第二节 系统生物学
一、系统生物学概述
系统生物学（systems biology）诞生于三大科学方法论的基础上，是研究一个生物系统中所有组成成分（DNA、mRNA、蛋白质等）的构成以及在特定空间、时间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动力学过程的学科。
人体是一个复杂的自组织、自调节、自稳定的生物系统，该系统（整体）又分成若干个子系统（要素），比如呼吸系统、循环系统、消化系统等，每个子系统由不同的器官组成，器官由组织组成，组织由细胞组成（层级关系），各子系统之间在神经、体液调节下相互联系、相互影响而协调工作（交互作用），各子系统、器官的结构不同，执行各自的功能（分化），使机体维持健康状态（稳定性、均衡性），一旦内外环境变化超过系统自调节、自稳定（阈值）能力，就会发生结构和功能的异常，进入疾病状态，而这些变化的本质是核酸、蛋白质、脂质、糖类及其代谢产物等生物分子的代谢发生紊乱，而在健康与疾病的不同阶段，系统的结构、功能会在物质代谢的基础上发生规律性变化（动态性），系统生物学的目的就是对这些信息进行整合与干预。
二、系统生物学的灵魂——整合
系统生物学的灵魂是整合。系统生物学与各种“组学”的不同之处在于，它是一门整合型科学。首先，它要对系统内不同功能的构成要素（DNA、mRNA、蛋白质、生物小分子等）进行整合；其次，对于多细胞生物而言，需要进行从基因到细胞、到组织、到器官、到系统，个体（全身）的各个层级的整合；第三层面是研究思路和方法的整合；第四层面是学科的整合（“湿”——实验室内的研究；“干”——计算机模拟和理论分析）。
以经典的分子生物学为例，首先在DNA水平上寻找特定的基因，然后通过发现或人为诱导基因突变、进行基因敲减等手段研究该基因的功能；在基因研究的基础上，研究蛋白质的空间结构、蛋白质的修饰以及蛋白质间的相互作用等。基因组学、蛋白质组学和其他“组学”属于水平型研究，即以单一的手段同时研究成千上万个基因或蛋白质。而系统生物学的特点，则是要把水平型研究和垂直型研究（多组学、多层级）整合起来，并进行动态观察，成为一种“三维”的研究。
系统生物学还需要生命科学、信息科学、数学等各种学科交叉、共同参与。其中，计算机建模是系统生物学重要部分。一个细胞内有多个信号通路，信号通路内有多个信号分子，信号通路之间相互交叉，形成了复杂的网络关系，可以把已知的这些关系输入到计算机去建立生物系统模型。网络药理学是典型的系统生物学研究成果，它是基于系统生物学的理论，选取特定信号节点，通过计算机建模，对已知信息进行分析整合，进行靶点药物分子设计的新学科。
我们开展的绝大多数科研工作是假设驱动性的科学，即在较多已知基础上对未知做出假设，再通过研究验证假设。生命组学是一门发现的科学，通过基因组学、蛋白组学、代谢组学技术检测出疾病状态下几乎所有生物分子的异常变化。系统生物学就是把假设驱动的科学和发现的科学两者整合起来，形成一个研究闭环，包括基于数据和假设驱动的计算机造模、在此基础上进行“干”的模拟实验，再进行系统分析和理论构建，在此基础上做出预测和实验设计，开展组学技术为主的“湿”的实验室研究，应用生物信息学知识进行实验数据分析，获得的新发现再用来完善和丰富计算机模型，如此循环使系统生物学不断向前发展。
三、系统生物学的基础——信息
系统生物学的基础是信息。在前分子生物学时代，人们把生命看作是具有特殊“活力”的有机体；在分子生物学时代，人们把生命看作是精密机器；而在后基因组时代，生命则被看作是信息的载体。
根据系统论的观点，构成系统的关键不是其组成的物质，而是组成要素间的关系和/或相互作用。这些关系或者相互作用，本质上就是信息。生命系统为了维持其有序性及稳定性，必须不断地与外部环境交换物质、能量与信息。以分子生物学的中心法则来解释，基因激活后被转录成mRNA，然后在tRNA和核糖体的共同作用下，在粗面内质网上合成蛋白质，作为信号通路中分子、酶、受体、激素、离子通道等执行特定功能，蛋白质相互作用组成信号通路网络，这些网络调控细胞功能，细胞再组成组织、器官以及系统，然后再由多系统构成人体，所有生命活动都贯穿着信息流。
四、系统生物学的钥匙——干涉
系统生物学是一门实验科学，一方面要了解生物系统的结构组成，另一方面要揭示系统的行为方式，后者更为重要。系统生物学的钥匙是干涉（perturbation），即所研究对象并非一种静态的结构，而是要在控制的状态下，揭示特定的生命系统在不同的条件和时间里的动力学特征。控制论中提到的黑箱理论主要依靠干涉来分析其输入-输出信息。基础研究中常通过增强或阻断某条信号通路，或者敲除某个基因从而对正常信号通路进行干涉，以验证某个因素对该通路的影响。而在医学研究中，往往是系统的、定向的、高通量的干涉和分析，因为即使只有一个药物进入人体，也会影响多个信号通路的活动。
五、系统生物学的基本方法——组学
系统生物学最基本的方法是组学，大发现时代的生命组学（life omics）是以组学的策略、技术和思路来研究生命体发育、组成、代谢和疾病等规律的一门综合性学科，以基因组学、转录组学和蛋白质组学为基础，囊括了包括脂质组学、糖组学、代谢组学、微生物组学等组学范畴。组学是有时序性的，首先基因激活后转录，随后翻译成蛋白质，蛋白质调控机体的代谢，在代谢基础上影响功能。同时，组学是“分层”的，在组学相关研究中不同的状态其组学变化不同，因此“过程和环节”至关重要。如同一疾病的不同阶段——潜伏期、前驱期、临床期、恢复期，组学结果均有差异。