计算系统生物学简介

计算系统生物学简介计算系统生物学简介 崔庆华 2008-3-14 Outline • 计算系统生物学简介 • 网络的 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 模型 • 网络可视化工具Pajek • 无尺度网络和小世界网络 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m 生物信息学的分支 Bioinformatics is defined as a scientific discipline that encompasses all aspects of biological information acquisition, processing, storage, distribution, analysis and interpretation, that combines the tools and techniques of mathematics, computer science and biology with the aim of understanding the biological significance of a variety of data. 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m 生物信息学的兴起 Data…… ★ Large-scale and high-throughput ★ High-dimensional ★ Non-linear ★ Noisy ★ Unequally distributed 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m What is Systems Biology? • Not a new concept! • Systems biology is an emergent field that aims at system-level understanding of biological systems (Kitano 2002). • To understand biology at the system level, we must examine the structure and dynamics and cellular organismal function, rather than the characteristics of isolated parts of a cell or organism. 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m Systems的层次性 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m Why Systems Biology? http://www.newvisions.ucsb.edu/background/images/elephant.gif + + + _ 0 A B C D E 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m Why Computational Systems Biology? • Golden opportunity, now! ★ More than 16 international meetings in 2006 ★ More than 10 books in the past two years ★ Journals: Molecular systems biology (Nature & EMBO), BMC systems biology, IET systems biology, EURASIP Journal on Bioinformatics and Systems Biology etc. Large-scale, high-throughput data 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m Fields of Computational Systems Biology? • Biological networks construction, such as gene regulatory networks, cellular signaling networks, metabolic networks, protein-protein interaction networks, genetic interaction networks, gene co-expression networks, literature networks. 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m Fields of Computational Systems Biology? • Properties of systems, such as topology, robustness, tolerance. Albert et al., Nature 2000 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m Fields of Computational Systems Biology? Goh et al., PNAS 2007 P53 region TGFβ regionRas region Cui et al., MSB 2007 • Biological questions on systems-levels, such as diseases, evolution, medicine etc. 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m 生物复杂网络的数学模型 0 A B C D E • 图论(graph theory)中的一个 图(graph)：两个集合 V(A,B,C,D,E)和 E(AB,AC,AB,BC,CD,DE) 1 A 2 B 3 C 4 D 5 E 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m 网络可视化软件Pajek 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m A E F D C B 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m 有向网络 A E F D C B *Vertices *Edges *Arcs 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m 自组织临界性 (self organization criticality) 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m 幂律分布 power law 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m 钟形分布 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m 钟形分布 • 成年人身高、体重 • 跳远的距离 • 苹果大小 • 。。。。。。 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m 幂律分布 • 城镇人口：纽约800万，Duffield 52个 • 地震 • 战争 • 人类语言词汇的使用频率 • 音乐 • 年薪 • 网站点击量 • 论文引用率 • 。。。。。。。 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m How about networks? • 网络节点的度 (degree) • 度的分布 A B C D E 随机网络 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m 真实网络-无尺度网络 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m 真实网络 • 社会网络 • 电话calling网络 • 通信网络 • 交通网络 • 河道 • 电网 • 。。。。。。 真实网络-hubs (top 15% degree) 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m 真实网络-小世界属性 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m 真实网络-小世界属性 地球上任意两个人之间的平均距离是6，6度分离(six degrees of separation)。 2001，Watts internet小世界网络实验 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m 小世界属性的度量 + + + _ 0 A B C D E Shortest path A~E: A-B(C)-D-E Network distance: 3 • Average shortest path(network distance) • Clustering coefficient (CC) 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m 小世界属性的度量-例子 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m 构建和研究网络的一个模型： 二部图(bipartite graph) D3 D1 D2 D1 D2 M1 M2 M3 M4 D3 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m 二部图：一些例子 • 作者-文章(author-literature) • 演员-电影(actor-film) • 基因-疾病(gene-disease) • 药物-靶标(drug-protein target) • 基础医学和临床中的数据？ • 。。。。。。。。 生物秀-专心做生物 www.bbioo.com 生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 bbs.bbioo.com 生 物 秀 -专 心 做 生 物 ww w. bb ioo .co m