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1、分子生物网络分析,教 师：崔 颖办公室：外语学馆412室,课程简介,分子生物网络分析课程是在分子生物学、生物信息学基础、图论和复杂网络理论基础上开展的一门生物信息学专业课，是网络科学的一个分支。通过本课程学习网络科学，复杂网络知识，了解并掌握网络拓扑的基本模型及其性质，常见分子生物学网络的特点及其构建分析的方法，培养学生分析复杂的分子生物学网络的能力，以及构建分子网络的能力。,分子生物网络分析与生物信息学,生物信息学：运用计算机技术和信息技术开发新的算法和统计方法，对生物实验数据进行分析，确定数据所含的生物学意义，并开发新的数据分析工具以实现对各种信息的获取和管理的学科。基于复杂网络模型分析生
2、物学数据，并提取生物分子之间的关系，是目前生物信息学领域的一种重要方向。,课程特点与考核,特点：涉及范围广，应用性强理论：复杂网络及分子生物网络基础、构建分析 分子生物网络的方法.实验：分子生物网络软件等授课方式：理论讲解、应用实例分析考核方式：考查课（闭卷随堂考试）课堂纪律：认真听讲、积极讨论,课程内容,参考教材,书籍,期刊：,引言,一、网络与网络科学的定义1.网络(Network)：网络是由节点集合V=v1,v2,.,vV和边集合E=e1,e2,.,eE所组成的集合N=V,E。在英文中，节点常用vertices,nodes,points等单词；边常用edges,links,lines等单词
3、。,2.网络科学(Network Science)：网络科学是研究利用网络来描述物理、生物和社会现象，建立这些现象预测模型的科学.有关原文：Logically,the notion of network science is straightforward.It is organized knowledge of networks based on their study using the scientific method.This notion is immediately valuable in that it distinguishes science from technology
4、.Throughout human history technology often evolved far earlier than the scientific knowledge on which it is based.,网络科学是一门新兴科学，研究物理、信息、生物、认知和社会网络的相互联系。这门科学领域致力于发现主导财务网络行为的普适性规律，算法和工具。美国科学院国家研究委员会把网络科学定义为“使用科学方法研究网络有组织的知识”。,网络科学的子科学包括：动态网络分析，社会网络分析，复杂网络研究，网络优化、生物网络和图论。,二、网络科学历史,来源之一：古代中国人利用网络观点研究复杂事物
5、并取得应用成果。实例：4000多年前，中国的黄帝和岐伯撰写了中华医学经典黄帝内经阐述了经络理论和针炙。,该理论认为经络遍布人本各个部位，有运送全身气血、沟通身体上下、内外之功能。穴位则是经络系统的控制机关，刺激穴位可以起调节经络系统作用。现在看来，经络系统就是利用网络观点观察复杂的人体系统并抽象而成的一种生物网络模型。,1027年，中国床朝的翰林医官王维一（约9871067）主持铸造出两具针灸铜人，它们是世界上最早的人体经络系统物理模型。每个铜人上有穴位657个，穴名354个，它们既是针炙的范本，又是医官院教学和考试的工具。这两具针炙铜人后因战乱流失。,图1.2(b)是在1745年清朝乾隆皇帝
6、下令铸造的高46厘米的针炙铜人，它的外表有用黑漆涂成的经脉连线，经脉线上分布的穴位用凿穿的小孔表示。现为上海中医药大学医学史博物馆收藏。,目前人们正深入研究经络和穴位的本质，分析针炙疗法治病的机理，利用现代科学技术，努力把它提高到一个新水平，这也是网络科学的一个重要研究课题。,人体穴位就是该网络的节点，其医疗功能不同且相互联系。根据病症选择不同的穴位进行针炙就是用物理和化学方法产生和扩散刺激的动力学过程。经络理论和针炙是网络科学初创时期有文字记载的最早的人体生物网络模型及成功的医学应用。,来源之二：瑞士数学家Leonhard Euler的研究成果。在网络科学经历了长期缓慢发展之后，Euler解
7、决了著名的“七桥问题“，建立了物理网络的数学模型，引发了网络科学的复兴。Leonhard Euler是现在公认的规则网络（Regular Network）理论和图论奠基者。,三、网络科学与多学科的交叉融合,网络社会学网络经济学系统生物学、网络生物学与网络医学万维网科学网络统计学网络科学、技术与实验,网络社会学,网络社会学：是一门以人类社会网络为研究对象的学科。它从社会学的角度研究社会网络的人际关系、行为方式、价值观念、社会结构和深化过程。网络社会学是一门全新的学科，它如此新，以至于还没有一个公认的名称。它有许多名称：Network Sociology，Web Sociology,Interne
8、t Sociology，Sociology of Cyberspace，Cyber Sociology等。,2002年，美国科学院国家研究委员会所属的人为因素委员会（CHF,Committee on Humn Factors）召开了动态网络建模和分析学术会议。在2003年，美国科学院出版社出版了文集动态社会网络建模与分析：综述与论文，对于推动网络社会学发展具有重要作用。,网络经济学,20世纪90年代，网络经济学在美国举起并繁荣，促进了当时美国经济的高增长、低通胀和低失业率。此后，网络经济在世界范围迅速发展，它对传统经济提出了巨大挑战，并正在迅速地改变着世界。电子网络与经济的结合改变了人们的生活
9、，改变了国家和世界的经济发展，改变了传统经济学，对网络经济学提出了迫切需求。,系统生物学,美国西雅图的华盛顿大学教授Leroy Hood是系统生物学创始人。2000年，他创办了系统生物学研究所，倡导在生物医学领域采用系统方法，并取得了国际同行瞩目的成就。他也曾是人类基因组计划最早的倡导者之一。他在加州理工学院工作期间，发明了DNA合成仪，DNA测序仪、蛋白质合成仪和蛋白质测序仪，并成功实现了产业化，对生物科学研究和产业发展产生了深远的影响。,网络生物学,目前，网络生物学研究的主要目标是分子和在一个活细胞中的分子之间的相互作用，了解这些分子和在他们之间的相互作用如何决定这些功能非常复杂的机制。网
10、络生物学研究表明细胞网络服从网络科学的普遍规律，它提供了一个新的重要框架，在21世纪可能引起生物学和医学的革命性变化。,2008年，美国宾夕法尼亚州立大学教授Albert在题为“生物网络：发现、分析和建模”的报告中介绍了在网络科学和系统生物学交叉领域的3个重大研究课题：网络发现、网络分析和动态网络模型。网络发现：即在一个生物实体集合中构建相互作用的网络。网络分析：即网络数据信息的收集和挖掘。动态网络模型：即建立交互网络与系统动态行为之间的关系。,网络医学,2007年，New England Journal of Medicine杂志上刊登题为“网络医学-从肥胖症到疾病组（Diseasome）”
11、的论文中指出，网络的作用不仅越来越多地影响到生物学和医学研究从疾病机理到药物发现的各个方面，还将进一步影响到医疗实践，这只是一个时间问题。这标志着一个新领域的出现，它将更确切地被称为“网络医学”。,万维网科学,2006年，Science杂志发表论文“Creating a Science of the Web”，倡导万维网科学这一新兴交叉科学。万维网科学（Web Science）：不仅是研究建立Web模型，还包括-新的Web基础标准和工程实现，以及人类如何利用其来建设现有和新的Web。万维网科学将为人类创造强大的新工具并用可视化的方式使用它。,网络统计学,网络统计学（Network Statis
12、tics）是收集分析数据和信息，提示社会网络、物理网络和生物网络数量特征和规律并提供决策支持的一门新交叉科学。网络统计学具有多学科交融特点，与传统的统计学相比，更重视研究在社会网络、经济网络、物理网络和生物网络中不同的模型、分析手段和技术，例如计算机网络等各种新型统计技术。,网络科学、技术与实验,2007年，美国科学院国家研究委员会的报告陆军网络科学技术和实验中心的政策得出的结论是，根据陆军的需要，网络科学技术和实验中心应该是是一个综合机构，由两个或三个集中设施组成，可以与各种分布式配置的下属支持单位利用网络互联。,四、网络科学研究方法及体系结构框架,网络科学研究主要方法：采用统计学的方法来收
13、集真实网络数据及实验数据，建立模型，进行仿真、分析和预测，注意克服以往一些数学家偏重对网络抽象的数学分析、较少研究真实网络的缺点，网络科学需要采用优化工具。,五、网络科学的子学科,问题“你的未来工作可能成为网络科学的组成部分吗？”2005年，对超过29个国家的23个学科和专业领域的2277名科学研究专家进行了问卷调查，结果显示有97%的被调查者认为自己的工作将来可能属于网络科学范围，还表明人们认为网络科学作为交叉科学，未来将具有广阔的研究领域。,网络百科全书指出，网络科学包括动态网络分析、社会网络分析、复杂网络研究、网络优化、网络生物和图论等6个子学科。也有学者认为网络科学包括9个子学科：生物
14、网络研究、物理网络研究、社会网络研究、复杂网络研究、动态网络分析、网络优化、网络健壮性和安全、网络统计学、图论，还有今后待扩充的“其他子学科”。这些子学科还可以进一步细分为若干下级子学科，如网络生物学可作为“生物网络”的下级子学科。,六、网络的分类方法,真实网络可粗略划分为三种类型：生物网络、物理网络和社会网络。实际上，从不同的角度出发，对网络可以有其他多种分类方法。,七、分子生物网络基础理论,分子生物网络基本概念分子生物网络分类,生命复杂性金字塔包括4个层次结构（微观）：第1层：金字塔底层，它是传统生物学对于细胞和组织最基本组成部分的描述，包括基因组、转录组、蛋白质组和代谢组。第2层：细胞和
15、组织的组件，包括遗传调控的模体及代谢路径。第3层：组织和细胞的功能模块。第4层：功能模块构成的大规模组织，其中一些具有无标度网络的特性。,还有一些是宏观层次的生物网络，例如疾病传播网络（非典型性肺炎、新型流感等），生态网络（食物链，食物网络，江河水系，雨林等）及生物群体网络（昆虫社会、野兽群体、鸟群等）。,（一）基本概念,分子生物网络(Molecular biology network),分子生物学(Molecular biology),复杂网络(Complex network),分子生物学：从分子水平上研究生命现象物质基础的学科。研究细胞成分的物理、化学的性质和变化以及这些性质和变化与生命现
16、象的关系，如遗传信息的传递，基因的结构、复制、转录、翻译、表达调控和表达产物的生理功能，以及细胞信号的转导等。复杂网络：具有自组织、自相似、吸引子、小世界、无标度中部分或全部性质的网络称为复杂网络。-钱学森,分子生物网络,分子生物网络：是指生命系统中形态与功能上特化的细胞集团之间，以及各种生物大分子在组合上相互关联的结构形式。分子生物网络相互联系并跨越生命系统各层次，使生命运动呈现组织性、确定性、稳定性、协调性的功能；分子生物网络是生命系统细胞与细胞内、外环境之间进行物质、能量、信息转换的渠道。,分子生物网络分析,分子生物网络分析：基于复杂网络的技术研究分子生物网络的结构形式，分析各组分之间的
17、调控关系、以及物质、能力、信息转换的渠道等。分子生物网络构建、分析方法，以及网络功能注释是掌握的重点。,分子生物网络的意义,现在生命科学研究主流是建立在还原论基础上的分子生物学。持有还原论的生物学家认为，只要认识了构成生命的分子基础（基因和蛋白质）就可以理解细胞或者个体的活动规律，而组分之间的相互作用常常被忽略不计。而绝大多数生物特征都来自于细胞的大量不同组合，比如蛋白质、DNA、RNA和小分子之间的交互作用。对于这些极其复杂的交互作用网络的结构和动力学的理解已经成为当今生命科学领域研究的关键。,分子生物网络基本构建方法,生物网络是描述复杂生物系统的一种有效的方法。构建的基本方法是：在网络中将
18、基因、蛋白质等生物分子化为节点，它们之间的相互作用化为网络中的边。蛋白质互作网络中，无向的连线表示两个蛋白质之间存在物理互作。基因调控网络中，节点之间的调控作用通常用带有箭头的连线来表示。,生物网络主要研究的基本性质,结构性质：基因调控网络、生物化学反应途径和网络的连接结构性质，网络中的基本结构模块或模式。,生物网络主要研究的基本性质,动态特性：生物系统随时间的演化过程和动态性质，利用动力学的分析方法研究系统的动力学规律，理解生物系统的内在动力学机制.,生物网络主要研究的基本性质,控制方法：研究正反馈、负反馈和时间延迟等控制机制在生物调控网络中的应用；,1.2 分子生物网络的分类,分子生物网络
19、的分类标准基于分子生物学的分类标准。,分子生物网络分类,基因调控网络,信号转导网络,表观遗传调控网络,疾病基因网络,代谢网络,蛋白质互作网络,1.信号传导网络,cAMP与蛋白激酶对细胞活性的影响,2.基因调控网络,2.基因调控网络,基因CYP1A2启动子区域的转录调控网络,3.蛋白质互作网络,人类蛋白质互作网络,4.代谢网络,5.疾病基因网络,6.表观遗传调控网络,小结,一、网络与网络科学的定义二、网络科学历史三、网络科学与多学科的交叉融合四、网络科学研究方法及体系结构框架（）五、网络科学的子学科（）六、网络的分类方法（）七、分子生物网络基础理论（）,思考题,网络与网络科学是一个概念吗？系统与复杂是同一个概念吗？,
