生物信息学进一步发展中最值得关心的问题-生物信息学课件.ppt
《生物信息学进一步发展中最值得关心的问题-生物信息学课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《生物信息学进一步发展中最值得关心的问题-生物信息学课件.ppt(130页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、生物信息学进一步发展中最值得关心生物信息学进一步发展中最值得关心的问题的问题北京朝阳区大屯路北京朝阳区大屯路1515号号E-mail:Tel:86-10-64888543Fax:86-10-64871293 一、系统生物学的出现与发展一、系统生物学的出现与发展 For the past 30-40 years,biology at the molecular and cellular level has been studied from the perspective of analyzing individual genes and individual proteins.Systems
2、biology,on the other hand,is interested in analyzing whole systems of genes or proteins.What this means is that we use tools for capturing information from many different elements of the overall system.And we have to be able to integrate the information thats obtained from all the different biologic
3、al levels-DNA information,RNA information,protein information,protein interaction information,pathways and so forth.The ultimate objective is to use this information to write mathematical models that are capable of predicting something about the structure of the biologic system under evaluation as w
4、ell as predicting something about its properties,given particular kinds of stimuli or perturbations.(一)、什么是系统生物学(一)、什么是系统生物学 Besides having been Besides having been among the first scientists to among the first scientists to advocate the Human Genome Projectadvocate the Human Genome Project,Dr.Dr.Le
5、roy Leroy HoodHood is is credited for having played a credited for having played a lead rolelead role in inventing in inventing automated DNA sequencers in the mid-1980s.Moreover,automated DNA sequencers in the mid-1980s.Moreover,he has remained over the past 30 years at the forefront he has remaine
6、d over the past 30 years at the forefront of efforts to shape the technology scientists use today of efforts to shape the technology scientists use today to read,record and analyze the massive volumes of to read,record and analyze the massive volumes of information required to fathom the secrets of
7、life.information required to fathom the secrets of life.After a distinguished career at the California Institute of After a distinguished career at the California Institute of Technology,Technology,Dr.Hood moved in 1992 to the University of Dr.Hood moved in 1992 to the University of Washington,where
8、 he created the cross-disciplinary Washington,where he created the cross-disciplinary Department of Molecular Biotechnology.Department of Molecular Biotechnology.Today,Dr.Hood serves is President of the Institute for Today,Dr.Hood serves is President of the Institute for Systems Biology,a non-profit
9、 organization.Systems Biology,a non-profit organization.Genomes highlight the Finitenessof the“Parts”in BiologyBacteria,1.6 Mb,1600 genes Science 269:496Eukaryote,13 Mb,6K genes Nature 387:1199519971998Animal,100 Mb,20K genes Science 282:1945Human,3 Gb,100K genes?2000?real thing,Apr 0098 spoof大规模基因功
10、能表达谱的分析 随着人类基因组测序逐渐接近完成,人们自然会提出如下的问题:即使我们已经获得了人的完整基因图谱,那我们对人的生命活动能说明到什么程度呢?人们进一步提出了一系列由上述数据所不能说明的问题,例如:基因表达的产物是否出现与何时出现;基因表达产物的定量程度是多少;是否存在翻译后的修饰过程,若存在是如何修饰的;基因敲除(knock-out)或基因过度表达的影响是什么;多基因差异表达与表现型关系如何等等。概括这些问题,其实质应该是:知道了核酸序列和基因,我们依然不知道它们是如何发挥功能的,或者说它们是如何按照特定的时间、空间进行基因表达的,表达量有多少。microarraysnAffymet
11、rixnOligosnDont have to know sequencenGlass slidesnPat brown功能图谱From Cell,2001,V0l.104,333基因组(基因组(Genome)转录组转录组(Transcriptome)蛋白质组(蛋白质组(Proteome)相互作用组(相互作用组(Interactome)定位组(定位组(Localizome)折叠子组(折叠子组(foldome)代谢组(代谢组(Metabolome)表型组(表型组(Phenome)后基因组研究对象的多层次后基因组研究对象的多层次n遗传图谱(遗传图谱(Genetic map)n限制性图谱(限制性图谱
12、(Restriction map)n物理图谱(物理图谱(Physical map)n功能图谱(功能图谱(Functional maps)“快照快照”研究思路的变化研究思路的变化From Cell,2001,V0l.104,333(二)、系统生物学研究的一些例子 基因调控的网络模型基因调控的网络模型Science 15 Jan 1999,Vol 283哺乳动物细胞周期调哺乳动物细胞周期调哺乳动物细胞周期调哺乳动物细胞周期调控网络控网络控网络控网络(部分部分部分部分)。Mol.Biol.Cell 10,27032734(1999).Annotating the Yeast GenomeNetwor
13、k of yeast Sup35 proteinNetwork of yeast SIR protein多信息融合的蛋白质功能注释多信息融合的蛋白质功能注释多信息融合的蛋白质功能注释多信息融合的蛋白质功能注释 (4 NOV 1999 Vol 402,Nature)半乳糖代谢通路研究半乳糖代谢通路研究半乳糖代谢通路研究半乳糖代谢通路研究(4 May 2001 Vol 292,Science)基于已有知识的基本模型基于已有知识的基本模型基于已有知识的基本模型基于已有知识的基本模型整合转录组和蛋白质组实验数据后获得的精细功能图谱整合转录组和蛋白质组实验数据后获得的精细功能图谱E-cell剥离的细胞由
14、剥离的细胞由剥离的细胞由剥离的细胞由E-cellE-cell进行生物化学模拟进行生物化学模拟进行生物化学模拟进行生物化学模拟Science April 2,1999,Vol 284系统生物学(系统生物学(Systems Biology)成为近年重要研究方向成为近年重要研究方向Trey Ideker,et al,Integrated Genomic and Proteomic Analyses of a Systemtically Perturbed Metabolic Network,4 May 2001 Vol 292 ScienceScience Michael T Laub,et al,
15、Global Analysis of the Genetic Network Controlling a Bacterial Cell Cycle,15 December,2000 Vol 290,Science H.Jeong,et al.Lethality and centrality in protein networks,Nature Nature,Vol 411,3 MAY 2001 George von Dassow,Eli Meir,The segment polarity network is a robust developmental module,NatureNature
16、,Vol 406,13 JULY 2000 H.Jeong,et al,The large-scale organization of metabolics networks,Nature,Nature,v407,2000 Thomas Simon Shimizu,et al,Molecular model of a lattice of signalling proteins inVolved in bacterial chemotaxis,Nature Cell Biology,Vol 2,2000 Michael B.Elowitz,et al,A synthetic oscillato
17、ry network of transcriptional regulators,NatureNature,v403,2000 S.Kalir,et al,Ordering Genes in a Flagella Pathway by Analysis of Expression Kinetics from Living Bacteria,Science,v292,2001 Matthew Freeman,Feedback control of intercellular signalling in development,NatureNature,v408 Chunyan Xu,et al,
18、Overlapping Activators and Repressors Delimit Transcriptional Response to Receptor Tyrosine Kinase Signals in the Drosophila Eye,CellCell,Vol.103,2000 Thomas Surrey,Francois Nedelec,Physical Properties Determining Self-Organization of Motors and Microtubules,ScienceScience Vol 292 11 May 2001 Norber
19、t Frey,et al,Decoding calcium signals inVolved in cardiac growth and function,Nature MedicineNature Medicine*Volume 6*Number 11*November 2000 Reka Albert,et al,Error and attack tolerance of complex networks,NatureNature,v406,2000 Nature 415,141-147(2002)Modeling the HeartModeling the Heartfrom Genes
20、 to from Genes to Cells to the Whole OrganCells to the Whole OrganScienceScience 2002 1 MARCH 1678-1682(三)、系统生物学的研究思路(三)、系统生物学的研究思路多信息融合构建功能图谱多信息融合构建功能图谱From Cell,2001,V0l.104,333From Cell,2001,V0l.104,333系统生物学研究方法的创新点系统生物学研究方法的创新点 生物复杂系统的突现性规律,如钙波生物复杂系统的突现性规律,如钙波生物复杂系统的突现性规律,如钙波生物复杂系统的突现性规律,如钙波 功能基
21、因组多层次系统的贯穿特性功能基因组多层次系统的贯穿特性功能基因组多层次系统的贯穿特性功能基因组多层次系统的贯穿特性 系统与系统,层次与层次的相互作用系统与系统,层次与层次的相互作用系统与系统,层次与层次的相互作用系统与系统,层次与层次的相互作用l l新方法新方法 支持向量机支持向量机支持向量机支持向量机 主成分分析(时频分析、偏最小二乘等)主成分分析(时频分析、偏最小二乘等)主成分分析(时频分析、偏最小二乘等)主成分分析(时频分析、偏最小二乘等)功能子系统建模功能子系统建模功能子系统建模功能子系统建模 多信息融合多信息融合多信息融合多信息融合Emergent Properties of Net
22、works of Biological Signaling PathwaysEmergent Properties of Networks of Biological Signaling PathwaysScienceScience 15 Jan 1999,VOL 28315 Jan 1999,VOL 283酵母细胞周期表达谱分析共调控基因Nature,2000,Vol 405,15大规模基因表大规模基因表大规模基因表大规模基因表达谱用于基因达谱用于基因达谱用于基因达谱用于基因调控网络构建调控网络构建调控网络构建调控网络构建(四)、可能的应用(四)、可能的应用肿瘤研究肿瘤研究肿瘤研究肿瘤研究心
23、血管疾病研究心血管疾病研究(五)、生物网络一、生物大分子相互作用网络二、基因表达调控网络三、代谢网络四、信号传导网络蛋白-蛋白相互作用网络Nature 415,123-124(2002)Nature 415,141-147(2002)Protein-Protein Interaction Network目前有二十余种方法可以得到蛋白-蛋白相互作用的实验数据:MS/MS 测序质谱技术;酵母双杂交技术;基因表达调控网络 Wyrick(2002)给出了一个基因表达调控网络的定义:一组调控因子如何调控一套基因表达的过程称为基因表达调控网络。基因表达调控网络是基因调控网络的一个重要部分。参与基因表达调控
24、网络的元素主要包括cDNA、mRNA、NcRNA、蛋白、小分子等。Arrangements of transcriptional elements and genomic locations of small non-coding ncRNA loci,as inferred from genomic and experimental data.Biogenesis of C.elegans ncRNAs 图中每一个圆圈代表一个节点,也就是调控网络的元素,如基因。有向箭头表示表达增强作用,末端断线表示表达抑制作用。在基因网络中,存在基因对自身表达的自调控的现象。从元素间相互联系的角度来看,基因
25、表达调控网络是一个由节点(调控元素)、边(调控作用)组成的一个有向图结构。如图 n模型与仿真有向图Bayesian网络Boolean网络及推广常微分方程“定性”微分方程偏微分方程随机模型基于规则的形式方法代谢网络 代谢综合征是高血压、血糖异常、血脂紊乱和肥胖症等多种疾病在人体内集结的一种状态,它的直接后果是导致严重心血管病及其并发症,并造成死亡。代谢综合征涉及内分泌疾病、心血管病、肾脏病等多个相关学科和研究领域。这些年来,研究人员发现大多数心血管病和2型糖尿病患者合并有多种代谢异常,包括血脂异常、高血压、血糖调节异常和肥胖等。1988年,美国科学家Reaven认为这种多种代谢异常“汇聚”于同一
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 生物 信息学 进一步 发展 值得 关心 问题 课件
限制150内