计算系统生物学简介32页PPT

– 蛋白质的结构和功能预测
• 蛋白质怎样实现细胞和有机体的动力学：
– 生命为什么是蛋白质的运动方式
• 个体发育和系统发育的法则和机理：
– 肌体如何长成、运作、衰老和进化
• 征服疾病：
– 主要循环系统疾病、癌症、病毒源性疾病、遗传病和衰老
• 保护和利用生物资源，开发和发展生物产业：
– 生物学怎样造福人类
•
1、
功的路 。2020/10/262020/10/26Monda y, October 26, 2020
成功源于不懈的努力，人生最大的敌人是自己怯懦
•
2、
。2 020/10/ 262020 /10/26 2020/10 /2610/ 26/202 0 12:03:09 AM
每天只看目标，别老想障碍
–蛋白质的三维结构
– 蛋白质的物理性质预测
– 其他特殊局部信息：其它特殊局部结构包括 膜蛋白的跨膜螺旋、信号肽、卷曲螺旋 (Coiled Coils)等，具有明显的序列特征和结 构特征，也可以用计算方法加以预测
• cDNA 芯片相关的数据管理和分析
实验室信息管理系统 基因表达公共数据库
• 分子进化
基因芯片流程（二）
6. 图象处理（采用专门软件，对图象进行分析， 提取每个点上的数字信号），得到原始数据表。
7. 数据校正和筛选（对cy5或cy3信号进行校正， 消除实验或扫描等各环节因素对数据的影响， 同时利用筛选规则对数据中的“坏点”，“小 点”，“低信号点”进行筛选，并作标记。）
8. 差异表达基因的确定（采用ratio值对差异基因 进行判断，或采用统计方法如线性回归、主成 分分析、调整P值算法等对差异基因进行统计 推断）
远期任务
• 读懂人类基因组，发现人类遗传语言的 根本规律，从而阐明若干生 物学中的重 大自然哲学问题，像生命的起源与进化 等。这一研究的关键和核心是了解非编 码区

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

Phe-tRNA的三叶草结构
PPT文档演模板
RNA二级结构的组装
将排序后的螺旋 区依次加入到 RNA二级结构中 去，直至形成一 个稳定结构
计算生物学讲座[1]
两种最低自由能预测方法比较
Zuker的动态规划算法与Pipas的螺旋区组合算法均 可以用来求最低自由能结构，在多数情况下，结果是一 致的，导致不一致的原因有：
在Pipas算法中，通常只考虑全长的螺旋区，而对其子 螺旋区不予考虑，在有些情况下，可能是其子螺旋区 在最终的最低自由能结构中。
PPT文档演模板
计算生物学讲座[1]
What is computational biology
Computational biology is a new field of research which develops models and software implementations for computational problems in molecular biology, biotechnology, and genetics. Such means are needed both in the basic research and in the industrial applications of biotechnology. Computer-aided DNA sequencing, sequence comparison, prediction of protein structures, docking of molecules, and the interpretation of electron microscopy or NMR data are examples of typical computationally intensive tasks. Bioinformatics refers to the development and use of the (molecular) biological databases

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
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• 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
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• 以代谢组学的整合发展为例
编辑课件
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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
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• 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：
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• 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

保护202色1/3/1的2 应用……
6
仿生学同样可应用到计算机领域中 。
科学家通过对生物组织体研究，发现组织体是由无数的细
胞组成，细胞由水、盐、蛋白质和核酸等有机物组成，而
有些有机物中的蛋白质分子像开关一样，具有“开”与
“关”的功能。因此，人类可以利用遗传工程技术，仿制
出这种蛋白质分子，用来作为元件制成计算机。科学家把
这种计算机叫做生物计算机。
生物计算机主要是以生物电子元件构建的计算机。它利用
蛋白质有开关特性，用蛋白质分子作元件从而制成的生物
芯片。其性能是由元件与元件之间电流启闭的开关速度来
决定的。用蛋白质制成的计算机芯片，它的一个存储点只
有一个分子大小，所以它的存储容量可以达到普通计算机
的十亿倍。由蛋白质构成的集成电路，其大小只相当于硅
2021/3/12
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2021/3/12
简介
生物计算机（ biological computer） 又称仿生计算机(bionic computer)。以 生物芯片取代在半导体硅片上集成效以万 计的晶体管制成的计算机。涉及计算机科 学、脑科学、神经生物学、分子生物学、 生物物理、生物工程、电子工程、物理学 和化学等有关学科。研究生物芯片，研究 有关大脑和神经元网络结构的信息处理、 加工原理，以及建立全新的生物计算机原 理，探讨适于制作芯片的生物大分子的结 构和功能。以及如何通过生物工程(用脱 氧核糖核酸A重组技术和蛋白质工程)来组
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生物计算机目前有以下几类： 1.生物分子或超分子芯片 立足于传统计算机模式，从寻找高效、体微的电子 信息载体及信息传递体入手，目前已对生物体内的小分子、大分子、超分子生物 芯片的结构与功能做了大量的研究与开发。“生物化学电路” 即属于此。

1953年，James Watson和Francis Crick 发现了DNA的双螺旋结 构，双链上的碱基对互 补，AT、GC，为 互补碱基对（WatsonCrick对）
逆补链： GACT AGTC
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RNA
核糖取代了DNA分子中的2’-脱氧核糖 胸腺嘧啶（T）被尿嘧啶（U）取代，UA RNA不形成双螺旋 能形成RNA-DNA杂交双螺旋
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生物技术发展
20世纪90年代，生物芯片实现对细胞、蛋白 质、DNA以及其他生物组分的准确快速、大信 息量的检测
2001年，人类基因组计划测序完成，后基因组 时代到来，海量数据涌现
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芯片数据
NCBI GEO数据库
Year 2012 2011 2010 2009 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000
它是理论与数据分析数学建模和计算模拟在生物学行为学社会群体系统中的应用与研究是分子生物学计算机科学数学物理化学统计学等学科的交叉融合15计算生物学的应用16目标能深刻理解生物学问题并将它转化为适当的计算问题17第二部分分子生物学基本概念18分子生物学基本概念关联连锁分析简介19细胞化学反应调控细胞诞生摄食复制死亡等生命过程20细胞21细胞负责编码产生蛋白质所需要的信息并把信息传给后代水无机盐脂类糖类22核酸核糖核酸ribonucleicacidrna和脱氧核糖核酸deoxyribonucleicaciddna真核生物的dna大部分分布在细胞核中的染色体上极少量在线粒体和叶绿体上rna存在于细胞核和细胞质中23dna一个dna链分子结构糖碱基和磷酸组成了基本单元核苷酸核酸中的糖结构左dna右rna24四种碱基腺嘌呤a鸟嘌呤g胞嘧啶c胸腺嘧啶t25dna1953年jameswatson和franciscrick发现了dna的双螺旋结构双链上的碱基对互互补碱基对watsoncrick对agtc26rna能形成rnadna杂交双螺旋27蛋白质28蛋白质结构o形成残基和骨架29蛋白质结构二级结构

大约为几 百瓦
自我 与人脑的匹配度 修复 能力
有 生物计算机具有生物活 性，能够和人体的组织 有机地结合起来，尤其 是能够与大脑和神经系 统相连。
无 基本不存在匹配可能
生物计算机发展历程
1994年11月美国加利
福尼亚大学伦纳 德 ·阿 德 拉 曼 博 士 在
《科学》杂志上首先 公布了DNA计算机工 作原理。
参考文献
• 1.常红《生物计算机》 百科知识 2008 10 • 2.许进 《生物计算机时代即将来临术》 中科院院刊 2014 01 • 3.马建军 《生物计算机前景迷人》 现代物理知识 2002 01 • 4 .黄俞成 《生物计算机》 信息时代导刊
DNA片段
（《生物计算机时代即将到来》 许进）
生物计算机的优点
由于有机分子构成的生物化学元件的特殊性，从 而使有机计算机具有三大显著优点：
体积小，功效高 以分子水平的线路为目标的 生物化学元件其大小可能达到几百埃（一万万 分之一厘米 ），1平方毫米的面积上可容数亿 个电路，比目前的电子计算机提高了上百倍。
（《生物计算机前景迷人》 马 建军）
生物计算机传统计算机的优点对比
优点
生物计 算机
传统计 算机
集成度
一平方毫米 可以容纳几 亿个电路。
一平方毫米 到千万级， 并且极难增 加
处理速度 能耗
运算速度要 比当今最新 一代超级计 算机快十万 倍
为普通计 算机的几 亿分之一
最新一代的 超级计算机 运算为每秒 万万亿次
有机计算机目前也正处于研制阶段它一旦制造成功将使现有的一切电子计算机大为逊色生物计算机前景迷人建军10优点集成度处理速度能耗自我修复能力与人脑的匹配度生物计算机一平方毫米可以容纳几亿个电路

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

什么是系统生物学？
•内涵？ •外延？ •问题？
Systems Biology
• Networking the whole biological system, rather than studying its isolated parts. • Integrating large amounts of data in the context of biological network (Sequence, structure, function, gene expression, protein expression, protein interaction, protein-DNA interaction, and literature data).
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Procedure---Systems Biology

System Perturbation Generating of comprehensive global data Identification of key molecules Network modelling Generation of hypotheses Validation of hypotheses
• Journal club
A Predictive Model for Transcriptional Control of Physiology in a Free Living Cell
Richard Bonneau et. al. Cell, Vol 131, 1354-1365, 28 Dec. 2007 Institute for Systems Biology, Seattle, WA 98103, USA Center for Genomics & Systems Biology, New York University, New York, Ncus on biomolecular networks

生物体能够通过各种精巧的机制控制基因表达的时间 和 数 量 ， Riboswitch 就 是 这 些 精 巧 机 制 中 的 一 种 。 Riboswitch主要是通过核糖核酸(RNA)构象的改变来实现 “开关”的功能，阻止或开启目的蛋白的生成。
8.2.3 双稳态开关
最早的基因开关模型是由Gardner等人在2000年构造 的 ， 主 要 由 两 个 启 动 子 （ Promoter ） 和 一 个 抑 制 子 （Repressor）构成，启动子可以诱导基因表达生成相应的 抑制子，抑制子通过结合对方基因的启动子而抑制它的表达。
DNA计算机的特点主要表现在6个方面。 （1）工作的并行性(最大优点) （2）极低的能耗 （3）极高的集成度 （4）运算速度快 （5）抗电磁干扰能力强 （6）成本低廉
8.4.2 DNA计算机的模型
（1）粘贴模型 粘贴模型是一种被证明具有计算完备性的DNA检索模
型，配对识别操作是按照DNA碱基互补特性完成的。该模 型的优势是运算过程不需要酶的参与。
初等细胞自动机是状态集S只有两个元素{s1，s2}，即 状态个数k=2，邻居半径r=1的一维细胞自动机。
图8.10 冯· 诺依曼的初等细胞自动机
（2）细胞自动机的基本组成
细胞自动机最基本的组成：细胞、细胞空间、邻居及规 则四部分。另外，还应包含状态和时间。可以视为由一个细 胞空间和定义于该空间的变换函数所组成。
图8.1 Gardner等构造的基因开关模型
该 数 学 模 型 由 一 组 微 分 方 程 组 成 ， 如 式 （ 8.1 ） 、
（8.2）。其中U、V分别表示两种阻遏蛋白的量；α1、α2为
两种启动子（包含核糖体结合位点共同作用）在没有阻遏蛋
白时的表达速率；-U、-V表示两种阻遏蛋白的自然降解速 率；而β、γ为启动子的抑制参数，数值越大，表示阻遏蛋白

• 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。
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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。
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5 结束语和未来发展方向
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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
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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
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• 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
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• Biological questions on systems-levels,
such as diseases, evolution, medicine etc.
P53 region
Ras region TGFβ region
Goh et al., PNAS 2007
Cui et al., MSB 2007
Fields of Computational Systems Biology?
• Biological networks construction, such as gene regulatory networks,
cellular signaling networks, metabolic networks, protein-protein interaction networks, genetic interaction networks, gene co-expression networks, literature networks.
生物复杂网络的数学模型
E
B
D
1A 2B 3C 4D 5E
A
C
0
• 图论(graph theory)中的一个
图(graph)：两个集合 V(A,B,C,D,E)和
E(AB,AC,AB,BC,CD,DE)
网络可视化软件Pajek
A
B
FC E
D
有向网络
A
B
FC E
D
*Vertices *Edges *Arcs
自组织临界性 (self organization criticality)
幂律分布 power law
钟形分布
钟形分布

15 ℃
2
30 ℃
CO 的9 吸8 收7 量6
5 4 3 10 2 1
2.0 1.5 1.0 0.5 0 5 10 15 20 25 30 35 温度℃
(μ g/h/ g)
0 1 2 3
4
5
6 7
8 光强（千勒克斯）
(2)离体线粒体在温度为 15℃和30℃时的呼吸作用强 1.5 0.75 μ g／h/10g和_______ 度分别为_____ μ g／h/10g。 (3)假定离体叶绿体和线粒体与在叶肉细胞内的生理 活性基本一致，在30℃条件下的叶肉细胞内既不吸收 1500 勒克斯，此时光合 CO2也不释放CO2的光照强度为_____ 作用正好补偿呼吸作用的消耗，呼吸作用所释放出的 光合作用 。 CO2正好用于_______
减数分裂中DNA染色体数目变化
减数分裂 时期 间期 第一次分裂 第二次分裂 生殖 细胞
前 期
染色体数 目 同源染色 体对数 染色单体 数 四分体数 目 DNA含量 2N N 0 4N 0 2a→ 4a 2N N 4N N 4a
中 期
2N N 4N N 4a
后 期
2N N 4N 0 4a
前 期
N 0 2N 0 2a
1.核酸
DNA碱基比例计算:
A+G=T+C, A+C=T+G
A G A G 1 1 1 2 2 a , . T C T C a 1 1 2 2
A T A T A T 1 1 2 2 G C G C G C 1 1 2 2
DNA半保留复制： 某个DNA分子复制n次，子代DNA为 2n个
蛋白质中的 氨基酸数目 n
假设有一段 mRNA 上有 60 个碱基，其中 A 有 15 个， G 有 25个，那么转录该mRNA的DNA分子区段中，C和T的个 数共有（ ） A.15 A.25 C.60 A.40