系统生物学







生物学系统方法的示意图



系统生物学（Systems biology），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、[1]细胞器、细胞、生理系统与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。系统生物学大量使用数学的和计算技术的模型。


特别是从2000年开始，这个概念在各种环境下被广泛用于生物学。人类基因组计划是生物学中应用系统思维的一个例子，它导致新的合作的方式来处理在遗传学生物学领域的问题。系统生物学的目标之一是模拟和发现涌现的特性，细胞的，组织的和生物体的特性，作为一个系统，其理论描述只能用系统生物学的技术进行[2]。这些通常涉及代谢网络或细胞信号传送网络[1]。


系统生物学开始于对基因和蛋白质的研究，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和蛋白质组的变化。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。





目录





  • 1 歷史


  • 2 相關領域


  • 3 参见


  • 4 参考文献


    • 4.1 引用


    • 4.2 书目




  • 5 外部链接


    • 5.1 专业组织/研究机构


    • 5.2 研究团队/实验室


    • 5.3 软件工具


    • 5.4 国际会议







歷史


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。


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，1950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。


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。


1970-80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）。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。


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。


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。


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：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萊諾伊·胡德（英语：Leroy Hood）（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月與阿蘭·阿德雷姆（英语：Alan Aderem）及魯迪·艾伯索爾德（英语：Ruedi Aebersold）等學者創立一個非營利性質的研究機構：系統生物學研究所（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。


萊諾伊·胡德（英语：Leroy Hood）博士在2001年3月訪問台灣時，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。


而北野宏明（英语：Hiroaki Kitano）（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、分析、技術、基因组學四者形成環型而連續的關係，建立出一個新的研究模式[3]，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。[4]


2008年美国NIH设立肿瘤的系统遗传学研究专项基金。



相關領域






細胞訊息傳遞途径概述



根據使用跨學科工具從多个實驗中獲得，整合和分析複雜數據集的能力的系統生物學解釋，一些典型的技術平台包括：



  • 表型組學（英语：Phenomics）



在生物體表型變化，因為它在其壽命的變化。



  • 基因組學

  • 表觀遺傳學

  • 轉錄組



在有機體的，組織的或細胞水平上的基因表現的量測，通過DNA微陣列或基因表達系列分析（英语：Serial analysis of gene expression）。



  • 蛋白質組學

  • 代謝物組學



在有機體的，組織的或細胞水平上的被稱為代謝產物的小分子的量測。



  • 糖組學



在有機體的，組織的或細胞水平上的醣類的量測。




  • 脂类组学(Lipidomics)



在有機體的，組織的或細胞水平上的脂质的量測。


除了上述給定分子的識別和量化之外，進一步的技術還分析細胞內的動力學和相互作用。 這包括：




  • 相互作用組學（英语：Interactomics）（Interactomics）



在有機體的，組織的或細胞水平上的分子間相互作用的研究。




  • 代謝流組學（英语：Fluxomics）（Fluxomics）



在有機體的，組織的或細胞水平上的分子隨時間變化的動態變化的量測。




  • 生物組學（英语：Biomics）（Biomics）。




生物群系的系統分析。



参见





  • 系统生物学置标语言（SBML）

  • 人工生命

  • 生物医学控制论

  • 计算机仿真

  • 基因调节网络

  • 系统生态学

  • 系統藥理學

  • 系统生物学家

  • 合成生物学

  • 调节子




参考文献



引用





  1. ^ 1.01.1 Bu Z, Callaway DJ. Proteins MOVE! Protein dynamics and long-range allostery in cell signaling. Advances in Protein Chemistry and Structural Biology. Advances in Protein Chemistry and Structural Biology. 2011, 83: 163–221. ISBN 978-0-123-81262-9. PMID 21570668. doi:10.1016/B978-0-12-381262-9.00005-7. 


  2. ^ Longo, Giuseppe; Montévil, Maël. Perspectives on Organisms - Springer. doi:10.1007/978-3-642-35938-5. 


  3. ^ （Kitano, 2002）


  4. ^ [曾湘文，2005]




书目



  • 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），https://web.archive.org/web/20090426071139/http://etds.ncl.edu.tw/theabs/index.html]

  • 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.

  • Cambien F.& Tiret L., Atherosclerosis: From genetic polymorphisms to system genetics. Cardiovascular Toxicology, Volume 5, Number 2, June 2005, pp. 143-152 (10).



外部链接






维基共享资源中相关的多媒体资源：系统生物学



  • 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



专业组织/研究机构




  • SysBioEng.com - The (World) Associates for Biosystem Science and Engingeering（Jan. 1999~）


  • issb.org - The International Society for Systems Biology


  • InterActomics.org - Community for Interactomics: Editable hypertext pages (a systems biology Wiki)


  • omica.netf irms.com/ Celln omica.com[失效連結] - Research in multicellular developmental systems biology (US based)


  • SystemsBiology.org - Institute for Systems Biology (US based)


  • Systems-Biology.org - Systems Biology Institute (Japan based)


  • Ottawa Institute for Systems Biology（Canada）


  • Benjoe Institute - Systems Genetics Lab., Benjoe Institute of Systems Bio-Engineering (China)


  • Munich Systems Biology Forum - Systems biology groups in Munich and worldwide

  • CSBi :: Computational and Systems Biology at MIT


  • Biosystems Informatics Institute - Systems biology research institute in Newcastle upon Tyne, UK


  • YSBN.org - Yeast Systems Biology Network worldwide

  • Institute for Molecular Systems Biology


  • sysbio.org - Systems Biology at Pacific Northwest National Laboratory


  • SystemsX - The Swiss Initiative in Systems Biology


  • CSBC - Center for the Study of Biological Complexity


  • MCISB - The Manchester Centre for Integrative Systems Biology


  • Institute of Bioinformatics and Systems Biology - Institute of Bioinformatics and Systems Biology, National Chiao Tung University, Taiwan



研究团队/实验室



  • Stathopoulos Lab

  • Elowitz Lab

  • Davidson Lab

  • McAdams Lab

  • Kaern Dynamical Systems Biology Lab

  • Quake Lab

  • Sidow Lab

  • Kim Lab

  • Ferrell Lab

  • Alon Lab

  • Baliga Lab

  • Systems Biology ETH Zürich


  • Computational Systems Biology ETH Zürich[失效連結]

  • Arkin Lab

  • Collins Lab

  • Bolouri Lab

  • E-Cell group

  • Kitano Lab

  • Hood Lab

  • Le Novere Group

  • Pedro Mendes Lab

  • Sauro Lab

  • John Tyson Lab

  • Virtual Cell Group

  • Systems Biology at PNNL

  • Systems Biology Research Group - UCSD

  • CSBL - University of Virginia

  • Computational Systems Biology - University of Sheffield, UK

  • Systems biology research group - Hamilton Institute, NUY Maynooth, Ireland.

  • Computational and Systems Biology at MIT

  • National Simulation Research, University of Washington

  • Center for the Study of Biological Complexity, Virginia Commonwealth University


  • Computational Systems Biology at University of Edinburgh

  • Endy Lab

  • Tidor Lab

  • van Oudenaarden Systems Biology Lab

  • Harvard Virtual Cell Program

  • Thattai Lab

  • Wolkenhauer Group, University of Rostock, Germany

  • Computational Systems Biology Group at Carnegie Mellon University

  • Kinetic Modelling Group at the Max Planck Institute for Molecular Genetics, Klipp Group

  • Tang Lab



软件工具



  • SimTK

  • Gaggle

  • Systems Biology Workbench

  • Systems Biology Markup Language

  • The CellML language

  • The little b Modeling Language

  • Copasi (Version 4 of Gepasi)

  • E-Cell System

  • StochSim

  • Virtual Cell

  • JigCell (John Tyson Lab)

  • Python Simulator for Cellular Systems

  • Ingenuity Pathways Analysis

  • BIOREL is a web-based resource for quantitative estimation of the gene network bias in relation to available database information about gene activity/function/properties/associations/interactions.

  • SAVI Signaling Analysis and Visualization

  • JSim

  • BioNetGen

  • SBML-PET is a Systems Biology Markup Language (SBML) based Parameter Estimation Tool. This tool has been designed to do parameter estimation work for biological models.

  • Systems Biology Software Databases developed by Molecular Bioinformatics Center, National Chiao Tung University, Taiwan



国际会议



  • International Conference on Systems Theory and Biology, 1968.

  • ICMSB 2009 - 11th International Conference on Molecualr Systems Biology

  • ICMSB 2008 - 10th International Conference on Molecualr Systems Biology

  • ICCS 2006 - International Conference on Complex Systems

  • ICSB 2006 - 7th International Conference on Systems Biology

  • ICSB 2005 - 6th International Conference on Systems Biology

  • ICSB 2004 - 5th International Conference on Systems Biology

  • ICSB 2003 - 4th International Conference on Systems Biology


  • ICSB 2001 - The 2nd International Conference on Systems Biology[失效連結]

  • The First International Conference on Systems Biology (ICSB)
















































  • 查

  • 论

  • 编




组学主题

基因组学


  • 认知基因组学（英语：Cognitive genomics）

  • 计算基因组学（英语：Computational genomics）


  • 基因组计划

    • 人类基因组计划



  • 古多倍性（英语：Paleopolyploidy）

  • 元基因组学

  • 功能基因组学（英语：Functional genomics）

  • 个人基因组学（英语：Personal genomics）

  • 社会基因组学（英语：Social genomics）

  • 结构基因组学



生物信息学


  • 生物芯片

  • 化学信息学

  • 化学基因组学（英语：Chemogenomics）

  • 免疫组学

  • 连接组学

  • 糖组学

  • 脂类组学

  • 代谢物组学

  • 多肽組學（英语：Peptidomics）

  • 药物遗传学（英语：Pharmacogenetics）

  • 药物基因组学

  • 系统生物学

  • 毒理基因组学（英语：Toxicogenomics）

  • 转录物组学



结构生物学



  • 蛋白质组学

    • 人类蛋白质组计划



  • 结构药物设计



研究工具和技术


  • 双向电泳

  • 质谱法


  • 电喷雾离子法（英语：Electrospray ionization）（ESI）


  • 基质辅助激光解吸/电离（MALDI）

  • 微流控

  • 同位素标记（英语：Isotopic labeling）



机构


  • 国立卫生研究院 (美国)


  • 日本DNA数据库（日本）


  • 欧洲分子生物学实验室（欧盟）


  • 维康桑格研究所（英国）

















































  • 查

  • 论

  • 编



系統科學

系統分類


  • 解剖系統

  • 生物系統

  • 複雜系統

  • 資料庫

  • 動態系統

  • 生態系統

  • 經濟系統

  • 形式系統

  • 全球定位系統

  • 資訊系統

  • 法律系統

  • 量度系統

  • 公制系統

  • 多智能體系統

  • 神經系統

  • 作業系統

  • 行星系統

  • 社會系統

  • 恆星系統



系統理論






  • 混沌理論

  • 控制理論

  • 模控學

  • 生命系統理論

  • 社會系統理論

  • 世界體系理論

  • 系統分析

  • 系统生物学

  • 系統動力學

  • 系統工程

  • 系統科學

  • 系統思維




系統科學家


  • 貝拉·巴納錫

  • 林益

  • 陳翰馥

  • 大衛·伊斯頓

  • 何毓琦

  • 約翰·霍蘭德

  • 尼克拉斯·盧曼

  • 塔爾科特·帕森斯

  • 謝廣明

  • 張鍾俊

  • 伊利亚·普里高津

  • 钱学森

  • 彼得·圣吉

  • 克劳德·香农

  • 愛德華·勞侖次

  • 艾兹赫尔·戴克斯特拉

  • 喬治·丹齊格

  • 肯尼思·博尔丁



應用


  • 人類學中的系統理論（英语：Systems theory in anthropology）

  • 考古學中的系統理論（英语：Systems theory in archaeology）

  • 政治系統理論







  • 分类分類


  • 共享资源页面共享資源

























































  • 查

  • 论

  • 编



生物学

生物學分支


  • 解剖学

  • 天体生物学

  • 生物化学

  • 生物地理学

  • 生物力学

  • 生物物理学

  • 生物信息学

  • 生物统计学

  • 植物学

  • 细胞生物学

  • 细胞微生物学（英语：Cellular microbiology）

  • 化学生物学

  • 时间生物学

  • 保护生物学

  • 发育生物学

  • 生态学

  • 流行病学

  • 表观遗传学

  • 演化生物学

  • 遗传学

  • 基因组学

  • 组织学

  • 人体生物学（英语：Human biology）

  • 免疫学

  • 海洋生物学

  • 生物数学

  • 微生物学

  • 分子生物学

  • 真菌学

  • 神经科学

  • 营养学

  • 生命起源

  • 古生物学

  • 寄生虫学

  • 病理学

  • 药理学

  • 生理学

  • 量子生物学

  • 社會生物学

  • 合成生物学

  • 系统生物学

  • 生物分类学

  • 病毒学

  • 毒理学

  • 动物学




Tree of life by Haeckel.jpg


生命的層次結構



  • 生物圈 >  生態系統 >  群落 >  种群 >  生命体 >  生物系統 >  器官 >  組織 >  細胞 >  細胞器 >  生物分子复合体（英语：Biomolecular complex） >  分子（高分子, 生物分子） >  原子



基礎


  • 細胞學說

  • 生態

  • 能量

  • 演化

  • 遺傳學

  • 體內平衡

  • 合成生物學

  • 生物分類學



原理




























演化




  • 適應

  • 遺傳漂變

  • 基因流動

  • 巨演化

  • 微演化

  • 突變

  • 自然選擇

  • 物種形成




生態學




  • 生物多樣性

  • 種間關係

  • 生態系統

  • 動物棲地

  • 生態位

  • 種群生態學

  • 資源 (生物)（英语：Resource (biology)）




分子生物學




  • 細胞信號傳送

  • 發育生物學

  • 表觀遺傳學

  • 基因調控（英语：Regulation of gene expression）

  • 減數分裂

  • 有絲分裂

  • 轉錄後修飾




生物化學




  • 碳水化合物

  • 脂類

  • 代謝

  • 核酸

  • 光合作用

  • 蛋白質




詞彙表


  • 植物詞彙（英语：Glossary of botanical terms）

  • 生態詞彙（英语：Glossary of ecology）

  • 植物形態詞彙（英语：Glossary of plant morphology）

  • 生物分類法





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规范控制



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早晨一杯水，身體遲早會有4個變化！想身體健康，會喝水很重要！醫生關心您！

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早晨一杯水，身體遲早會有4個變化！想身體健康，會喝水很重要！醫生關心您！ 水，是生命之源，也是人體七大類營養素之一，《中國膳食居民指南》中推薦正常成年人每天水的攝入量至少為1500毫升。 補充水分關乎一個人的身體健康。若堅持清晨一杯水，開始一天的工作，身體會有這4個變化！ 第一，補充身體水分 正常人經過一宿新陳代謝，人體從皮膚和呼吸流失了大量水分，若還有起夜習慣，那流失水分會更多。 起床後，先刷牙，在喝一杯大口喝一杯溫水，被能及時補充身體所需水分，能緩解口渴，嗓子乾燥的情況。 第二，稀釋血液 防血栓 由於身體水分的流失，血液自然會變得較濃稠。 對高血脂的人來說，清晨一杯溫水，能有效的稀釋血液，降低動脈硬化和腦血栓的風險。 補充一杯水能很快稀釋血液，預防血液粘稠，，從而預防血栓形成。 第三，沖刷腸道 促進排便 早上起來時，經過一宿的代謝，食物已經消化得差不多了，喝一杯溫水能沖刷腸道，且水分能直接被人體吸收。 清晨時，空腹狀態下喝一杯溫水，沖刷腸道，促進糞便排出，對預防和改善便秘再好不過了。 另外，喝杯溫水可沖淡胃酸，“喚醒”腸胃，對消化早餐做足了準備。 第四，提神醒腦 喝水有稀釋血液的作用，可加速血液循環。清晨一杯水能給大腦充足氧分，使人快速擺脫惺忪狀態，達到提神醒腦的效果。 那麼清晨一杯水，什麼水最好呢？ 實際上，清晨喝水的目的很直接，就是通過一杯水及時補充水分，而有些人會選擇喝鹽水、蜂蜜水、檸檬水等，這些水對身體有好處，但不適合作為清晨第一杯水。 清晨一杯水，注意不該喝這2種： 1，久置的開水 因開水久置後，其中含氮的有機化合物會不斷分解為亞硝酸鹽，尤其是經過經過幾夜、存放時間太久的開水。 另外，久置的水還易有細菌污染，對身體也不利。 清晨一杯水最好喝一次燒開，且沒超過24小時的水。 2，飲料 很多早上起來會有“飢腸轆轆”的感覺，想快速“填飽”肚子，於是乎，早上第一杯水就選擇了飲料，比如果汁、可樂、汽水、牛奶、咖啡等。 汽水和可樂等碳酸飲料中大都含有檸檬酸，在代謝過程中會加速鈣的排泄，降低血液中鈣的含量，長期飲用會導致缺鈣。 果汁、牛奶、咖啡也不宜作為清晨的第一杯飲料。因為這些物質並不能提供此時機體最需要的水分，還會使機體在缺水的狀態下就讓胃腸進行消化和吸收工作，不利於身體的健康。 想要身體健康，懂得喝水很重要，說完清晨一杯水，最重要的就是白...
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