第0章 生物網絡引言課件

分子生物網絡分析教師：崔穎辦公室：外語學館412室E-mail:ying.第0章生物網絡引言課程簡介分子生物網絡分析課程是在分子生物學、生物信息學基礎、圖論和復雜網絡理論基礎上開展的一門生物信息學專業(yè)課，是網絡科學的一個分支。通過本課程學習網絡科學，復雜網絡知識，了解并掌握網絡拓撲的基本模型及其性質，常見分子生物學網絡的特點及其構建分析的方法，培養(yǎng)學生分析復雜的分子生物學網絡的能力，以及構建分子網絡的能力。第0章生物網絡引言分子生物網絡分析與生物信息學生物信息學：運用計算機技術和信息技術開發(fā)新的算法和統計方法，對生物實驗數據進行分析，確定數據所含的生物學意義，并開發(fā)新的數據分析工具以實現對各種信息的獲取和管理的學科?；趶碗s網絡模型分析生物學數據，并提取生物分子之間的關系，是目前生物信息學領域的一種重要方向。第0章生物網絡引言課程特點與考核特點：涉及范圍廣，應用性強理論：復雜網絡及分子生物網絡基礎、構建分析分子生物網絡的方法.實驗：分子生物網絡軟件等授課方式：理論講解、應用實例分析考核方式：考查課（閉卷隨堂考試2013.7.1）課堂紀律：認真聽講、積極討論第0章生物網絡引言課程內容網絡綜合分析表觀遺傳網絡代謝網絡信號傳導網絡疾病基因網絡基因調控網絡網絡基礎知識概論課程內容表觀遺傳網絡代謝網絡信號傳導網絡概論網絡綜合分析表觀遺傳網絡代謝網絡信號傳導網絡概論第0章生物網絡引言參考教材書籍第0章生物網絡引言期刊：第0章生物網絡引言引言一、網絡與網絡科學的定義1.網絡(Network)：網絡是由節(jié)點集合V={v1,v2,..,vV}和邊集合E={e1,e2,...,eE}所組成的集合N={V,E}。在英文中，節(jié)點常用vertices,nodes,points等單詞；邊常用edges,links,lines等單詞。第0章生物網絡引言2.網絡科學(NetworkScience)：網絡科學是研究利用網絡來描述物理、生物和社會現象，建立這些現象預測模型的科學.有關原文：

Logically,thenotionofnetworkscienceisstraightforward.Itisorganizedknowledgeofnetworksbasedontheirstudyusingthescientificmethod.Thisnotionisimmediatelyvaluableinthatitdistinguishessciencefromtechnology.Throughouthumanhistorytechnologyoftenevolvedfarearlierthanthescientificknowledgeonwhichitisbased.第0章生物網絡引言網絡科學是一門新興科學，研究物理、信息、生物、認知和社會網絡的相互聯系。這門科學領域致力于發(fā)現主導財務網絡行為的普適性規(guī)律，算法和工具。美國科學院國家研究委員會把網絡科學定義為“使用科學方法研究網絡有組織的知識”。網絡科學的子科學包括：動態(tài)網絡分析，社會網絡分析，復雜網絡研究，網絡優(yōu)化、生物網絡和圖論。第0章生物網絡引言二、網絡科學歷史來源之一：古代中國人利用網絡觀點研究復雜事物并取得應用成果。實例：4000多年前，中國的黃帝和岐伯撰寫了中華醫(yī)學經典《黃帝內經》闡述了經絡理論和針炙。該理論認為經絡遍布人本各個部位，有運送全身氣血、溝通身體上下、內外之功能。穴位則是經絡系統的控制機關，刺激穴位可以起調節(jié)經絡系統作用。現在看來，經絡系統就是利用網絡觀點觀察復雜的人體系統并抽象而成的一種生物網絡模型。第0章生物網絡引言第0章生物網絡引言1027年，中國床朝的翰林醫(yī)官王維一（約987~1067）主持鑄造出兩具針灸銅人，它們是世界上最早的人體經絡系統物理模型。每個銅人上有穴位657個，穴名354個，它們既是針炙的范本，又是醫(yī)官院教學和考試的工具。這兩具針炙銅人后因戰(zhàn)亂流失。第0章生物網絡引言圖1.2(b)是在1745年清朝乾隆皇帝下令鑄造的高46厘米的針炙銅人，它的外表有用黑漆涂成的經脈連線，經脈線上分布的穴位用鑿穿的小孔表示。現為上海中醫(yī)藥大學醫(yī)學史博物館收藏。第0章生物網絡引言目前人們正深入研究經絡和穴位的本質，分析針炙療法治病的機理，利用現代科學技術，努力把它提高到一個新水平，這也是網絡科學的一個重要研究課題。人體穴位就是該網絡的節(jié)點，其醫(yī)療功能不同且相互聯系。根據病癥選擇不同的穴位進行針炙就是用物理和化學方法產生和擴散刺激的動力學過程。經絡理論和針炙是網絡科學初創(chuàng)時期有文字記載的最早的人體生物網絡模型及成功的醫(yī)學應用。第0章生物網絡引言來源之二：瑞士數學家LeonhardEuler的研究成果。在網絡科學經歷了長期緩慢發(fā)展之后，Euler解決了著名的“七橋問題“，建立了物理網絡的數學模型，引發(fā)了網絡科學的復興。LeonhardEuler是現在公認的規(guī)則網絡（RegularNetwork）理論和圖論奠基者。第0章生物網絡引言第0章生物網絡引言三、網絡科學與多學科的交叉融合網絡社會學網絡經濟學系統生物學、網絡生物學與網絡醫(yī)學萬維網科學網絡統計學網絡科學、技術與實驗第0章生物網絡引言網絡社會學網絡社會學：是一門以人類社會網絡為研究對象的學科。它從社會學的角度研究社會網絡的人際關系、行為方式、價值觀念、社會結構和深化過程。網絡社會學是一門全新的學科，它如此新，以至于還沒有一個公認的名稱。它有許多名稱：NetworkSociology，WebSociology,InternetSociology，SociologyofCyberspace，CyberSociology等。第0章生物網絡引言2002年，美國科學院國家研究委員會所屬的人為因素委員會（CHF,CommitteeonHumnFactors）召開了動態(tài)網絡建模和分析學術會議。在2003年，美國科學院出版社出版了文集《動態(tài)社會網絡建模與分析：綜述與論文》，對于推動網絡社會學發(fā)展具有重要作用。第0章生物網絡引言第0章生物網絡引言網絡經濟學20世紀90年代，網絡經濟學在美國舉起并繁榮，促進了當時美國經濟的高增長、低通脹和低失業(yè)率。此后，網絡經濟在世界范圍迅速發(fā)展，它對傳統經濟提出了巨大挑戰(zhàn)，并正在迅速地改變著世界。電子網絡與經濟的結合改變了人們的生活，改變了國家和世界的經濟發(fā)展，改變了傳統經濟學，對網絡經濟學提出了迫切需求。第0章生物網絡引言系統生物學美國西雅圖的華盛頓大學教授LeroyHood是系統生物學創(chuàng)始人。2000年，他創(chuàng)辦了系統生物學研究所，倡導在生物醫(yī)學領域采用系統方法，并取得了國際同行矚目的成就。他也曾是人類基因組計劃最早的倡導者之一。他在加州理工學院工作期間，發(fā)明了DNA合成儀，DNA測序儀、蛋白質合成儀和蛋白質測序儀，并成功實現了產業(yè)化，對生物科學研究和產業(yè)發(fā)展產生了深遠的影響。第0章生物網絡引言第0章生物網絡引言網絡生物學目前，網絡生物學研究的主要目標是分子和在一個活細胞中的分子之間的相互作用，了解這些分子和在他們之間的相互作用如何決定這些功能非常復雜的機制。網絡生物學研究表明細胞網絡服從網絡科學的普遍規(guī)律，它提供了一個新的重要框架，在21世紀可能引起生物學和醫(yī)學的革命性變化。第0章生物網絡引言2008年，美國賓夕法尼亞州立大學教授Albert在題為“生物網絡：發(fā)現、分析和建模”的報告中介紹了在網絡科學和系統生物學交叉領域的3個重大研究課題：網絡發(fā)現、網絡分析和動態(tài)網絡模型。網絡發(fā)現：即在一個生物實體集合中構建相互作用的網絡。網絡分析：即網絡數據信息的收集和挖掘。動態(tài)網絡模型：即建立交互網絡與系統動態(tài)行為之間的關系。第0章生物網絡引言網絡醫(yī)學2007年，《NewEnglandJournalofMedicine》雜志上刊登題為“網絡醫(yī)學-----從肥胖癥到‘疾病組（Diseasome）’”的論文中指出，網絡的作用不僅越來越多地影響到生物學和醫(yī)學研究從疾病機理到藥物發(fā)現的各個方面，還將進一步影響到醫(yī)療實踐，這只是一個時間問題。這標志著一個新領域的出現，它將更確切地被稱為“網絡醫(yī)學”。第0章生物網絡引言萬維網科學2006年，《Science》雜志發(fā)表論文“CreatingaScienceoftheWeb”，倡導萬維網科學這一新興交叉科學。萬維網科學（WebScience）：不僅是研究建立Web模型，還包括------新的Web基礎標準和工程實現，以及人類如何利用其來建設現有和新的Web。萬維網科學將為人類創(chuàng)造強大的新工具并用可視化的方式使用它。第0章生物網絡引言第0章生物網絡引言網絡統計學網絡統計學（NetworkStatistics）是收集分析數據和信息，提示社會網絡、物理網絡和生物網絡數量特征和規(guī)律并提供決策支持的一門新交叉科學。網絡統計學具有多學科交融特點，與傳統的統計學相比，更重視研究在社會網絡、經濟網絡、物理網絡和生物網絡中不同的模型、分析手段和技術，例如計算機網絡等各種新型統計技術。第0章生物網絡引言第0章生物網絡引言網絡科學、技術與實驗2007年，美國科學院國家研究委員會的報告‘陸軍網絡科學技術和實驗中心的政策’得出的結論是，‘根據陸軍的需要，網絡科學技術和實驗中心應該是是一個綜合機構，由兩個或三個集中設施組成，可以與各種分布式配置的下屬支持單位利用網絡互聯’。第0章生物網絡引言四、網絡科學研究方法及體系結構框架網絡科學研究主要方法：采用統計學的方法來收集真實網絡數據及實驗數據，建立模型，進行仿真、分析和預測，注意克服以往一些數學家偏重對網絡抽象的數學分析、較少研究真實網絡的缺點，網絡科學需要采用優(yōu)化工具。第0章生物網絡引言第0章生物網絡引言五、網絡科學的子學科問題“你的未來工作可能成為網絡科學的組成部分嗎？”2005年，對超過29個國家的23個學科和專業(yè)領域的2277名科學研究專家進行了問卷調查，結果顯示有97%的被調查者認為自己的工作將來可能屬于網絡科學范圍，還表明人們認為網絡科學作為交叉科學，未來將具有廣闊的研究領域。第0章生物網絡引言第0章生物網絡引言網絡百科全書指出，網絡科學包括動態(tài)網絡分析、社會網絡分析、復雜網絡研究、網絡優(yōu)化、網絡生物和圖論等6個子學科。也有學者認為網絡科學包括9個子學科：生物網絡研究、物理網絡研究、社會網絡研究、復雜網絡研究、動態(tài)網絡分析、網絡優(yōu)化、網絡健壯性和安全、網絡統計學、圖論，還有今后待擴充的“其他子學科”。這些子學科還可以進一步細分為若干下級子學科，如網絡生物學可作為“生物網絡”的下級子學科。第0章生物網絡引言第0章生物網絡引言六、網絡的分類方法真實網絡可粗略劃分為三種類型：生物網絡、物理網絡和社會網絡。實際上，從不同的角度出發(fā)，對網絡可以有其他多種分類方法。第0章生物網絡引言第0章生物網絡引言第0章生物網絡引言七、分子生物網絡基礎理論分子生物網絡基本概念分子生物網絡分類第0章生物網絡引言第0章生物網絡引言生命復雜性金字塔包括4個層次結構（微觀）：第1層：金字塔底層，它是傳統生物學對于細胞和組織最基本組成部分的描述，包括基因組、轉錄組、蛋白質組和代謝組。第2層：細胞和組織的組件，包括遺傳調控的模體及代謝路徑。第3層：組織和細胞的功能模塊。第4層：功能模塊構成的大規(guī)模組織，其中一些具有無標度網絡的特性。第0章生物網絡引言還有一些是宏觀層次的生物網絡，例如疾病傳播網絡（非典型性肺炎、新型流感等），生態(tài)網絡（食物鏈，食物網絡，江河水系，雨林等）及生物群體網絡（昆蟲社會、野獸群體、鳥群等）。第0章生物網絡引言（一）基本概念分子生物網絡(Molecularbiologynetwork)分子生物學(Molecularbiology)復雜網絡(Complexnetwork)第0章生物網絡引言分子生物學：從分子水平上研究生命現象物質基礎的學科。研究細胞成分的物理、化學的性質和變化以及這些性質和變化與生命現象的關系，如遺傳信息的傳遞，基因的結構、復制、轉錄、翻譯、表達調控和表達產物的生理功能，以及細胞信號的轉導等。復雜網絡：具有自組織、自相似、吸引子、小世界、無標度中部分或全部性質的網絡稱為復雜網絡。-錢學森

第0章生物網絡引言分子生物網絡分子生物網絡：是指生命系統中形態(tài)與功能上特化的細胞集團之間，以及各種生物大分子在組合上相互關聯的結構形式。分子生物網絡相互聯系并跨越生命系統各層次，使生命運動呈現組織性、確定性、穩(wěn)定性、協調性的功能；分子生物網絡是生命系統細胞與細胞內、外環(huán)境之間進行物質、能量、信息轉換的渠道。第0章生物網絡引言分子生物網絡分析分子生物網絡分析：基于復雜網絡的技術研究分子生物網絡的結構形式，分析各組分之間的調控關系、以及物質、能力、信息轉換的渠道等。分子生物網絡構建、分析方法，以及網絡功能注釋是掌握的重點。第0章生物網絡引言分子生物網絡的意義現在生命科學研究主流是建立在還原論基礎上的分子生物學。持有還原論的生物學家認為，只要認識了構成生命的分子基礎（基因和蛋白質）就可以理解細胞或者個體的活動規(guī)律，而組分之間的相互作用常常被忽略不計。而絕大多數生物特征都來自于細胞的大量不同組合，比如蛋白質、DNA、RNA和小分子之間的交互作用。對于這些極其復雜的交互作用網絡的結構和動力學的理解已經成為當今生命科學領域研究的關鍵。第0章生物網絡引言分子生物網絡基本構建方法生物網絡是描述復雜生物系統的一種有效的方法。構建的基本方法是：在網絡中將基因、蛋白質等生物分子化為節(jié)點，它們之間的相互作用化為網絡中的邊。蛋白質互作網絡中，無向的連線表示兩個蛋白質之間存在物理互作?；蛘{控網絡中，節(jié)點之間的調控作用通常用帶有箭頭的連線來表示。第0章生物網絡引言生物網絡主要研究的基本性