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简论系统生物学的学派
日期：2024-05-06 02:55
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摘要：
简论系统生物学的学派
科学领域的每一门学科内都存在着许多不同的学派，彼此间在关注事物性质的本体论方面和选择研究策略的方法论方面都有所差别。例如，在生命科学的研究历史中，在遗传学对遗传物质的研究过程中，孟德尔—摩尔根学派从生物表型入手揭示了基因的生物学特性；以德尔布吕克（M.Delbrück）为首的“噬菌体小组”则是利用生物学和化学的研究方法探讨了基因的化学本质；而沃森（J.Watson）、克里克（F.Crick）和剑桥的X射线衍射实验小组则利用物理的手段发现了DNA的双螺旋结构，从而阐明了遗传物质实施其功能的物理基础。尽管系统生物学还是一门正在形成的学科，但笔者注意到，在这个新学科里，已经显现出了两个不同的研究学派。
整体分析学派
对于20世纪的大多数实验生物学家而言，生命是一架基于还原论原理建造的“自动机”。随着后基因组时代的到来，科学家们逐渐意识到，有机体是一个由成千上万生物大分子和小分子相互作用形成的完整的复杂系统；只有认识整个复杂系统的结构和功能，才能真正地了解生命。系统生物学就是应运而生的研究复杂生物系统的新兴学科。
以美国科学家胡德（L.Hood）为代表的一批系统生物学研究者紧紧抓住“完整的生物复杂系统”这一核心目标，提出了自己的系统生物学研究策略。在他们看来，“系统生物学就是应用生物的、遗传的或化学的方法系统地干扰生物系统，检测所有相关基因、蛋白质和信号通路的反应，整合这些数据，并*终建立数学模型以描述系统的结构和对外部作用的反应”[1]。笔者把这样的系统生物学研究者称为“整体分析学派”（global-analysisschool）。
就研究的对象而言，整体分析学派研究者关注的是一个完整的复杂生物系统。胡德就明确指出，系统生物学首先要“选择开展研究的生物系统和模式生物”。这类研究系统可以是一个完整的个体，例如不久前美国科学家采用系统生物学的方法研究了线虫早期胚胎发育过程中基因、蛋白质的相互作用网络[2]。这类系统也可以是细胞内完整的代谢网络或信号转导网络，胡德的研究组就曾经研究过酵母细胞的糖代谢网络。在这个学派中，*典型的例子是在世纪之交出现的一支由诺贝尔奖得主吉尔曼（A.Gilman）领导的，来自美国、加拿大和英国50多个研究组构成的“信号转导联合体”（allianceforcellularsignaling）。他们选择了“G蛋白介导的细胞信号转导系统”为其研究对象。
从研究的策略来看，既然这个学派追求的是一种整体性分析，理想的情况是对生物系统内所有构成元件进行研究[1]，因而基因组学和蛋白质组学等各种生命大科学通常是整体分析学派的研究者采用的主要手段。研究者一方面采用高通量、大规模的“组学”分析方法同时发现成千上万的基因或蛋白质，一方面应用现有的生物实验科学的知识和手段来揭示尽可能多的这些组分的相互关系和功能；即生命“小科学”和“大科学”的整合（详细讨论见《科学》2004年6期第23页）。当然，这类研究还离不开数学和信息科学等理论科学的参与，整体分析学派所追求的目标是，通过获取“海量”实验数据，并通过分析和计算从而建立生物系统的数学模型。例如研究者在研究线虫早期胚胎发育过程中，建立了基于661个早期胚胎发育基因和它们之间3万多个相互作用的控制线虫早期胚胎发育的分子网络模型[2]。
从研究的结果来看，整体分析学派的研究者一般都能够提供比研究之前选定的生物系统更为**和复杂的图像。例如，科学家分析了线虫的TGF-?茁信号转导网络，他们从已知的8个TGF-?茁信号转导的基因入手进行系统生物学研究，*终发现了参与TGF-?茁信号转导网络的9个新基因[3]。“信号转导联合体”在几年的研究中，发现了大量参与G蛋白介导的细胞信号转导网络的新基因和蛋白质。为此，他们与Nature杂志编辑部联合设立了一个公众网站，将所有相关研究成果刊登在上面，供研究人员参考(www.signaling-gateway.org)。但是，整体分析学派的研究常常只能提供系统的结构和功能方面的定性描述，很难对系统的动力学过程进行详细的定量研究；虽然会发现许多参与系统活动的新基因和蛋白质，但也很少对它们进行深入的功能分析。
