分子生物網(wǎng)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(wǎng)絡引言課程簡介分子生物網(wǎng)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(wǎng)絡理論基礎上開展的一門生物信息學專業(yè)課，是網(wǎng)絡科學的一個分支。通過本課程學習網(wǎng)絡科學，復雜網(wǎng)絡知識，了解并掌握網(wǎng)絡拓撲的基本模型及其性質(zhì)，常見分子生物學網(wǎng)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(wǎng)絡的能力，以及構建分子網(wǎng)絡的能力。第0章生物網(wǎng)絡引言分子生物網(wǎng)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(tǒng)計方法，對生物實驗數(shù)據(jù)進行分析，確定數(shù)據(jù)所含的生物學意義，并開發(fā)新的數(shù)據(jù)分析工具以實現(xiàn)對各種信息的獲取和管理的學科。基于復雜網(wǎng)絡模型分析生物學數(shù)據(jù)，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(wǎng)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(wǎng)絡及分子生物網(wǎng)絡基礎、構建分析分子生物網(wǎng)絡的方法.實驗：分子生物網(wǎng)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(wǎng)絡引言課程內(nèi)容網(wǎng)絡綜合分析表觀遺傳網(wǎng)絡代謝網(wǎng)絡信號傳導網(wǎng)絡疾病基因網(wǎng)絡基因調(diào)控網(wǎng)絡網(wǎng)絡基礎知識概論課程內(nèi)容表觀遺傳網(wǎng)絡代謝網(wǎng)絡信號傳導網(wǎng)絡概論網(wǎng)絡綜合分析表觀遺傳網(wǎng)絡代謝網(wǎng)絡信號傳導網(wǎng)絡概論第0章生物網(wǎng)絡引言參考教材書籍第0章生物網(wǎng)絡引言期刊：第0章生物網(wǎng)絡引言引言一、網(wǎng)絡與網(wǎng)絡科學的定義1.網(wǎng)絡(Network)：網(wǎng)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(wǎng)絡引言2.網(wǎng)絡科學(NetworkScience)：網(wǎng)絡科學是研究利用網(wǎng)絡來描述物理、生物和社會現(xiàn)象，建立這些現(xiàn)象預測模型的科學.有關原文：

Logically,thenotionofnetworkscienceisstraightforward.Itisorganizedknowledgeofnetworksbasedontheirstudyusingthescientificmethod.Thisnotionisimmediatelyvaluableinthatitdistinguishessciencefromtechnology.Throughouthumanhistorytechnologyoftenevolvedfarearlierthanthescientificknowledgeonwhichitisbased.第0章生物網(wǎng)絡引言網(wǎng)絡科學是一門新興科學，研究物理、信息、生物、認知和社會網(wǎng)絡的相互聯(lián)系。這門科學領域致力于發(fā)現(xiàn)主導財務網(wǎng)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(wǎng)絡科學定義為“使用科學方法研究網(wǎng)絡有組織的知識”。網(wǎng)絡科學的子科學包括：動態(tài)網(wǎng)絡分析，社會網(wǎng)絡分析，復雜網(wǎng)絡研究，網(wǎng)絡優(yōu)化、生物網(wǎng)絡和圖論。第0章生物網(wǎng)絡引言二、網(wǎng)絡科學歷史來源之一：古代中國人利用網(wǎng)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(jīng)典《黃帝內(nèi)經(jīng)》闡述了經(jīng)絡理論和針炙。該理論認為經(jīng)絡遍布人本各個部位，有運送全身氣血、溝通身體上下、內(nèi)外之功能。穴位則是經(jīng)絡系統(tǒng)的控制機關，刺激穴位可以起調(diào)節(jié)經(jīng)絡系統(tǒng)作用。現(xiàn)在看來，經(jīng)絡系統(tǒng)就是利用網(wǎng)絡觀點觀察復雜的人體系統(tǒng)并抽象而成的一種生物網(wǎng)絡模型。第0章生物網(wǎng)絡引言第0章生物網(wǎng)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(jīng)絡系統(tǒng)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(wǎng)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(jīng)脈連線，經(jīng)脈線上分布的穴位用鑿穿的小孔表示。現(xiàn)為上海中醫(yī)藥大學醫(yī)學史博物館收藏。第0章生物網(wǎng)絡引言目前人們正深入研究經(jīng)絡和穴位的本質(zhì)，分析針炙療法治病的機理，利用現(xiàn)代科學技術，努力把它提高到一個新水平，這也是網(wǎng)絡科學的一個重要研究課題。人體穴位就是該網(wǎng)絡的節(jié)點，其醫(yī)療功能不同且相互聯(lián)系。根據(jù)病癥選擇不同的穴位進行針炙就是用物理和化學方法產(chǎn)生和擴散刺激的動力學過程。經(jīng)絡理論和針炙是網(wǎng)絡科學初創(chuàng)時期有文字記載的最早的人體生物網(wǎng)絡模型及成功的醫(yī)學應用。第0章生物網(wǎng)絡引言來源之二：瑞士數(shù)學家LeonhardEuler的研究成果。在網(wǎng)絡科學經(jīng)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(wǎng)絡的數(shù)學模型，引發(fā)了網(wǎng)絡科學的復興。LeonhardEuler是現(xiàn)在公認的規(guī)則網(wǎng)絡（RegularNetwork）理論和圖論奠基者。第0章生物網(wǎng)絡引言第0章生物網(wǎng)絡引言三、網(wǎng)絡科學與多學科的交叉融合網(wǎng)絡社會學網(wǎng)絡經(jīng)濟學系統(tǒng)生物學、網(wǎng)絡生物學與網(wǎng)絡醫(yī)學萬維網(wǎng)科學網(wǎng)絡統(tǒng)計學網(wǎng)絡科學、技術與實驗第0章生物網(wǎng)絡引言網(wǎng)絡社會學網(wǎng)絡社會學：是一門以人類社會網(wǎng)絡為研究對象的學科。它從社會學的角度研究社會網(wǎng)絡的人際關系、行為方式、價值觀念、社會結(jié)構和深化過程。網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡建模與分析：綜述與論文》，對于推動網(wǎng)絡社會學發(fā)展具有重要作用。第0章生物網(wǎng)絡引言第0章生物網(wǎng)絡引言網(wǎng)絡經(jīng)濟學20世紀90年代，網(wǎng)絡經(jīng)濟學在美國舉起并繁榮，促進了當時美國經(jīng)濟的高增長、低通脹和低失業(yè)率。此后，網(wǎng)絡經(jīng)濟在世界范圍迅速發(fā)展，它對傳統(tǒng)經(jīng)濟提出了巨大挑戰(zhàn)，并正在迅速地改變著世界。電子網(wǎng)絡與經(jīng)濟的結(jié)合改變了人們的生活，改變了國家和世界的經(jīng)濟發(fā)展，改變了傳統(tǒng)經(jīng)濟學，對網(wǎng)絡經(jīng)濟學提出了迫切需求。第0章生物網(wǎng)絡引言系統(tǒng)生物學美國西雅圖的華盛頓大學教授LeroyHood是系統(tǒng)生物學創(chuàng)始人。2000年，他創(chuàng)辦了系統(tǒng)生物學研究所，倡導在生物醫(yī)學領域采用系統(tǒng)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(zhì)合成儀和蛋白質(zhì)測序儀，并成功實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，對生物科學研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。第0章生物網(wǎng)絡引言第0章生物網(wǎng)絡引言網(wǎng)絡生物學目前，網(wǎng)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(wǎng)絡生物學研究表明細胞網(wǎng)絡服從網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡：發(fā)現(xiàn)、分析和建?！钡膱蟾嬷薪榻B了在網(wǎng)絡科學和系統(tǒng)生物學交叉領域的3個重大研究課題：網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡分析和動態(tài)網(wǎng)絡模型。網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)：即在一個生物實體集合中構建相互作用的網(wǎng)絡。網(wǎng)絡分析：即網(wǎng)絡數(shù)據(jù)信息的收集和挖掘。動態(tài)網(wǎng)絡模型：即建立交互網(wǎng)絡與系統(tǒng)動態(tài)行為之間的關系。第0章生物網(wǎng)絡引言網(wǎng)絡醫(yī)學2007年，《NewEnglandJournalofMedicine》雜志上刊登題為“網(wǎng)絡醫(yī)學-----從肥胖癥到‘疾病組（Diseasome）’”的論文中指出，網(wǎng)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(xiàn)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(xiàn)，它將更確切地被稱為“網(wǎng)絡醫(yī)學”。第0章生物網(wǎng)絡引言萬維網(wǎng)科學2006年，《Science》雜志發(fā)表論文“CreatingaScienceoftheWeb”，倡導萬維網(wǎng)科學這一新興交叉科學。萬維網(wǎng)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(xiàn)，以及人類如何利用其來建設現(xiàn)有和新的Web。萬維網(wǎng)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(wǎng)絡引言第0章生物網(wǎng)絡引言網(wǎng)絡統(tǒng)計學網(wǎng)絡統(tǒng)計學（NetworkStatistics）是收集分析數(shù)據(jù)和信息，提示社會網(wǎng)絡、物理網(wǎng)絡和生物網(wǎng)絡數(shù)量特征和規(guī)律并提供決策支持的一門新交叉科學。網(wǎng)絡統(tǒng)計學具有多學科交融特點，與傳統(tǒng)的統(tǒng)計學相比，更重視研究在社會網(wǎng)絡、經(jīng)濟網(wǎng)絡、物理網(wǎng)絡和生物網(wǎng)絡中不同的模型、分析手段和技術，例如計算機網(wǎng)絡等各種新型統(tǒng)計技術。第0章生物網(wǎng)絡引言第0章生物網(wǎng)絡引言網(wǎng)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(wǎng)絡科學技術和實驗中心的政策’得出的結(jié)論是，‘根據(jù)陸軍的需要，網(wǎng)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(wǎng)絡互聯(lián)’。第0章生物網(wǎng)絡引言四、網(wǎng)絡科學研究方法及體系結(jié)構框架網(wǎng)絡科學研究主要方法：采用統(tǒng)計學的方法來收集真實網(wǎng)絡數(shù)據(jù)及實驗數(shù)據(jù)，建立模型，進行仿真、分析和預測，注意克服以往一些數(shù)學家偏重對網(wǎng)絡抽象的數(shù)學分析、較少研究真實網(wǎng)絡的缺點，網(wǎng)絡科學需要采用優(yōu)化工具。第0章生物網(wǎng)絡引言第0章生物網(wǎng)絡引言五、網(wǎng)絡科學的子學科問題“你的未來工作可能成為網(wǎng)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(diào)查，結(jié)果顯示有97%的被調(diào)查者認為自己的工作將來可能屬于網(wǎng)絡科學范圍，還表明人們認為網(wǎng)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(wǎng)絡引言第0章生物網(wǎng)絡引言網(wǎng)絡百科全書指出，網(wǎng)絡科學包括動態(tài)網(wǎng)絡分析、社會網(wǎng)絡分析、復雜網(wǎng)絡研究、網(wǎng)絡優(yōu)化、網(wǎng)絡生物和圖論等6個子學科。也有學者認為網(wǎng)絡科學包括9個子學科：生物網(wǎng)絡研究、物理網(wǎng)絡研究、社會網(wǎng)絡研究、復雜網(wǎng)絡研究、動態(tài)網(wǎng)絡分析、網(wǎng)絡優(yōu)化、網(wǎng)絡健壯性和安全、網(wǎng)絡統(tǒng)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(wǎng)絡生物學可作為“生物網(wǎng)絡”的下級子學科。第0章生物網(wǎng)絡引言第0章生物網(wǎng)絡引言六、網(wǎng)絡的分類方法真實網(wǎng)絡可粗略劃分為三種類型：生物網(wǎng)絡、物理網(wǎng)絡和社會網(wǎng)絡。實際上，從不同的角度出發(fā)，對網(wǎng)絡可以有其他多種分類方法。第0章生物網(wǎng)絡引言第0章生物網(wǎng)絡引言第0章生物網(wǎng)絡引言七、分子生物網(wǎng)絡基礎理論分子生物網(wǎng)絡基本概念分子生物網(wǎng)絡分類第0章生物網(wǎng)絡引言第0章生物網(wǎng)絡引言生命復雜性金字塔包括4個層次結(jié)構（微觀）：第1層：金字塔底層，它是傳統(tǒng)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(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組。第2層：細胞和組織的組件，包括遺傳調(diào)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(wǎng)絡的特性。第0章生物網(wǎng)絡引言還有一些是宏觀層次的生物網(wǎng)絡，例如疾病傳播網(wǎng)絡（非典型性肺炎、新型流感等），生態(tài)網(wǎng)絡（食物鏈，食物網(wǎng)絡，江河水系，雨林等）及生物群體網(wǎng)絡（昆蟲社會、野獸群體、鳥群等）。第0章生物網(wǎng)絡引言（一）基本概念分子生物網(wǎng)絡(Molecularbiologynetwork)分子生物學(Molecularbiology)復雜網(wǎng)絡(Complexnetwork)第0章生物網(wǎng)絡引言分子生物學：從分子水平上研究生命現(xiàn)象物質(zhì)基礎的學科。研究細胞成分的物理、化學的性質(zhì)和變化以及這些性質(zhì)和變化與生命現(xiàn)象的關系，如遺傳信息的傳遞，基因的結(jié)構、復制、轉(zhuǎn)錄、翻譯、表達調(diào)控和表達產(chǎn)物的生理功能，以及細胞信號的轉(zhuǎn)導等。復雜網(wǎng)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(zhì)的網(wǎng)絡稱為復雜網(wǎng)絡。-錢學森

第0章生物網(wǎng)絡引言分子生物網(wǎng)絡分子生物網(wǎng)絡：是指生命系統(tǒng)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(lián)的結(jié)構形式。分子生物網(wǎng)絡相互聯(lián)系并跨越生命系統(tǒng)各層次，使生命運動呈現(xiàn)組織性、確定性、穩(wěn)定性、協(xié)調(diào)性的功能；分子生物網(wǎng)絡是生命系統(tǒng)細胞與細胞內(nèi)、外環(huán)境之間進行物質(zhì)、能量、信息轉(zhuǎn)換的渠道。第0章生物網(wǎng)絡引言分子生物網(wǎng)絡分析分子生物網(wǎng)絡分析：基于復雜網(wǎng)絡的技術研究分子生物網(wǎng)絡的結(jié)構形式，分析各組分之間的調(diào)控關系、以及物質(zhì)、能力、信息轉(zhuǎn)換的渠道等。分子生物網(wǎng)絡構建、分析方法，以及網(wǎng)絡功能注釋是掌握的重點。第0章生物網(wǎng)絡引言分子生物網(wǎng)絡的意義現(xiàn)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(zhì)）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(shù)生物特征都來自于細胞的大量不同組合，比如蛋白質(zhì)、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(wǎng)絡的結(jié)構和動力學的理解已經(jīng)成為當今生命科學領域研究的關鍵。第0章生物網(wǎng)絡引言分子生物網(wǎng)絡基本構建方法生物網(wǎng)絡是描述復雜生物系統(tǒng)的一種有效的方法。構建的基本方法是：在網(wǎng)絡中將基因、蛋白質(zhì)等生物分子化為節(jié)點，它們之間的相互作用化為網(wǎng)絡中的邊。蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡中，無向的連線表示兩個蛋白質(zhì)之間存在物理互作?；蛘{(diào)控網(wǎng)絡中，節(jié)點之間的調(diào)控作用通常用帶有箭頭的連線來表示。第0章生物網(wǎng)絡引言生物網(wǎng)絡主要研究的基本性