系统生物学

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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、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。

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。这些通常涉及代谢网络或细胞信号传送网络。

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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。

## 历史

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PubMed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世纪初，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和分子系统生物学时期。随着国际和国内各大系统与合成生物学、系统遗传学等研究机构的相继建立，系统生物学逐渐步入了系统生命科学时代。

2001年第二届国际系统生物学大会（2nd International Conference on Systems Biology；ICSB 2001）对“系统生物学”的定义为：系统生物学是对生物体整体过程进行全面性定量研究，研究的对象并非生物体的某一特定部分。其目标在于建立能够通过实验验证的模型，以预测生物体的表现。简而言之，这一研究方法结合了信息科学与微机电工程技术，致力于解决生物学问题，并期望通过计算机模拟结果，预测细胞、器官、系统乃至整个生物体的行为。

最先把DNA测序自动化，同时也是1985年首先推动基因体计划的科学家之一的勒罗伊·胡德（Leroy Hood）博士2000年最早建立系统生物学研究所，并认为系统生物学是研究一个生物系统内所有组成分的构成，以及在特定条件下这些组成分相互关系的学科。并在2000年1月与阿兰·阿德雷姆及鲁迪·艾伯索尔德等学者创立一个非营利性质的研究机构：系统生物学研究所（Institute for Systems Biology），致力于系统生物学在生命科学相关领域的研究与应用。

勒罗伊·胡德博士于2001年3月访问台湾时，曾对系统生物学作出如下描述：系统生物学旨在整合DNA、RNA、蛋白质及其相互作用等多方面信息，进而利用这些数据构建数学模型，以期全面理解生物基因与组织之间的关系与功能。因此，系统生物学的研究流程通常包括获取一个生物体、组织或细胞系统，识别其中的各种内部因素，整合DNA、RNA与蛋白质之间的相互作用与信息网络，进而开发出描述系统结构与行为的数学模型。最终，通过这一模型，系统可自动执行所需的功能。总之，系统生物学融合了多个学科领域，通过跨学科的协作，针对特定生物现象进行深入研究。

而北野宏明（Hiroaki Kitano）博士认为系统生物学的研究可以包含四大部分，分别利用资讯科学、分析、技术、基因组学四者形成环型而连续的关系，建立出一个新的研究模式，并且利用这一模式所发展的一系列的工具来解决生物学家所面临的研究问题。

2008年美国NIH设立肿瘤的系统遗传学研究专项基金。

## 相关领域

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根据使用跨学科工具从多个实验中获得，整合和分析复杂数据集的能力的系统生物学解释，一些典型的技术平台包括：

- 表型组学

在生物体表型变化，因为它在其寿命的变化。

- 基因组学
- 表观遗传学
- 转录组

在有机体的，组织的或细胞水平上的基因表现的量测，通过DNA微阵列或基因表达系列分析。

- 蛋白质组学

子领域包括磷酸化蛋白质组学，与糖基化蛋白质组学。

- 代谢物组学

在有机体的，组织的或细胞水平上的被称为代谢产物的小分子的量测。

- 糖组学

在有机体的，组织的或细胞水平上的糖类的量测。

- 脂类组学(Lipidomics)

在有机体的，组织的或细胞水平上的脂质的量测。

- 多组学(Multiomics)

除了上述给定分子的识别和量化之外，进一步的技术还分析细胞内的动力学和相互作用。这包括：

- 相互作用组学（Interactomics）

在有机体的，组织的或细胞水平上的分子间相互作用的研究。

- 代谢流组学（Fluxomics）

在有机体的，组织的或细胞水平上的分子随时间变化的动态变化的量测。

- 生物组学（Biomics）。

生物群系的系统分析。

## 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。

## 外部链接

- 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 - 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
- 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.
- 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
- The First International Conference on Systems Biology (ICSB)