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杨鸿智-后现代理论医学博客

《后现代医学》、《正反馈医学》、《自体原位器官重构技术》

 
 
 

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这是一个宣传后现代理论医学的博客.后现代理论医学是以系统理论为指导的新医学.该理论认为,在生命组织中干细胞是决定机体功能状态最基本的因素.通过调节机体内环境和为干细胞提供再生所需要的物质和能量,就可以使干细胞在患者体内原位再生,实现器官重构,使器质性病变得到治疗.现在,已经在北京医药信息学会内成立了后现代理论医学专业委员会,杨鸿智是主任委员.

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(11)系统生物学中的生物信息学  

2013-06-03 20:09:32|  分类: 干细胞病 |  标签: |举报 |字号 订阅

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11)系统生物学中的生物信息学

——东方科技论坛第42次学术研讨会

2004711

http://www.cae-shc.gov.cn/detail4.asp?contentid=118

 

一、会议背景

 

东方科技论坛第42次学术研讨会于2004711日,在上海沪杏科技图书馆举行。本次论坛由上海生物信息技术研究中心、中科院上海生命科学研究院和复旦大学生命科学学院共同承办,论坛主题为"系统生物学中的生物信息学"。中科院院士、中科院上海生命科学研究院李载平研究员和赵国屏研究员共同主持了会议。

 

20世纪的生物学经历了由宏观到微观的发展过程,由形态、表型的描述逐步分解、细化到生物体的各种分子及功能的研究。1953年沃森和克里克提出的DNA双螺旋模型标志着生物学进入了分子生物学时代;70年代出现的基因工程技术极大地加速和扩展了分子生物学的发展;1990年启动的人类基因组计划是生命科学史上第一个大科学工程,开始了对生物全面系统的探索,2003年已完成了人和各种模式生物体基因组的测序。人类基因组计划和随后发展的各种组学技术,把生物学带入了系统生物学的时代。

 

作为人类基因组计划的发起人之一,也是系统生物学的创始人之一的美国科学家莱诺伊?胡德(Leroy Hood)提出,应该把生物学视为一门信息科学。这个观点包含有三层意思,首先,生物学研究的核心--基因组,是数字化的(digital)。生物学与所有其它学科,如物理学、化学、地理学,是完全不一样的科学,因为生物学以外的学科都只能通过类比的方式(analog)进行分析。既然生物学研究的核心是数字化的,因此生物学可以被完全破译。从理论上说,我们对生物学的把握应该超过其他任何一门学科。其次,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。值得强调的是,基因调控网络的信息从本质上说也是数字化的,因为控制基因表达的转录因子结合位点也是核苷酸序列。生物学是信息科学的第三层意思是,生物信息是有等级次序的,而且沿着不同的层次流动。一般说来,生物信息以这样的方向进行流动:DNA mRNA 蛋白质→ 蛋白质相互作用网络→细胞→器官→个体→群体。这里要注意的是,每个层次信息都对理解生命系统的运行提供有用的视角。因此,系统生物学的重要任务就是要尽可能地获得每个层次的信息并将它们进行整合。

 

在胡德看来,系统生物学和人类基因组计划有着密切的关系。正是在基因组学、蛋白质组学等新型大科学发展的基础上,孕育了系统生物学。反之,系统生物学的诞生进一步提升了后基因组时代的生命科学研究能力。正如胡德所说,"系统生物学将是21世纪医学和生物学的核心驱动力"。基于这一信念,胡德在1999年年底与另外两名志同道合的科学家一起创立了世界上第一个系统生物学研究所(Institute for Systems Biology)。随后,系统生物学便逐渐得到了生物学家的认同,也唤起了一大批生物学研究领域以外的专家的关注。20023月,美国《科学》周刊登载了系统生物学专集,该专集导论中的第一句话这样写道:"如果对当前流行的、时髦的关键词进行一番分析,那么人们会发现,'系统'高居在排行榜上。"

 

什么是系统生物学?根据胡德的定义,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。也就是说,系统生物学不同于以往的实验生物学--仅关心个别的基因和蛋白质,它要研究所有的基因、所有的蛋白质、组分间的所有相互关系。从系统生物学研究角度看,在细胞内工作的蛋白质都不是单独存在就能发挥作用的,蛋白质分子协同工作可以有两大类方式,一是形成蛋白质分子功能复合体,二是形成一个功能信号系统,前者可以认为是分子到细胞器之间的一级基本结构,例如转录体、核糖体、复制体、蛋白酶体、离子通道等,由一群蛋白质分子组成,小于细胞器;后者是一群蛋白质分子按一定顺序接力完成的信号传导系统。这两种系统复杂交叉形成特定的细胞功能网络,如细胞增殖的分子网络、细胞凋亡的分子网络等等。在正常发育的不同阶段或疾病发生的不同阶段都有一定系统的变化发生;系统生物学的研究是人们在生命科学研究中的最高追求。

 

二、会议简况

 

东方科技论坛理事会施强华副秘书长参加了会议并致辞。他说,这次举办"系统生物学中的生物信息学"研讨会,是非常及时的。在以往基因组和蛋白组的基础上,上海市科委在今年的重大项目中安排了系统生物学的研究内容。作为系统生物学的具体研究切入点,市科委考虑了代谢系统和白血病两个方向作为研究模板。他希望通过这次研讨会能对未来如何开展系统生物学的研究工作,对今后的市科委重大项目以及国家重大项目,如973863等,提供有参考价值的和有建设性的建议。

 

参加本次研讨会的代表有来自美国得克萨斯大学休斯顿健康中心的熊墨淼教授、美国加州大学河边分校的姜涛教授、美国纽约州大学Buffalo分校的周耀旗教授、华中科技大学生命科学与技术学院的骆清铭教授、东南大学的陆祖宏教授、中科院上海生命科学研究院的吴家睿研究员、复旦大学生命科学学院的钟扬教授、复旦大学高分子材料科学系的丁建东教授、上海交通大学系统生物学研究所的赵立平教授和上海生物信息技术研究中心主任李亦学教授等20多个大学及科研院所的30多位专家和学者。生物信息学是系统生物学研究中非常重要的部分。为了促进我国的系统生物学中的生物信息学研究,因此,本次研讨会始终紧扣"系统生物学中的生物信息学"这一主题,从不同的角度进行了报告和讨论。

 

三、会议内容

 

本次研讨会共分"系统生物学的发展现状与前景""生物信息学在系统生物学中的应用""蛋白质结构与功能预测"等三个专题,有11位专家从实验的设计到数据的收集与挖掘,再到预测算法研究和医学工程上的应用,全方位、系统性地进行了阐述,与会专家们在报告的同时还展开了热烈的讨论。本次研讨会对促进我国的系统生物学及相关领域的研究,加速生命科学中复杂系统的研究进程,提高我国前瞻性、个性化生物医药的研发水平有着重要的意义。

大会主席、中科院上海生命科学研究院李载平院士作了题为"系统生物学--生命科学发展的新阶段"的报告。他认为,随着人类基因组以及各种模式生物组学的完成,我们已经获得海量数据,而基因注释必须升级到系统水平和网络层次,他提到Leroy Hood的文献《解码生命的新方法--系统生物学》来说明系统生物学的重要。为了说明系统生物学的重要性,李载平院士举了多基因疾病如精神疾病研究等例子。在多基因疾病中,往往存在双重代谢途径甚至多重代谢途径,必须分析多个基因及其相互作用网络才能真正理解致病因素,只能在系统生物学的水平上才能进行这样的研究。李载平院士还特别的介绍了他对"systems biology"这个system的复数形式的理解。生命中存在非常多的复杂系统,目前我们进行研究的时候,必须选择合适的系统进行研究,要分析系统的结构网络和动力模型。他认为,在生命科学的新阶段--系统生物学即将到来的时候,召开这样的研讨会,具有非常重要的意义。

 

美国得克萨斯大学休斯顿健康中心熊墨淼教授作了题为"遗传网络的动态分析--一个生物信息学在系统生物学中的应用实例"的报告。他建立了一个以外界状态为变量,基因表达为函数的状态空间模型,在此基础上通过计算机模拟,对实验结果进行了分析。他强调了数学建模和数据分析的重要性。上海交通大学系统生物学研究所赵立平教授作了"计算生物学在微生物群落的应用"的报告。他以微生物群落为模板,阐述了如何在系统水平上理解微生物群落,系统动力学和控制方法,以及系统的设计和重建。他详细介绍了微生物基因测序,系统模型的建立以及微生物在各方面的应用,特别是生物信息学在微生物生态学上的应用。

美国加州大学河边分校姜涛教授作了题为"用支持向量机方法预测真核mRNA的翻译起始位点"的报告。他首先介绍了支持向量机的方法以及他们自己设计的核,而后介绍了他们据此开发出的翻译起始位点预测软件TISHunter,采用人类基因组等几个测试数据集,比较了TISHunter和其它预测软件在准确率,敏感性等方面的性质,介绍了TISHunter在这几个方面的优点。

 

东南大学生物科学与医学工程系陆祖宏教授作了题为"关于生物分子网络研究的若干思考"的报告。他介绍了调控网络的实验方法学及其在代谢网络方面的初步思考。高通量,高准确率,高敏感性以及实时动态性的要求,给调控网络的研究带来巨大的问题和挑战,因此在低成本,易操作的芯片平台上进行研究就是必要的,他介绍了芯片研究平台设计的一些方法和技巧。在介绍代谢网络的思考时,陆祖宏教授认为,类似于现在的电子技术,调控网络是数字式的,而代谢网络就是模拟式的。我们可以借助电路和芯片设计中的方法和灵感来对调控网络和代谢网络进行研究。

 

华中科技大学生命科学与技术学院骆清铭教授作了题为"用流平衡分析方法研究心肌细胞能量代谢网络"的报告。1994年,UC San DiegoPalsson提出了一种FBA(Flux Balance Analysis,流平衡分析)方法。FBA强调的是通过整合已有的生物信息,特别是高通量的生物信息,来重建生物代谢网络,并在此基础上对网络进行仿真。骆清铭教授在整合心肌细胞能量代谢相关的生化信息基础上,利用FBA方法,建立了心肌细胞能量代谢网络模型,网络模型的初步运行结果显示,对基本生化过程的仿真结果与实验结果基本一致对疾病模拟结果与文献基本相符 酶活性分析结果基本符合实际。

 

美国纽约州立大学Buffalo分校周耀旗教授作了题为"基于结构的蛋白-蛋白相互作用分析"的报告。许多基因组测序计划的完成促生了高通量的实验和计算方法,来研究新发现基因的功能特征。大多数现有用来进行蛋白-蛋白相互作用的高通量预测的生物信息学工具都是基于蛋白序列的进化信息。这些基于序列的预测结果经常与已知三维结构的蛋白质不符。因此周耀旗教授发展了一种基于已知蛋白结构的新方法INSPIRE,来研究蛋白-蛋白相互作用网络,并介绍了 INSPIRE的初步结果。

 

应大会的特别邀请,中科院上海生命科学研究院赵国屏教授作了题为"SARS 分子流行病学和致病病毒进化分析"的报告。他介绍了2003SARS爆发后对病毒的测序,数据收集分析以及进化树构建的工作。赵国屏教授的项目组用分子进化的方法,建立了SARS传播的早期、中期、晚期的进化树,以及相应阶段病毒的基因型。并用他自己的研究经验,说明了在紧急攻关研究中,不同学科和单位的科研人员相互协调合作的重要性,以及从系统的水平研究病毒的重要性。

 

复旦大学生命科学学院、上海生物信息技术研究中心钟扬教授作了题为"分子进化分析与系统生物学研究"的报告。分子进化分析已成为目前生物信息学研究中的一种常规手段。随着进化基因组学(evolutionary genomics)的发展,越来越多的进化分析方法被引入到相关领域并已发挥重要作用。钟扬教授简要介绍分子进化分析的基本原理和主要方法,初步探讨分子进化分析在系统生物学研究中的可能应用,并对国外"网络基因组学(network genomics)""植物系统生物学(plant systems biology)"的研究动态进行了调研。

 

复旦大学高分子科学系丁建东教授作了题为"蛋白质折叠的计算机模拟"的报告。在蛋白质一级结构确定以后,如何从无规线团折叠到紧致而有序的高级结构,成为研究人员最为关心的问题。丁建东教授的课题组在合理近似的前提下对蛋白质分子进行模型化,然后采用自编软件对于蛋白质折叠动力学过程进行了模拟。现有的工作主要包括:1、针对coil-helix转变和coil-globule转变的粗粒化模型的建立和相关的格子链动态Monte CarloMC)模拟。他们所建立的一个新的适于格子链MC模拟的粗粒化模型,成功再现了均聚和具有一定序列的多肽的coil-helix转变和coil-globule转变,并首次提出了表征helix规整性的取向相关函数。尝试对于SARS病毒的E蛋白进行了粗略的模拟;2、基于Go model的蛋白质折叠的off-lattice非平衡Molecular DynamicsMD)模拟。根据蛋白质数据库,利用部分蛋白质已知的天然构象,在Go 近似的基础上,采用了粗粒化或全原子模型,利用non-equilibrium MD的方法,对于部分蛋白质的折叠动力学进行了模拟,再现了折叠中间态,初步验证了折叠转变态与折叠速率的关系;3、大分子链运动的模拟和链动力学的基本科学问题。还对于具有自回避效应的高分子单链、多链体系的相互作用与聚集分相问题、高分子链的反应动力学等进行了模拟和研究。

 

会议最后,由中科院上海生命科学研究院副院长吴家睿研究员作了题为"系统生物学的特征与发展现状"的总结性报告。他认为,系统生物学是一个正在形成的学科,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,并分析生物系统在一定时间内的动力学过程。系统生物学的基本工作流程为:1、选择可控生物系统;2、定性和定量的测量;3、计算和数学建模。系统生物学是小科学与大科学的整合,实验科学与理论科学的整合。吴家睿研究员认为,没有一个人可以被称为完整意义上的"系统生物学家",因为这不是一个人可以胜任的工作。他介绍了上海的系统生物学研究网络,就是以上海生命科学研究院为研究平台,联合中国科学技术大学系统生物学系和上海交通大学系统生物学研究所进行合作研究。最后,他比照了物理学的发展,认为生物学正处于从经验阶段向理性阶段,实验科学向理论科学发展的转变时期,而实现这一飞跃的路径,就是系统生物学和生物信息学。

 

四、专家共识

 

与会专家们经过热烈的讨论,达成了以下共识:

 

1、作为生命科学发展的新阶段,系统生物学将对生命科学的发展和应用前景产生深远的影响,而生物信息学将在其中起到关键性的作用。可以确认的是生物信息学的工具将像遗传工程技术那样的深入到每个生物学实验室。它不但能被动地节省做分析的人力,也能主动地引入"由信息驱动的生物医学研究"。这种新的研究方式强调由数据中做观察,比较,进而提出假设,再以实验方法做验证。这种利用"数据挖掘"的研究模式,与传统实验生物学的搭配,将使我们能更有效率地发现新的现象,因此生物信息学将使我们能更早地进展到有理论架构的未来生物学。基因分析等研究为我们累积了巨量的数据,而生物信息学可协助我们利用这些数据加速做新的观察之速率,因此有机会由整体的、合成的角度检视生物学,而建立系统生物学,建立起生物学的理论架构,使传统生物学由描述性的科学,转型变成一种分析性的未来生物学。

 

2、系统生物学和生物信息学都是交叉学科,需要生物学家,计算机学家,数学家,物理学家等来自不同背景的研究人员通力合作。本次研讨会上做主题报告的十余位专家,就分别来自生物,数学,物理,计算机和电子等不同的专业背景。因此,构建一个可以让不同专业背景的研究人员相互沟通交流的平台,形成不同团体相互协调合作的机制,对于系统生物学和生物信息学的发展,是非常重要的。我们需要不断的探索发展这样的平台和机制。

 

3、系统生物学代表了未来生物科技的发展方向,在系统生物学中有了立足之地,也就在生物科技上有了一席之地。上海在生物科技上有雄厚的实力和强大的优势,在国内居于领先地位。目前上海生命科学院与上海交通大学合建了系统生物学研究所,与中国科技大学合建了系统生物学系,并与上海生物信息技术研究中心有非常好的合作互动,可以说,上海已经在系统生物学的发展上已经有了一个良好的开端和态势。建议上海加强对不同院所之间的整合,加大对系统生物学和生物信息学的重视和投入,构建一个良好的系统生物学平台,充分发挥上海在生物研究方面的优势,在未来的生物学发展中,为我国的科技事业做出更大的贡献,为人类科学发展做出更大的贡献。

 

 

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