[转帖] 系统生物学的发展及其对糖尿病研究的影响

王不留行

系统生物学的发展及其对糖尿病研究的影响

供稿人：闫蓓 审校人：江晓波 供稿时间：2006-5-29



　 摘要：
    系统生物学是目前生命科学研究投入越来越多关注的领域，因其综合的、整体的、多学科交叉的研究方式，为长期困扰人类的癌症、糖尿病等重大疾病的预防、诊断和治疗等问题的解决提供了新的学科方向。本文对系统生物学的发展及其对于糖尿病防治研究的意义进行了概述。


　
　 1． 系统生物学的发展
生命科学的研究长期以来受研究手段的局限，只能把复杂系统分解成非常细小的局部加以研究，无法完整地理解系统水平的行为规律，长期以来的研究方式多是基于“还原论”的思路，把人体分割成许多独立的部分，层层细分进行研究。虽然这些研究已经在生物医学应用方面取得了巨大的成绩，但是无论是对于人体的癌症、糖尿病这样的复杂的疾病的机理和诊疗方法，还是对单细胞微生物的生长代谢规律的认识，都没有在本质上取得突破。因此复杂性疾病研究和治疗的突破必须依靠综合的、整体的、多学科交叉的研究方式。
系统生物学是生物医学发展的必然归宿。1953年DNA双螺旋结构模型的建立使人类认识到，生命的核心是数字化的。因此，生命活动的规律最终是可以用数学来抽象和描述的。2003年人类基因组计划的完成，标志着生物医学研究进入大规模、并行化的时代，我们开始具备对一个生物系统中所有组成成分和相互关系进行测定的技术能力。这就意味着从整体和系统的水平上研究复杂生命现象开始成为可能。系统生物学就是在这样一个背景下应运而生的。
美国科学院院士、国际系统生物学创始人Lee Hood教授认为：系统生物学是“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”的科学。“系统生物学”强调对生命现象要从系统和整体的层次加以研究和把握，这一理论的提出，标志着国际生命科学研究从注重分析开始走向系统和综合。“系统生物学”是系统论与生物学在功能基因组时代全新技术背景下的结合，它研究一个生物系统中所有组成成分（基因、mRNA、蛋白质等）的构成，以及在特定条件下这些组分间的相互关系。系统生物学不同于以往的实验生物学，不仅关心个别的基因和蛋白质，而且进一步注重研究所有的基因、所有的蛋白质、所有的组分和所有组分间的相互关系及其动力学。显然，系统生物学是以整体性研究为特征的一种大科学。正是由于在揭示复杂生命现象和疾病发生发展内在规律、开发新型诊断治疗药物和方法上所具有的显著优势和巨大的潜在商业价值，以“整合”为灵魂的系统生物学受到国际生物医学界和各大制药公司的高度重视。 　　
系统生物学其实是一种反向工程学，就是面对象人体这样结构复杂、构造精巧的自动控制系统，采用干涉、测量和建模的手段去理解它的设计原理和运行规律。系统生物学认为，生命系统是具有自主控制和自我适应能力的复杂系统，它的运行规律与人类在工程领域建立的各种复杂系统具有本质上的类似之处。人类建造的各种复杂工程系统的复杂度已经开始接近生命系统，因此，人类在研究复杂工程系统中积累的经验和建立的方法，可以在生命系统的研究中得到借鉴和应用。把数理科学和工程科学的技术方法应用到生命科学领域，为全面、系统和深入地认识生命活动的本质规律开辟了广阔的发展空间。当然，对生命系统的研究，也是对现有的数理科学和工程科学技术的挑战，迎接这种挑战，也必将会给数学、物理学、计算机科学等学科的发展带来前所未有的发展机遇。
1999年美国西雅图成立的系统生物学研究所标志着这个新兴学科的诞生。许多优秀科学家已经在这个领域做出了富有成效的开拓型的成果。例如，2002年美国加州理工学院与系统生物学研究所合作，对海胆的内胚层发育调控机理进行了系统生物学研究。建立了内胚层发育的基因调控模型。发现这个模型揭示的规律与大规模集成电路有很多类似之处。他们预测了出现两个肠道需要改变的调控基因位点，而且用实验证实了这个预测，培育出了具有2个肠道的海胆。生物学实验完美地验证了数学模型的预测。
以1999年美国系统生物学研究所的成立为标志，该领域正在爆炸性发展。哈佛大学成立了系统生物学系，麻省理工等建立了系统生物学的技术平台；礼来制药公司投资1.5亿元成立系统生物研究中心；2003年美国国立健康研究院（NIH）推出系统生物学的“路线图计划”；欧洲许多国家也启动了系统生物医学研究计划，例如德国在2004年推出了“肝脏细胞系统生物学计划”，试图全面理解人体对药物的代谢机理。应该指出，目前国际上系统生物学还局限于对线虫、微生物等低等生物的研究，试图从简单的模式生物中探索系统生物学的方法论和技术体系，这种发展路径无疑是学科发展的一个重要步骤。系统生物医学已经成为生命科学研究的最前沿，也是最有希望解决长期困扰人类的癌症、糖尿病等重大疾病的预防、诊断和治疗等问题的新兴重大学科方向。
对生命科学进行系统性研究，我国拥有传统的比较优势，整合科学技术领域的研究力量有助于抢占系统生物医学研究的“制高点”。事实上，我国对生命科学的探索自古以来一直体现出系统研究的思想，如传统的中医学就是以临床实践为基础、整体观为指导、辨证论治为诊疗特点的医学体系。传统中医学虽强调从系统角度认识和调节人体生命活动规律。然而，受技术手段的限制，缺乏分子水平的机理认识，至今仍停留在朴素的哲学思辨层次。而系统生物学和信息技术的发展，将为复杂生命现象和中医药现代化的研究提供有利条件。上海系统生物医学研究中心主任、中科院副院长陈竺院士指出，“中医强调整体论，西医则强调还原论，所以多年来许多学者认为两者格格不入，但事实证明，到了系统生物学时代，它们找到了共同语言。”“系统生物医学”理论把中国传统医学的系统论和辩证法思想与现代科学技术手段有机结合，将使我国的医学研究走出一条自主创新的新路子。
我国科学家作为最早倡议者，不仅积极参与推动国际系统生物学的发展，而且创造性地提出了“系统生物医学”的概念，明确将系统生物学与医学相结合，直接以临床面临的重大科学问题为切入点，开辟一个全新的科学领域并开展自主性的创新工作。系统生物医学”是系统论与医学在全新的技术背景下的结合，在系统理论指导下，把人体作为一个完整的系统加以研究。通过大规模提取各类生物信息，深入研究基因组信息与环境信息的相互作用，阐明发病机理，研究新的诊断和治疗技术，从而引领现代医学进入预测性、预防性和个性化的时代。“系统生物医学”已经成为生命科学研究的最前沿，也是最有希望解决长期困扰人类的癌症、糖尿病、神经精神疾病等慢性、复杂性重大疾病的预防、诊断和治疗问题的具有突破性意义的方向。，“系统生物医学”有可能成为我国医药研究自主创新并超越国际水平的重大学科领域。 　　
2． 系统生物学在糖尿病防治研究中的作用
对于糖尿病和肿瘤等复杂性疾病，经典的实验生命科学不足以完全揭示它们的发病机理，因为经典的研究方法通常是简单的、局部的，是以个别基因或蛋白质为研究对象。系统生物学的出现为克服这种局限性提供一个有力的工具，因为它是从复杂的、整体的角度对这类重大疾病的机理进行研究。系统生物学不仅要分析由成千上万种基因、蛋白质和其他化学分子相互作用构成的复杂系统的行为；而且还注重把分子层面的复杂行为和细胞、组织、器官、个体等不同层面整合起来进行系统分析。此外，经典的生物学研究者常常是从静态的角度来研究疾病，而复杂性疾病则往往是随着时间发展的慢性病。因此，从时间演化的角度，采用系统生物学研究方法对这些慢性病的发生过程进行连续的和动态的追踪，才有可能较为完整地在分子、细胞和个体水平揭示复杂性疾病的发病过程和机理。
参考文献

1．21世纪的生物学－系统生物学
http://www.biotech.org.cn/news/news/show.php?id=11580

2．2005中国上海－德国巴符州系统生物学研讨会
http://life.sjtu.edu.cn/news/show.aspx?id=193&cid=8

3．上海系统科学研究院
http://202.120.223.51:8080/SASS/jsp/dtbd_dl.jsp?newsid=21