有特定功能的器官 1.构成鸡翅的组织主要有哪几种？
上皮组织
肌肉
肌肉组织
神经组织
肌腱
结缔组织
韧带
动物的结构层次
上皮细胞
器官：不同的组织按一定的顺序聚集消化系统
在一起共同完成一定的功能。
动物的结构层次
细胞→组织
__结__缔___组织 __肌__肉___组织 __神__经___组织 __上__皮___组织
认真学习生_物__呼学__吸_知__识系统 __运__动____系统 ___神__经___系统
→器官→系统 ___循__环___系统 __内__分__泌__系统 ___泌__尿___系统
→器官
____根______
营养器官 ____茎______
____叶______
→植物体
总结
细胞组织
认真学习生物学知识
系统
动物体
器官
植物体
个体
练习题（基础题）
1、玉米是我市重要的粮食作物，番茄是生活中经常食用的蔬菜。下图表示玉米植物体的结构层次，请据图回答：认真学习生物学知识
根 (吸收水和无机盐)
叶 (制造有机物) 认真学习生物学知识
花 (繁殖后代)
植物的结构层次
细胞→组织
__分__生___组织 __输__导___组织 __保__护___组织 __营__养___组织
……
认真学习生物学__知__识花______ 生殖器官 ___果__实_____
___种__子_____

系统生物学PPT课件

• 肽）被评估用于相对和绝对定量的肉混合分析，如工业生产蟹[30]鸡肉。
第16页/共25页
第17页/共25页
4.1在食物腐败和食物中病原体的蛋白质组学
• 食物变质是由于微生物的活动而引起的不同的生化过程变化。这些变化取决于 • 固有和非固有菌群及生长条件，如温度，pH和活度。食品加工过程中受到污染会造成显著的经济损失。已
5 结束语和未来发展方向
• 现在我们在实验室用的蛋白质组学管道的连续两个阶段可以同时允许多个肽生物标志物的鉴定和表征。这种新颖的针对蛋白质组学方法可以让食物种类快速明确，不到2小时。
• 我们相信，广泛使用这种新的靶向蛋白质组学策略会在食品行业中占有的举足轻重的地位。
第22页/共25页
5 结束语和未来发展方向
第6页/共25页
2.2差异蛋白质组学
• 它是通过寻找各种因素引起的蛋白质表达差异，以解释细胞生理和病理机制，即主要通过比较分析不同状态下或近似物种间蛋白质的表达图谱，实现对体系内代谢调控的动态监测，从而揭示机体对内外界环境变化产生反应的本质规律
第7页/共25页
2.2差异蛋白质组学
• 在蛋白质水平上的定量信息，例如在不同的样品中对某一特定蛋白做相对定量或者一种蛋白质的绝对定量，确定不同条件之间的差异，是非常有用的。
知病原体超过250种，主要是微生物及其毒素，会导致食源性疾病。目前鉴定食品中的病原微生物或者至腐微生物以及对微生物的分类是基于形态学，生物化学和DNA的方法学，蛋白质组学方法
第18页/共25页
• 新的快速平台：如实验室级芯片，nanoproteomics或蛋白质阵列的实施，将是快速的非常有用的工具可以检测，鉴定任何食品中微生物进行定量
第15页/共25页

系统生物学(生物学系统)

系统生物学中的干涉有这样一些特点。首先，这些干涉应该是有系统性的。例如人为诱导基因突变，过去大多是随机的；而在进行系统生物学研究时，应该采用的是定向的突变技术。果蝇从受精开始到形成成熟个体一共有 66个典型的发育阶段，80年代诺奖获得者Christiane Nslein-Volhard等开展了系统的基因突变与规模的筛选，不久前科学家利用基因芯片技术，对每一个发育阶段的基因表达谱进行了系统的研究。上面所提到的对酵母的系统生物学研究，胡德等人就是把已知的参与果糖代谢的 9个基因逐一进行突变，研究在每一个基因突变下的系统变化。
三、学科总论：1994 -1996年中科院《转基因动物通讯》转载了1994年5月曾（杰）邦哲 (Zeng BJ）的 “结构论-泛进化论”（又称自组织系统结构理论）。
发展
实验方法与系统方法构成科学研究的基该方法，19世纪是实验生物学（生态、生理、遗传与医学等）范式建立，20世纪是实验生物学迅速发展和系统生物学（生态、生理、遗传与医学等）范式形成。系统科学（包括控制论、信息论）根源于生命科学，发展了计算机科学而又应用于生物科学，将开发出生物计算机。维纳与香农从动物与通讯行为的研究中提出控制论与信息论，整个系统科学根植于有机体哲学思维。系统生物学，最初开创于贝塔郎菲的一般系统理论与理论生物学，艾根的超循环理论发展了细胞、生物化学与分子层次的系统论。20世纪70 年代国际召开了“系统论与生物学” (systems theory and biology)会议，80年代召开了生物化学系统论、生物系统的计算机模型等探讨的国际会议（第11届国际分子系统生物学会议2009年6月于中科院上海召开）。系统生物学的概念在20世纪中叶已经提出，合成生物学的概念提出于基因重组技术的产生，进化理论、有机分子合成可以说是最早的探索。

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各国系统生物学研究计划
• 1.美国国家能源部提出基因组到生命（Genomes To Life）计划
• 2.日本ERATO研究组提出的系统组（Systome）计划
• 3.德国政府启动的3MEURO计划 • 4.韩国提出了系统生物学计划
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我国的系统生物学
• 1.2003年，生物物理研究所率先在国内组建的专门研究系统生物学的机构－系统生物学研究中心。
• 2.系统的动态特征分析
（System Dynamics）
要研究生物系统在不同条件下不同时间不同条件的行为，要对生物系统进行代谢分析，敏感性分析，动态分析等等从而发现生物系统的特定行为的机理机制。
• 3.系统的控制方法
（The Control Method）
系统能够控制一个细胞状态使得细胞功能受损最小，通过研究可以为疾病治疗提供潜在的药物靶标。
网络模型反复完善图示
Date Acqusition
High-throughput “omica” data
Global Databases
Analysis Modules
Network Refinement Hypothesis Generation
Network Visualization/
Modeling
• 4.系统的设计方法
（The Design Method）将生物系统利用仿真、模拟等方法设计，最终达到建立数据系统模型的目的。
系统生物学的灵魂——整合
• 系统生物学与基因组学、蛋白质组学等各种“组学”的不同之处在于：它是一种整合型大科学。
• 需要一套原理和方法将系统内部各个组分的行为（behaviors）与系统的特性及功能连接起来。
系统生物学的历史
• 中医——天人合一的黑箱 • 1933 Cannon 稳态学说 • 1948 Wiener 生物控制论 • 1968 Ludwig von Bertalanffy 总体系统论 • 1999 美国科学家 Leroy Hood
The Institute for Systems Biology(ISB)
• 2.2005年，上海系统生物医学研究中心在上海交通大学成立。
• 3.2005年，中国科技大学与上海生命科学研究院合作成立国内第一个系统生物学系，共同培养和及早储备２１世纪生物学研究发展所需要的未来人才。
研究内容
• 1.系统结构的识别和研究
（System Structure）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等内容。
• 生物信息是有等级次序的，而且沿着不同的层次流动。
系统生物学的钥匙——干涉
• 系统生物学一方面要了解生物系统的结构组成，另一方面要揭示系统的行为方式。相比之下，后一个任务更为重要。
• 系统生物学研究状态下，揭示出特定的生命系统在不同的条件下和不同的时间里具有什么样的动力学特征。所研究的并非一种静态的结构，而是要在人为控制的状态下，揭示出特定的生命系统在不同的条件下和不同的时间里具有什么样的动力学特征
系统生物学简述
中国医学科学院放射医学研究所 2005.11.23
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什么是系统生物学？
• 系统生物学是研究一个生物系统中所有组成成分（基因、mRNA、蛋白质等）的构成以及在特定条件下这些组分间的相互关系的学科，是以整体性研究为特征的一种科学。
Dr. Leroy Hood Hiroaki Kitano（北野宏明） .
系统生物学中的干涉特点
• 首先，这些干涉应该是有系统性的，如酵母果糖代谢的9个基因逐一进行突变，研究在每一个基因突变下的系统变化。
• 其次，系统生物学需要高通量的干涉能力，如高通量的遗传变异。
• 系统生物学既需要“发现的科学”，也需要“假设驱动的科学”。先选择一种条件（干涉），然后利用“发现的科学”的方法，对系统在该条件下的所有元素进行测定和分析；在此基础上做出新的假设，然后再利用“发现的科学” 研究手段进行新研究。这两种不同研究策略和方法的互动和整合，是系统生物学成功的保证。
Protein
Transcriptions ● ● ●
O M I C s.Fra bibliotekGenes
Genomics Proteomics
System
Biology
●
● Protein
●
系统生物学的基础——信息
• 生物学是一门信息科学： • 生物学研究的核心——基因组是数字化
的；
• 生命的数字化核心表现为两大类型的信息，第一类信息是指编码蛋白质的基因，第二类信息是指控制基因行为的调控网络；
• 避免机械唯物主义，1+1=3（系统科学的核心思想是：“整体大于部分之和”）
• 首先，它要把系统内不同性质的构成要素（基因、mRNA、蛋白质、生物小分子等）整合在一起进行研究。
• 系统生物学研究所第一篇论文：整合酵母的基因组分析和蛋白质组分析，研究酵母的代谢网络（Ideker T,Science,2002）
仿真和分析
• 仿真是对系统的所有内容如基因和代谢网络、染色体的高水平结构、蛋白质之间的相互作用等等变成数据流最终成为数学模型。
• 参数优化方法需要考虑全局/局部最小值，找到全局优化的设计。
• 基于现有算法的改进方法。
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系统生物学研究中的问题
• 1.数据的质量及标准化 • 2.生物网络研究 • 3.鉴定和定量不同类型分子 • 4.缩小与自动微流学/纳米技术平台 • 5.在单个细胞内进行动力空间多参数检测
系统生物学研究中的独特问题
• 1.团队合作，合理评价及所有权（Teamwork, Fair Credit, Data Ownership )
• 2.技术通路缺乏 (Access to Technology)
• 3.基金问题 (The Problem of Funding)
• 其次，对于多细胞生物而言，系统生物学要实现从基因到细胞、到组织、到个体的各个层次的整合。
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经典的分子生物学研究——垂直型的研究。基因组学、蛋白质组学和其他各种“组学”——水平型研究。
系统生物学的特点——把水平型研究和垂直型研究整合起来，成为一种“三维”的研究。
Genes
Genes Proteins