內容介紹
《系統生物學導論:生物迴路的設計原理》首次對系統生物學研究工作的核心和細節進行深入闡述，為直觀理解生物學中一般原理建立了基礎。全書內容編排體現了下列特色：對網路模體等新的理論研究成果做了細緻深入的闡述，指出了系統生物學的核心內容和實踐方法；闡明了轉錄調控、信號轉導、發育網路中的基本迴路；檢測了魯棒性原理；
清晰地說明了如何用進化最佳化來理解最優迴路設計；
仔細考慮了動力學校正和其他機制是如何使生物信息處理中的誤差減到最少的；
包括了習題、問題的解答以及關於背景材料的附錄。
《系統生物學導論:生物迴路的設計原理》對於初涉系統生物學研究的讀者理解和領會這門學科的內涵會有很大幫助，可以作為系統生物學研究的熱門參考書，更可作為相關學科的高年級本科和研究生教材
序言
很高興《系統生物學導論——生物迴路的設計原理》中譯本跟大家見面了。
系統生物學(Systems Biologyr)是一門誕生不久又急速成長的交叉學科，它涵蓋了生物學、物理學、數學、計算機科學和系統科學等學科的核心知識，是一門知識高度集成、在理論和套用兩方面都具有重要意義的新興學科。雖然距2000年11月在日本東京召開的第一次系統生物學國際會議還不到10年，但系統生物學的研究卻以難以想像的速度在我國得到重視和開展。中國科學院和許多高校均相繼成立了系統生物學研究機構。系統生物學幾乎成了最熱門的科技辭彙之一。但是，系統生物學研究到底如何開展，如何實踐，國內外都還是處於探索階段。2001年，Hiroaki Kitano(北野宏明)出版了“FoLmdations of Systems Biology”(系統生物學基礎)一書(此書中譯本已於2007年出版)，這是系統生物學領域的第一本專著。此書雖對系統生物學做了較全面的基礎性介紹，但大部分內容僅停留於巨觀的描述，對研究工作的細節和核心部分都沒有作深入的展開。這也正反映出當時系統生物學還處於萌芽狀態，其全貌一時還無法精細地刻畫。但這是一個急速發展的領域，近年來相關的書籍紛紛面世，這些著作都以特定的視角介紹系統生物學。
2007年以色列魏茨曼研究所的Uri Alon(尤拉·阿隆)依據他的團隊的科研實踐撰寫了“An Introduction To systeros Biology”(系統生物學導論)，則為系統生物學研究的實踐提供了一本非常有用的指南書。作者依據自己的科研實踐對相關的知識做了精心的梳理和選擇，特別是對新的理論研究成果，如網路模體等，更是做了細緻深入的闡述，指出了系統生物學研究的核心內容和實踐方法。全書層次清晰，重點突出，內容自成一體，讀者通過本書的學習，即可進入系統生物學的研究前沿。加之作者又為全書添加了相應的習題，這對初涉系統生物學研究的讀者理解和領會系統生物學的內涵將會有極大的幫助。因此，本書不僅可作為系統生物學研究的入門參考書，更可作為相關學科大學高年級學生和研究生的教材。
上海大學數學系生物信息學實驗室的研究生彭新俊、周文、劉祥、沈稱意、李馮、馮鐵男、閻正樓、張玉濱、孟煒、張亮生、劉煥、王飛飛、趙潔苑、呂玉龍、沈青松、江浩、王晶、高松、龔雲路、茅嘉、秦殿剛、薛曉怡、林契約、金鼎立、李建華、王群群等參加了本書的研討和翻譯，全書最後由王翼飛統稿並校訂。
中國科學院上海生命科學院的丁達夫、李亦學、趙慕鈞研究員，李載平院士，上海大學數學系史定華教授，上海師範大學郭本瑜教授，以及化學工業出版社的編輯等對本書的翻譯出版都給予了熱情的支持和鼓勵，並提供了寶貴的意見，在此一併致謝。
文摘
插圖：
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當我第一次閱讀生物學教科書時，好似在看一本驚險讀物，它的每一頁都會帶來新的震驚。作為一名物理學家，我習慣於研究那些遵循精確數學法則的事物，然而細胞是一類不斷變化著的物體，其結構自發地組裝，以執行精細的生物化學功能，並且在功能實現後能夠容易地分解。生物分子在編碼及執行信息時幾乎不會出現差錯，儘管它們事實上是處於很強的熱噪聲下，而且被包埋在濃厚的分子湯中。這是如何做到的?是否在這些生物系統中存在一些能夠幫助我們理解生命物質與非生命物質之問區別的特殊的自然法則?
我們渴望知道自然法則以及簡化的原理，然而生物學是如此的複雜以致難以實現。每個生物化學相互作用都是異常地精確，而且細胞中存在著包含成千上萬個這種相互作用的網路。此類網路是進化的結果，而進化則是通過產生隨機變化、並選擇能夠生存下來的有機體來實現的。因此從某種意義上講，進化得到的結構依賴於歷史上的偶然性，同時也滿載著在每種情形中都需要特別說明的生物化學細節。
儘管存在這樣的複雜性，科學家們也已經在試圖辨明那些貫穿於整個生物學史的一般化原理。對於這類原理的探索正在進行之中，而且還遠遠沒有完成。然而，隨著生物學實驗技術的進步，通過實驗手段已可以獲得關於生物學意義上相互作用網路的詳細的、可以理解的信息，從而使得這樣的研究成為可能。
事實上，隨著此類研究的開展，我們將會發現一些可套用於生物網路的一般規律。生物網路在進化中出現是為了實現各種功能，所以生物迴路並非是隨機或偶然形成的。它具有確定的形態，系統的這種形態必須實現功能。儘管進化是通過隨機調整來起作用的，但是通過一次次的進化它將收斂到一個確定的迴路元件的集合，這種集合遵循一般的設計原理。
本書的目的是突出生物系統的一些設計原理，同時提供一個數學框架，使得在這個數學框架中，這些原理可用來理解生物網路。重要的信息是，生物系統包含著固有的簡單性(simpIicity)。雖然細胞的進化是為了實現功能，而不是為了便於理解，但是簡化的原理卻使得生物學設計更易於為人們所理解。
本書的讀者需要有一定的數學基礎。為了闡述一些重要的原理，書中雖然給出了幾個已經有較好研究的生物系統的詳細描述，但我們還是避免使用專業術語和基因名。本書展現了一條以數學原理為基礎的學習系統生物學的途徑，其中很少強調實驗技術。書中的一些示例都是作者非常熟悉的。在每章結尾處列出的資源以及本書最後給出的擴展讀物中可以找到其他的指導說明。
作品目錄
目錄第1章 緒論1
進一步閱讀2
第2章 轉錄網路：基本概念3
2.1 引言3
2.2 細胞的認知問題4
2.3 轉錄網路中的元件5
2.3.1 時間尺度分離7
2.3.2 邊上的符號：激活劑和阻抑物9
2.3.3 邊上的數字：輸入函式9
2.3.4 邏輯輸入函式：一個理解網路動力學的簡單框架11
2.3.5 多維輸入函式調控具有幾個輸入的基因12
2.3.6 小結12
2.4 簡單基因調控的動力學和回響時間14
2.4.1 穩定蛋白質的回響時間是一個細胞世代16
進一步閱讀16
習題17
第3章 自身調節：一種網路模體20
3.1 引言20
3.2 模式、隨機化網路及網路模體21
3.2.1 與隨機化網路比較發現網路模體22
3.3 自身調節：一種網路模體22
3.4 負自身調節網路加快基因迴路的回響時間24
3.5 負自身調節可增強生成速率波動的魯棒性27
3.5.1 正自身調節延緩回響且能導致雙穩態28
3.6 總結29
進一步閱讀29
習題29
第4章 前饋環網路模體32
4.1 引言32
4.2 子圖在隨機網路中出現的次數32
4.3 前饋環是一個網路模體35
4.4 前饋環基因迴路的結構36
4.5 具有邏輯“與”的協調-1型FFL的動力學39
4.6 C1-FFL是一個信號敏感的延遲元件40
4.6.1 在Sx的ON跳變後的延遲40
4.6.2 在Sx的OFF跳變後沒有延遲41
4.6.3 C1-FFL是一個信號敏感的延遲元件41
4.6.4 信號敏感延遲能防止短暫的輸入波動42
4.6.5 大腸桿菌的阿拉伯糖系統中的信號敏感延遲43
4.6.6 “或”門C1-FFL對Sx的OFF跳變是信號敏感延遲的46
4.6.7 小結46
4.7 非協調-1型FFL46
4.7.1 非協調FFL的結構46
4.7.2 I1-FFL的動力學：一個脈衝發生器47
4.7.3 I1-FFL加快了回響時間49
4.7.4 回響加速是信號敏感的50
4.7.5 I1-FFL動力學的實驗研究50
4.7.6 加快回響的三種方法（小結）51
4.8 為什麼有些FFL類型是稀有的？52
4.8.1 I1-FFL的穩態邏輯：Sy能開啟高表達52
4.8.2 I4-FFL，一個稀有的選擇迴路，擁有簡化的功能性53
4.9 FFL的趨同進化55
4.1 0總結56
進一步閱讀57
習題57
第5章 時間程式與轉錄網路的整體結構61
5.1 引言61
5.2 單輸入模組（SIM）網路模體61
5.3 SIM可產生表達的時間程式63
5.4 網路模體的拓撲泛化66
5.5 多輸出FFL能產生FIFO時間順序69
5.5.1 多輸出FFL也可作為每個輸出的持續檢測器72
5.6 信號整合和組合調控：雙扇和緻密重疊調節子73
5.7 網路模體及感覺轉錄網路的整體結構74
進一步閱讀77
習題78
第6章 發育、信號轉導及神經網路中的網路模體80
6.1 引言80
6.2 發育轉錄網路中的網路模體81
6.2.1 用於決策的雙結點正反饋環81
6.2.2 調節反饋和被調節反饋83
6.2.3 長轉錄級聯和發育的時間選擇84
6.2.4 枯草桿菌孢子形成網路中連鎖的前饋環85
6.3 信號轉導網路中的網路模體87
6.4 利用多層感知機的信號處理88
6.4.1 蛋白激酶感知機的玩具模型89
6.4.2 多層感知機可以執行複雜的計算93
6.5 複合網路模體：負反饋和振盪器模體96
6.6 秀麗隱桿線蟲神經元網路中的網路模體100
6.6.1 神經元網路中的多輸入前饋環104
6.6.2 秀麗隱桿線蟲神經元網路中的多層感知機105
6.7 總結107
進一步閱讀108
習題109
第7章 蛋白質迴路的魯棒性：細菌趨化性的例子114
7.1 魯棒性準則114
7.2 細菌趨化性，或細菌是如何思考的115
7.2.1 趨化性行為115
7.2.2 回響和正合適應116
7.3 大腸桿菌的趨化性蛋白質迴路118
7.3.1 引誘劑降低X的活性120
7.3.2 修飾增強X的活性，而緩慢的修飾就會導致適應性120
7.4 解釋正合適應性的兩種模型：魯棒和微調121
7.4.1 微調模型121
7.4.2 正合適應的Barkai-Leibler魯棒機制123
7.4.3 魯棒適應和積分反饋126
7.4.4 實驗顯示正合適應是魯棒的，而穩態活性和適應時間則是微調的126
7.5 細菌趨化性的特異性和魯棒性127
進一步閱讀128
習題129
第8章 發育中的魯棒模式形成133
8.1 引言133
8.2 指數型形態發生素剖面是非魯棒的134
8.3 通過自增強形態發生素降解來增強魯棒性136
8.4 為魯棒模式形成提供降解反饋的網路模體138
8.5 魯棒性原理可以辨別果蠅模式形成的機制139
進一步閱讀144
補充讀物144
習題144
第9章 動力學校正146
9.1 引言146
9.2 遺傳密碼的動力學校正可以減少分子識別的差錯率147
9.2.1 平衡結合不能解釋翻譯的精確性148
9.2.2 動力學校正可以顯著地減少差錯率150
9.3 免疫系統的自身和非自身識別151
9.3.1 平衡結合不能解釋免疫識別的低差錯率152
9.3.2 動力學校正提高T細胞識別的精確度154
9.4 動力學校正可能發生於細胞中不同的識別過程155
進一步閱讀156
習題157
第10章 最優的基因迴路設計160
10.1 引言160
10.2 在恆定條件下蛋白質的最優表達水平161
10.2.1 LacZ蛋白的收益162
10.2.2 LacZ蛋白的成本162
10.2.3 適應度函式與最優表達水平163
10.2.4 實驗室進化實驗表明細胞在幾百個世代之內達到最優的LacZ水平164
10.3 調節還是不調節:在可變環境中的最優調節166
10.4 前饋環網路模體的環境選擇168
10.5 總結172
進一步閱讀172
習題173
第11章 基因調控的需求規則178
11.1 引言178
11.2 SAVAGEAU需求規則179
11.2.1 大腸桿菌中需求規則存在的證據180
11.2.2 需求規則的突變解釋182
11.2.3 突變體選擇討論的問題182
11.3 基於最小裝載誤差的基因調控規則183
11.4 最優調控下的選擇壓力184
11.5 多調節物系統中的需求規則185
11.6 總結189
進一步閱讀191
習題191
第12章 結束語：生物學中的簡單性193
附錄A基因的輸入函式：Michaelis-Menten與Hill方程199
A.1 阻抑物與啟動子的結合199
A.2 阻抑物蛋白質與誘導物的結合：Michaelis-Menten方程201
A.3 誘導物結合的協同性及Hill方程202
A.4 Monod、Changeux及Wymann模型203
A.5 阻抑物的基因調節輸入函式204
A.6 激活劑與它的DNA位點的結合204
A.6.1 Logic和Hill輸入函式的動力學比較205
A.7 Michaelis-Menten酶動力學206
進一步閱讀207
習題207
附錄B多維輸入函式209
B.1 整合激活劑和阻抑物的輸入函式209
習題210
附錄C轉錄網路的圖性質211
C.1 轉錄網路是稀疏的211
C.2 轉錄網路具有長尾出度序列和緊入度序列211
C.3 轉錄網路的群集係數212
C.4 網路模組化的量化測度213
附錄D基因表達的細胞間可變性214
進一步閱讀216
辭彙表217
參考文獻224
中文索引247
英文索引253
