系统生物学

系统生物学（systems biology），是一个使用整体论（而非还原论）的方式， 整合不同学科、层次的信息，以研究、分析、理解（即多组学整合分析）生物系统如何行使功能的学术领域。系统生物学通过研究各个生物系统内部所有组成成分间，各分子层面上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），期望最终能够建立整个系统的可理解模型，以及为有机体绘制完整图谱。系统生物学使用计算机模拟，数学分析的方法来构建复杂生物系统的模型。



生物学系统方法的示意图

系统生物学不同于以往只注意个别的基因和蛋白质的实验生物学，研究所有的基因、所有的蛋白质和组分间的所有相互关系；其目标是：对复杂的生物系统构建计算的数学模型，从总体上预测生物系统的真实性。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。

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（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·阿德雷姆及魯迪·艾伯索爾德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（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
在生物體表型變化，因為它在其壽命的變化。
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。
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。
在有機體的，組織的或細胞水平上的醣類的量測。
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（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（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（Biomics）。
生物群系的系統分析。

生物信息学和数据分析

计算机科学，信息学和统计学的其他方面也用于系统生物学。

参见

参考文献

引用
  1. Bu, Zimei; Callaway, David J.E. . 83. Elsevier. 2011: 163–221 [2022-05-12]. ISBN 978-0-12-381262-9. PMID 21570668. doi:10.1016/b978-0-12-381262-9.00005-7. （原始内容存档于2022-07-06） （英语）.
  2. Longo, Giuseppe; Montévil, Maël. . doi:10.1007/978-3-642-35938-5.
  3. （Kitano, 2002）
  4. [曾湘文，2005]

来源
  • 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 （页面存档备份，存于）
  • 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 （页面存档备份，存于） 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
维基共享资源上的相关多媒体资源：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 （页面存档备份，存于） - '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 （页面存档备份，存于） - Special Issue: Systems Biology, Science, Vol 295, No 5560, March 1, 2002
  • Nature （页面存档备份，存于） - Molecular Systems Biology
  • Systems Biology: An Overview （页面存档备份，存于） - a review from the Science Creative Quarterly

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