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系统生物学的文章S
ystems Biology: Toward System-level Understanding of Biological Systems
(Translated at Mar.27,2002)
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Hiroaki Kitano
系统生物学是生物学的新研究领域，其目的在于从系统水平来理解生物学系统。分子生物学使生物系统的理解取得显著进展，目前它主要专注于基因的鉴别及其产物的功能等一些部分。随之而来的挑战是从系统水平理解分子生物学所揭示的各个部分所组成的生物学系统。科学发展总是周而复始，从系统水平来理解并非全新的尝试。然而，由于基于分子水平的坚实的知识基础，却是第一次使我们能理解生物学系统。现在正是揭示生物学系统基本原理、深刻理解系统行为并加以应用的黄金时刻(Now is a golden opportunity to uncover the essential principles of biological systems and applications backed up by in-depth understanding of system behaviors)。为了抓住这一机遇，建立从整体上来理解生物学系统的方法和技术是其根本。通过它们，可以研究：1）系统结构，如基因、代谢、信号转导网络以及物理结构；2）这些系统的动力学特性；3）控制系统的方法；4）设计和修改系统的方法。系统生物学提供了系统水平对生命的理解，这里我们给出了系统生物学领域的概述。
1． 引言
生物学的根本目标是理解生物学系统的每一个细节及原理。大约50年前，Watson和Crick发现了DNA的结构（Watson and Crick, 1953），从此开辟了生物学的全新道路。他们工作的完美在于他们将生物学现象建立于分子基础之上。因此，基于坚实的理论基础描述诸如遗传、发育、疾病、进化等生命现象成为可能。生物学成为基于物理学基本规律的坚实的知识结构的一部分。从此，分子生物学研究领域形成，并取得巨大的成功。分子生物学使我们将生物学系统理解为分子机器。今天，我们深刻的理解了遗传、进化、发育、疾病背后的基本过程。那些机制包括复制、转录、翻译等等。
随着DNA被完整测序，大量的基因及其转录后产物的功能被鉴别出来。诸如支原体、大肠杆菌(E. Coli)、C. elegans、Drosophila melanogaster以及现代人(Homo sapiens)等DNA序列均被完全测定。目前已有方法能在mRNA水平全面测量得到基因表达特征。测量蛋白质水平及其相互作用的方法也取得进展（Ito et al.,2000; Schwikowski et al. 2000）。与此同时，很多用来破坏基因转录的方法也得以发明，如使特定基因功能失效的knockout 以及对C. elegans特别有效正被推广到其他种类的RNA干扰(RNAi)方法。
毫无疑义，对生物学系统分子水平机制的理解将加速发展。然而，这样的知识并不能提供给我们对生物学系统在系统层次上的理解。基因和蛋白质都是系统的组成成分。理解组成系统的各个部分对理解系统非常必要，但不充分。系统生物学作为新的生物学研究领域，其目的在于从系统水平对生物学系统进行理解。系统水平的理解需要一组原理和方法来联系分子行为和系统特征、功能。最终，细胞、器官和人将在系统水平得以理解，其理解基于物理学基本原理支撑的坚实的知识结构。科学总是周而复始，从系统水平理解生物学系统这不是第一次。Norbett Wiener是最早提出系统层次理解的先驱，这导致控制论、生物控制论的产生（Wiener,1948）。Ludwig von Bertalanffy在1968年试图建立通用的系统理论（von Bertalanffy, 1968），虽然该理论由于太抽象而不是很有根据。Cannon（1933）早期的工作中也可见类似工作，他提出了“动态平衡”(homeotasis)的概念。由于分子生物学有限的知识，大多数这样一些尝试都集中于在生理水平上描述和分析生物学系统。区别系统生物学和过去的尝试的唯一特征在于，系统生物学有可能将系统水平的理解直接建立于分子水平如基因、蛋白质等，而过去的尝试不可能建立系统水平描述和分子水平知识之间充分的联系。因此，尽管这不是第一次从系统水平进行理解，却是第一次有机会从分子水平到系统水平建立坚实的知识结构进而理解生物学系统。
系统生物学潜在的研究范围十分广泛，每一个研究目标可能采用不同的技术。它需要来自多个研究领域如分子生物学、高精度测量、计算机科学、控制理论以及其他科学与工程研究领域集体的努力。它需要在以下四个关键领域进行研究：1）基因学及其它分子生物学研究；2）计算科学研究如仿真、生物信息学及软件工具；3）系统动力学分析；以及4）高精度综合测量技术。这样组成的多学科研究使我们能从将生物学系统当作一个系统来理解。这是什么意思？”系统”本身是一个抽象的概念。它基本上是一组组分按特定格式组成的集合，然而它不仅仅是组分的简单累积。理解系统，仅仅在细节上予以描述是远远不够的，还需要理解特定刺激或破坏下系统的行为。最终，我们将能够设计系统以满足特定的功能需求。因此，它不仅仅是简单的深入的描述，它需要更多积极的综合来确保我们充分的理解。
特别地，为了从系统角度理解生物学系统，我们需要完成以下一些工作。
系统结构的辨识
首先，系统结构需要被辨识，特别是诸如基因与信号转导、代谢通路相关的蛋白质相互作用的调控 |
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