细胞中的蛋白质,DNA,和RNA之间的相互作用网络执行着并决定了细胞中的生物功能.相对于较为稳定的基因组,细胞调控网络针对不同的环境信号,通过不同的蛋白质的状态不断变化产生反应,完成细胞生长,繁殖,分化,发育等生理功能,即通过动力学过程完成生物学功能.1引言系统生物学的研究可以分为以下几个层次:数据收集,分析;生物网络的建立;基于生物网络的理论模型建立;生物网络的拓扑与动力学性质;生物网络行为的预测与控制;生物网络的演化,设计原则,新网络或人工基因调控回路的设计细胞调控网络的系统生物学研究细胞调控网络的系统生物学研究方法:把细胞内基因,mRNA,蛋白质,生物小分子等不同组分和它们之间的复杂相互作用整合简化为网络;建立理论模型,研究网络的结构与动力学性质及其间的关系,以及网络作为整体所呈现的协同作用;提出理论预言,进行科学假设驱动下的实验研究细胞调控网络的系统生物学研究意义:在了解生物网络基本规律的基础上可以开展基于网络的疾病机理研究和药物设计等相关应用研究.生物分子医学:基因诊断,基因治疗等2细胞调控网络的特性,研究方法和研究领域2.1蛋白质网络和基因调控网络及其整体特性生物系统的网络表示2.1a海胆endo16基因调控序列的蛋白质-DNA相互作用图谱2.1b模块A和模块B之间的调控逻辑模型图2.2b调控芽殖酵母生命周期过程的调控网络2.2a蛋白质-蛋白质相互作用图谱2.2b细胞周期调控网络进一步研究发现,越是古老的蛋白,越具有高的连接度,这说明蛋白质网络结构上的无尺度网络分布性质可能与基因调控网络的形成和进化存在着一定的联系复杂网络的构建原则-网络基元(networkmotif)Threechainmotif大肠杆菌有3种调控网络motif:前馈回路(FeedForwardLoop,FFL)单输入motif(SingleInputMotif,SIM)密集重叠调控(DenseOverlappingRegulon,DOR);而对于啤酒酵母转录调控网络,人们提出了6种网络motif:自调控(Auto-regulation)多组件回路(Multi-ComponentLoop)前馈回路(FeedForwardLoop,FFL)单输入motif(SingleInputMotif,SIM)多输入motif(Multi-InputMotif)调控链(RegulatorChain)。啤酒酵母转录调控网络的6种motif网络基元是搭建网络的基本砖块,而自然界中的复杂网络是自组织形成的,那么自然界中的网络基元是怎样产生的,又是怎样被自然界选择并保留下来的呢?W.Banzhaf等认为基元的产生可能与基因的复制/分歧(duplication/divergence)有关.细胞调控网络具备的整体性质通过网络的结构性质来实现鲁棒性通过网络的动力学性质来实现稳定性生物网络的动力学性质动力学研究方法图2.3动力学研究方法Whereassinglegenescanbemodeledinmoleculardetailwithstochasticsimulations(leftcolumn),adifferentialequationrepresentationofgenedynamicsismorepracticalwhenturn-ingtocircuitsofgenes(centerleftcolumn).ApproximatinggenedynamicsbyswitchlikeON/OFFbehaviorallowsmodelingofmidsizedgeneticcircuits(centerrightcolumn)andstillfaithfullyrepresentstheoveralldynamicsofthebiologicalsystem.Largegeneticnetworksarecurrentlyoutofreachforpredictivesimulations.However,moresimplifieddynamics,suchaspercolatingflowsacrossanetworkstructure,canteachusaboutthefunctionalstructureofalargenetwork(rightcolumn)动力学研究方法连续变量微分方程组模型优点:缺点:离散模型离散模型的优点离散模型的缺点随机过程模型流平衡分析法(fluxbalanceanalysisFBA)和最小端路径3酵母细胞周期和生命周期网络的动力学稳定性3.1芽殖酵母细胞周期蛋白质网络图3.1a)Thebuddingyeastranscriptioncycleisac