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中医药系统生物学研究现状评析
运用系统生物学的思路和方法 是中医药研究的重要策略之一.基于转录组学、蛋白质组学、代谢组学分析的中医证候和中药药理研究,是目前中医药系统生物学研究的主要内容.通过对该项研究的简要回顾,指出了存在的一些问题,如研究内容仅为差异组学分析,结果 多为表象性描述,实验设计也有不完善之处等.针对问题,提出了一些可能的对象,包括应重视持续深入研究,整合各种组学、分子生物学和生物信息学等技术,完善实验设计等,以深入阐明中医药理论.
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一种基于多agent系统的生化系统分布式随机仿真算法
系统生物学关注于对生化反应网络进行定量的数学建模和计算机仿真,这是理解生化网络的拓扑结构和动态行为的主要手段.Gillespie的随机仿真算法(SSA)是仿真均匀生化反应系统的一种标准的算法,而SSA算法大的问题在于计算代价过高.基于并行思想提出一种基于多agent系统实现的分布式随机仿真算法(DSSA),利用分布式计算来提高SSA算法的计算性能,为建模与仿真大规模生化反应系统提供了一种有效的方式.实验显示DSSA算法在时间性能上带来显著的提升.
关键词: 系统生物学 随机仿真算法 多agents分布式仿真 -
复杂性状疾病的系统生物学研究
复杂性状疾病,即多基因病,其发生发展是基因,蛋白质,代谢分子,环境等众多因素相互作用的结果,仅仅从基因或蛋白等单层次研究已不能解释其发病规律.系统生物学的出现为从整体出发研究复杂性状疾病提供了新的视角和机会.本文主要介绍系统生物学概况和在复杂性状疾病研究中的应用.
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微小RNA活性分析法筛选前列腺癌去势抵抗转化相关微小RNA的实验研究
目的 探讨微小RNA(miRNA)活性分析法筛选前列腺癌去势抵抗转化相关miRNA的效率.方法 应用miRNA活性分析法筛选出在前列腺癌去势抵抗过程中潜在的发挥活性作用的miRNAs.培养人激素敏感型前列腺癌LNCAP细胞(对照组)及人去势抵抗型前列腺癌C4-2细胞(C4-2组)、PC-3细胞(PC-3组)、DU-145细胞(DU-145组),提取各组细胞总RNA,采用实时荧光定量PCR(qPCR)检测miRNAs,比较各组细胞miRNAs的表达情况.结果 应用miRNA活性分析法,依据筛选流程,共选出9个差异表达的miRNAs,分别为miR-1、miR-122、miR-218、miR-145、miR-155、miR-210、miR-197、miR-346、let-7b.采用qPCR检测这9个miRNAs,结果显示,7个miRNAs在两种不同状态下的前列腺癌细胞中存在差异表达;在不同去势抵抗型前列腺癌细胞中,miR-210、miR-197、miR-346、miR-218均明显高表达,而miR-122、miR-145、let-7b均明显低表达.结论 采用miRNA活性分析法筛选前列腺癌去势抵抗转化相关miRNA,有着较高的准确性与可信度;其具体转化过程还需进一步证实.
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代谢性心血管病变-生物信息学的应用
随着高通量生物学技术在生物医学研究中的广泛应用,生物信息学在生物医学研究中的应用也越来越广泛.在代谢性心血管病变研究中,从DNA到RNA,从蛋白质到小分子,再到系统水平,都能找到生物信息学成功应用的证据.本章将简要介绍DNA、RNA、蛋白质、药物、生物网络等各层面具有代表性的生物信息学方法和工具在代谢性心血管病变研究中的应用.
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网络药理学与药物发现研究进展
将生物学网络与药物作用网络整合,分析药物在网络中与节点或网络模块的关系,由寻找单一靶点转向综合网络分析,就形成了网络药理学.通过系统生物学的研究方法进行网络药理学分析,能够在分子水平上更好的理解细胞以及器官的行为,加速药物靶点的确认以及发现新的生物标志物.这使得我们有可能系统地预测和解释药物的作用,优化药物设计,发现影响药物作用有效性和安全性的因素,从而设计多靶点药物或药物组合.本文综述了网络药理学的新近研究进展,介绍在生物学网络的各个层面上网络药理学的研究和应用,展望网络药理未来的发展方向,对药物发现具有重要意义.
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系统生物学--从生物分子到机体反应过程
目录一、后基因组时代二、老生常谈的问题--定量问题三、模型与模拟四、从何着手五、结论2003年9月15日,美国国立卫生研究院(NIH)的官方网站上发布了这样一组消息和相关评论(Changing the face of biology: NIGMS funds centers of excellence at Harvard and MIT seeking to unravel the complexities of living systems. http:∥www. nigms.nih. gov/news/releases/complex_centers-2003. html):NIH将在今后的五年年中设立两个总量约3100百万美元的特别基金用来资助哈佛大学(Harvard)和美国麻省理工学院(MIT)各自建立一个具有试点性质的研究中心(Center of Excellence).
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利用决策森林构建复杂疾病驱动的基因网络
目前,癌症、糖尿病、心脏病、高血压等复杂疾病严重危害着人类的生命和健康,这些疾病并不是由孤立的单个基因发生改变所致,而是多基因联合作用的结果.从系统生物学的角度出发,针对以往基因网络重构算法非疾病驱动的问题,提出了一种利用决策森林构建复杂疾病驱动的基因网络的算法,着重关注基因间的协同作用与复杂疾病发病机理的关系.通过对结肠癌基因芯片数据的分析,识别出66个与结肠癌显著关联的基因互作,其中大部分互作关系参与细胞增殖、细胞凋亡、细胞分化、有丝分裂和免疫等与癌症密切相关的生物过程中.该方法从基因互作和通路的角度为系统研究疾病的遗传复杂性提供了一个崭新的思路.
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膜结合细胞因子与前馈调节
反馈和前馈是控制系统的基本过程,在生命系统中广泛存在.反馈概念在生命科学中已经广泛使用.神经生理学中的前馈调节已进行了系统研究,而在细胞和分子生物学领域对前馈调节的研究则方兴未艾.作者根据该研究组对膜结合型巨噬细胞集落刺激因子(mM-CSF)的多年研究,提出mM-CSF作用机制的前馈调节假设,为mM-CSF在白血病和实体瘤中作用机制的研究开拓了新的方向,可能对其他膜结合因子的作用机制研究有所启迪.
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体外免疫原快速激活全血细胞固有免疫反应系统模式的应用
血液循环的血液固有免疫系统由血浆补体固有免疫子系统、红细胞固有免疫子系统、血小板固有免疫子系统和白细胞固有免疫子系统构成~([1]).若采用系统生物学的复杂理论和数学公式计算探讨这些子系统之间的网络关系,则必须通过在体外建立系统模式进行系统免疫学实验研究~([2]).
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中国生物样本库向标准化迈进
过去一百多年,各国对肿瘤浩浩荡荡的研究并没有取得突破性进展,就如 Leaf[1]在2004年Fortune所提到:“Why We’re Losing the War on Cancer -- and How to Win it?”。近10多年来,基因组学、功能基因组学、高通量生物芯片、新一代测序及生物信息学、高通量 RNAi等前沿技术的迅猛发展,国际癌症基因组(ICGC)项目的启动[2],使得我们将有机会看清肿瘤的全貌,一直在不断重演的“盲人摸象”式研究的历史有望结束。现在,肿瘤已被认为是一个系统性疾病,是全身代谢障碍的局部表现,研究者必须注重应用系统生物学的原理指导肿瘤诊治的研究。系统生物学的发展使得3P医学[预测(Prediction)、预防(Prevention或干预 Preemptive)、个性化治疗(Personalized therapy)]应运而生,分子水平的早期诊断、药物靶点的发现面临前所未有的机遇。今年初,奥巴马提出精准医学,即基于基因组学的个性化医学,受到各国政府、科学界、医学界与产业界的高度关注,我国政府到2030年预计总投入600亿人民币开展精准医学研究与实践。其实,我国在这一领域经过10余年的拼搏已进入世界先进行列,中国癌症基因组(CCGC)项目于2010年1月也正式启动,我们都身临其境,深深地感受着这个时代的巨大变革并见证这个“不朽的传奇(An enduring legacy)”。
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崭新的系统血液固有免疫学研究
系统免疫学是新的免疫学研究领域,指在系统生物学更广阔的范围,从复杂系统工程的角度,对免疫系统的不同子系统与组成之间,研究在对免疫原的系统免疫反应中各自如何发挥免疫功能以及相关的网络调控机制的一门学科,可用多种相应的数学公式与相关软件进行深入探讨~([1-3]).
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抗原激活红细胞调控系统血液免疫反应IL-8含量变化体外实验方法建立
癌细胞可被红细胞包绕形成花环的现象说明红细胞在癌细胞系统血液免疫反应中的地位[1-2],按系统生物学观点思考,认为在此血液免疫反应体系中存在4个要素:抗原、血浆、红细胞、白细胞,在一系列连锁免疫反应过程中必有种种产物出现,测定这些免疫反应产物有可能阐明红细胞在系统血液免疫反应中调控白细胞免疫功能的重要作用.
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免疫组学:21世纪免疫学家的新挑战
编者按随着人类基因组计划的完成,诞生了新的免疫学前沿分支学科--免疫组学(Immunomics),为免疫学的快速发展发挥了重要作用.免疫组学重点研究免疫相关的全套分子、它们的作用靶分子及其功能.免疫组学包括了免疫基因组学(Immunogenomics)、免疫蛋白质组学(Immunoproteomics)和免疫信息学(Immunoinformatics)三方面的研究,特别强调在基因组学和蛋白质组学研究的基础上,充分利用生物信息学、生物芯片、系统生物学、结构生物学、高通量筛选等技术,大规模开展免疫系统和免疫应答分子机理研究,发现新免疫相关分子的功能,为全面系统了解免疫系统和免疫应答提供基础.作者对上述方面作了有重点的论述,我们刊登此文,希望我国免疫学工作者重视免疫组学研究,抓住机遇,发挥各自的优势,开展具有我国特色的各项研究,为免疫组学的研究与开发做出贡献.
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急性心肌梗死早期基因表达和代谢调控网络扰动的可视化研究
目的 应用系统生物学方法,研发一种基于转录组表达谱的基因网络可视化工具,以直观显示急性心肌梗死后早期的转录组和代谢调控的整体变化.方法 在美国国立卫生研究中心(NCBI) GEO数据库下载编号为GDS2331的一个急性心肌梗死后大鼠心脏左心室的基因芯片表达文件,其平台编号为GPL83.筛选实验时间在15 min,60 min,4h,12h,24和48 h的假手术和急性心肌梗死模型亚组数据,利用Mathwork bioinformatics toolbox工具包将数据转化为计算机可读的结构体.利用模式识别算法剔除表达背景噪声;后获得心肌梗死建模后表达模式扰动明显的基因谱.利用K-mean算法对这些基因进行分类,并进行基因本体分析(gene ontology,GO).进而将有关通路标定在京都基因和基因组百科数据库(kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)中,形成基因组-表达谱系统分析.结果 共有1400个基因被筛选出来.在损伤后的前48 h,这些基因的变化模式可归为16类.根据可以获得基因本体分析发现:在生物学过程上,心肌梗死后早期调控发生改变主要和发育基因相关,其中主要包括蛋白激酶B信号传导途径,中枢神经系统发育途径,以及cytochalasin B调控相关途径.在分子功能上,这些功能主要和磷酸化,肌动蛋白的结合以及核酸的配对解离有关.在细胞成分上,主要与细胞内外膜相结构之间的联系、高尔基复合体、出胞作用、以及细胞骨架特别是dynactin complex等结构有关.KEGG作图标记可显示在分子调控传导路径当中,受到影响的基因很可能通过该传导通路的上下游分子进行调控.如以肌动蛋白为核心的细胞骨架信息传导途径的调控中,GF RTK Vav/tiam Rac mlCK Myosin整个调控途径中的分子都有相同的调控模式.结论 利用系统生物学技术可以实现急性心肌梗死后基因表达波动模式的可视化描述.这些模式可以反映基因表达在不同时间点质和量上的表达差异.结合Geneontology的基因语义功能学上的研究和基于KEGG的作图法是一种有力的联合分析工具,前者可以直观的展示扰动的基因在功能上的共同点,后者可以显示在特定细胞网络中哪些基因受到了影响.
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代谢组学与运动疗法的研究策略
代谢组学包括组织细胞代谢组(metabolome)和系统整体代谢组(metabonome)[1],是自人类基因组计划(humangenome project,HGP)以来迅速发展起来的以组群指标分析为基础、以高通量(high-throughput)检测和数据处理为手段、以信息建模与系统整合为目标的系统生物学(systembjology)的新兴学科[1-3].运动疗法研究热点之一是代谢调节,其主要特点是对机体的整体调节,但整体调节的具体机制尚未阐明.在运动医学领域进行代谢组调节的研究可能为阐明运动疗法的整体调节机制提供新的思路和研究策略.
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系统生物学在腹膜纤维化研究中的应用
腹膜纤维化(peritoneal fibrosis,PF)有复杂的发病机制,涉及内部和外部因素的相互作用.目前,我们还没有足够的敏感和特异性的试验来检测早期的腹膜纤维化,预测纤维化的进展并监测治疗反应.系统生物学在过去10年因为开发了新的实验方法和计算工具得到了不断的发展,它整合了基因组学,转录组学,蛋白质组学,代谢组学的实验方法,完全有能力测量健康与疾病状态,药物治疗前后,不同类型细胞之间的变化和相互作用.
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成纤维生长因子23与慢性肾脏病关系的研究进展
成纤维生长因子23(fibroblast growth factor,FGF-23)是近发现的一种重要的调磷因子,与慢性肾脏病(chronic kidney disease,CKD)的发生发展息息相关,它不但直接调节钙-磷代谢,而且间接调节甲状旁腺激素、维生素D代谢.骨-肾-甲状旁腺-小肠轴和新的系统生物学控制骨矿化、维生素D代谢、甲状旁腺的功能、肾脏磷的排泄.本文将从FGF-23的生理功能、病理意义等方面对FGF-23与CKD的新研究作一简要综述.
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代谢组学在口腔医学研究中的应用进展
在生命科学的研究发展历程中,基因和蛋白质一直是学者为关注的对象,并由此诞生了基因组学和蛋白质组学两大重要的学科分支。随着科学研究方式方法的进步发展,在后基因组时代,为了从宏观层面上更准确地把握生命体的代谢活动所蕴含的信息,明确基因或蛋白质的变化在生命体代谢产物中的具体表现,一种新的组学--代谢组学应运而生。它是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后,基于对基因组学和蛋白组学的补充而新近发展起来的一门学科,是系统生物学的又一重要组成部分[1],也是组学研究领域的热点之一,并被视为组学研究的“终点”。目前代谢组学在药学、毒理学、营养学、疾病诊断、基因功能、环境科学等各个领域都有广泛应用,并已显示出其强大的优势。本文就代谢组学近几年来在口腔医学研究领域中的应用进行综述。
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代谢组学与冠状动脉粥样硬化
1999年,美国三院院士Leroy Hood提出"系统生物学(systemsbiology)"的理论:"以生物系统内的所有组成成分及其相互关系为对象,通过大规模动力学分析,用数学方法抽象出生物系统的设计原理和运行规律".