第八章 后基因组时代的生物信息学 本章提要：后基因组时代，生物综合论将成 为生物学的主流研究方法。人们在网络观点下 、 在分子相互作用网络水平理解生物学的基本 原理。本章简要介绍了“功能基因组系统学” 和“系统生物学”的基本含义，学习网络及网 络比较的基本方法。详细学习了包括基因表达 水平关联、基因保守近邻法、基因融合法、种 系轮廓发生法等预测蛋白质-蛋白质相互作用的 理论方法，并对这些方法的优缺点作了介绍和 比较。 2025/5/27 BIOINFORMATICS
第八章 后基因组时代的生物信息学 2025/5/27 BIOINFORMATICS 1 本章提要：后基因组时代，生物综合论将成 为生物学的主流研究方法。人们在网络观点下 、在分子相互作用网络水平理解生物学的基本 原理。本章简要介绍了“功能基因组系统学” 和“系统生物学”的基本含义，学习网络及网 络比较的基本方法。详细学习了包括基因表达 水平关联、基因保守近邻法、基因融合法、种 系轮廓发生法等预测蛋白质-蛋白质相互作用的 理论方法，并对这些方法的优缺点作了介绍和 比较
§8.1引言 随着人类基因组计划的顺利进行，人类全 基因组测序工作已经完成。测序工作的完成并 不代表基因组计划的结束，相反标志着“后基 因组信息学”的开始。基因组学研究也由结构 基因组转向了功能基因组的研究，通过对基因 组的分析来了解生物体的功能成为后基因组时 代的主要目标。 数理与生物工程学院 2025/5/27 BIOINFORMATICS
2025/5/27 BIOINFORMATICS 数 理 与 生 物 工 程 学 院 2 §8.1 引言 随着人类基因组计划的顺利进行，人类全 基因组测序工作已经完成。测序工作的完成并 不代表基因组计划的结束，相反标志着“后基 因组信息学”的开始。基因组学研究也由结构 基因组转向了功能基因组的研究，通过对基因 组的分析来了解生物体的功能成为后基因组时 代的主要目标
人们愈来愈认识到，基因与蛋白质很少单 独起作用，它们倾向于组成相互作用网络来行 使生物学功能。特别是我们看到这样的局面， 鉴定了基因组大部分基因之后，我们仍然无法 仅仅凭序列信息来推断基因的功能。对功能的 研究必须分析其相互作用的网络，或者更准确 地说，把基因组或蛋白质组看作一个系统来进 理与生 行分析。 工程 院 2025/5/27 BIOINFORMATICS 3
2025/5/27 BIOINFORMATICS 数 理 与 生 物 工 程 学 院 3 人们愈来愈认识到，基因与蛋白质很少单 独起作用，它们倾向于组成相互作用网络来行 使生物学功能。特别是我们看到这样的局面， 鉴定了基因组大部分基因之后，我们仍然无法 仅仅凭序列信息来推断基因的功能。对功能的 研究必须分析其相互作用的网络，或者更准确 地说，把基因组或蛋白质组看作一个系统来进 行分析
所以，后基因组生物信息学有时也称为功 能基因组系统学。功能基因组系统学的出现， 是生物信息学领域的一个重大变化，它由主要 以整理、储存、分析生物学数据或知识转变为 综合多种生物分子及其相互作用的知识来了解 生物系统的功能。 数理与生物工程学院 2025/5/27 BIOINFORMATICS
2025/5/27 BIOINFORMATICS 数 理 与 生 物 工 程 学 院 4 所以，后基因组生物信息学有时也称为功 能基因组系统学。功能基因组系统学的出现， 是生物信息学领域的一个重大变化，它由主要 以整理、储存、分析生物学数据或知识转变为 综合多种生物分子及其相互作用的知识来了解 生物系统的功能
后基因组生物信息学在研究方法上的重大 变化也标志着生物学的研究正在经历一场革命。 如果说过去生物学研究主要以生物实验来进行， 那么对于具有复杂网络的系统功能的分析，离 开了理论分析和指导，几乎无法进行实验。因 此，生物学尤其是分子生物学的研究方法将转 数 变为在理论分析的指导下，将实验与理论相结 合的研究过程，理论生物学的出现就成为必然。 与生 工 程 院 2025/5/27 BIOINFORMATICS 5
2025/5/27 BIOINFORMATICS 数 理 与 生 物 工 程 学 院 5 后基因组生物信息学在研究方法上的重大 变化也标志着生物学的研究正在经历一场革命。 如果说过去生物学研究主要以生物实验来进行， 那么对于具有复杂网络的系统功能的分析，离 开了理论分析和指导，几乎无法进行实验。因 此，生物学尤其是分子生物学的研究方法将转 变为在理论分析的指导下，将实验与理论相结 合的研究过程，理论生物学的出现就成为必然
基因组信息学是为了处理基因组计划产生 的大量数据而诞生的，它的主要任务是支持实 验工作。后基因组生物信息学是以综合为特征 的，其研究意义比基因组信息学更为深刻。后 基因组生物信息学定义为对一系列生物学知识 的综合，包括从基因组信息到对生命基本规律 数 的理解等方面。如果说，基因组信息学是以对 理 各种生物分子进行分析，获取有关生物知识的 物 话，则后基因组生物信息学的研究使我们进入 程 对生命基本规律的认识。 院 2025/5/27 BIOINFORMATICS 6
2025/5/27 BIOINFORMATICS 数 理 与 生 物 工 程 学 院 6 基因组信息学是为了处理基因组计划产生 的大量数据而诞生的，它的主要任务是支持实 验工作。后基因组生物信息学是以综合为特征 的，其研究意义比基因组信息学更为深刻。后 基因组生物信息学定义为对一系列生物学知识 的综合，包括从基因组信息到对生命基本规律 的理解等方面。如果说，基因组信息学是以对 各种生物分子进行分析，获取有关生物知识的 话，则后基因组生物信息学的研究使我们进入 对生命基本规律的认识
§8.2后基因组生物信息学基本概念 8.2.1历史的机遇 当前生物学的状况可以类比17世纪时的物 理学，正处于科学公式化的阶段。生物学仍是 一门经验性学科，只拥有很少的原理来预测各 种生物学现象。19世纪开始的遗传细胞学技术， 20世纪发展起来的分子生物学最终使收集生物 学基本数据成为可能。 人们期望随之会产生类似开普勒定理的经 与生 验规律、类似牛顿定律的基本原理和类似玻尔 H量子论的重要理论。 程 院 2025/5/27 BIOINFORMATICS
2025/5/27 BIOINFORMATICS 数 理 与 生 物 工 程 学 院 7 §8.2 后基因组生物信息学基本概念 8.2.1历史的机遇 当前生物学的状况可以类比17世纪时的物 理学，正处于科学公式化的阶段。生物学仍是 一门经验性学科，只拥有很少的原理来预测各 种生物学现象。19世纪开始的遗传细胞学技术， 20世纪发展起来的分子生物学最终使收集生物 学基本数据成为可能。 人们期望随之会产生类似开普勒定理的经 验规律、类似牛顿定律的基本原理和类似玻尔 H量子论的重要理论
8.2.2生物还原论与生物综合论 还原论成为20世纪后半叶生物学发展的主 流。按照还原论的方法，为了研究生物系统某 一方面的功能，只需寻找并鉴定出与此功能直 接相关的基因或蛋白质即可。 基因组计划揭开了综合论研究方法的序幕 综合论方法研究基因和各种生物大分子是怎样 数 通过网络调控方式形成一个生物系统的。虽然 理 还原论方法研究生物学问题取得巨大成功，但 与生 在后基因组时代我们需要综合全部生物信息重 构生物体，综合论研究思路将成为生物学研究 的主流。 院 2025/5/27 BIOINFORMATICS
2025/5/27 BIOINFORMATICS 数 理 与 生 物 工 程 学 院 8 8.2.2 生物还原论与生物综合论 还原论成为20世纪后半叶生物学发展的主 流。按照还原论的方法，为了研究生物系统某 一方面的功能，只需寻找并鉴定出与此功能直 接相关的基因或蛋白质即可。 基因组计划揭开了综合论研究方法的序幕。 综合论方法研究基因和各种生物大分子是怎样 通过网络调控方式形成一个生物系统的。虽然 还原论方法研究生物学问题取得巨大成功，但 在后基因组时代我们需要综合全部生物信息重 构生物体，综合论研究思路将成为生物学研究 的主流
生物系统 （生物体) 还原论方法 综合论方法。 (实验) (生物信息学)· 组成部件。 (基因/蛋白质)“ 图8-1生物学研究中的还原论和综合论方法
图8-1 生物学研究中的还原论和综合论方法
物理学和化学中，基本粒子如何组装成物质， 元素如何组成化合物的一般规律已经被发现。但在 生物学研究中，我们还未能取得这种令人鼓舞的进 展。实际上，我们至今还不清楚基因组上的信息是 否足以建立一个完整的生物体系。在物理学基本粒 子的标准模型中，包括有两类基本粒子：物质组成 和作用力介质。换句话说，只有各组成部分的信息 数 是不够的，各部分之间的相互作用信息是非常重要 与生 的（如物理学中作用力介质）。基因组包含了其组 成部分的信息，但很难说它含有各部分间相互作用 程 的信息。 院 2025/5/27 BIOINFORMATICS 10
2025/5/27 BIOINFORMATICS 数 理 与 生 物 工 程 学 院 10 物理学和化学中，基本粒子如何组装成物质， 元素如何组成化合物的一般规律已经被发现。但在 生物学研究中，我们还未能取得这种令人鼓舞的进 展。实际上，我们至今还不清楚基因组上的信息是 否足以建立一个完整的生物体系。在物理学基本粒 子的标准模型中，包括有两类基本粒子：物质组成 和作用力介质。换句话说，只有各组成部分的信息 是不够的，各部分之间的相互作用信息是非常重要 的（如物理学中作用力介质）。基因组包含了其组 成部分的信息，但很难说它含有各部分间相互作用 的信息