生物网络 | 集智百科

图1：生物网络示例

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今天分享网络科学领域里面生物网络这一主题。网络的作用是很强大的，通过图（graph）的方式能够抽象的表达现实中的信息，而生物网络作为生物领域里面的应用，本文将介绍生物网络的基本概念，有哪些好玩的案例，知名的研究者、一些入门的学习资源。

目录

一、什么是生物网络？

二、生物网络的相关概念

三、知名学者介绍

四、相关资源推荐

五、集智百科词条志愿者招募

1、什么是生物网络？

生物网络是对生物系统以图（graph）的方式抽象后的表示方式。在生物网络中，组成生物系统的元素为节点，元素之间的相互联系为边。例如，在蛋白质相互作用网络中，细胞中的蛋白质为节点，蛋白质间的相互作用（如结合）为边。

生物网络对于理解复杂的生物系统很重要，一是可以描述生物系统涌现出的网络结构特性，二是可以横向比较不同生物系统在网络结构方面的相似性或差异性。生物网络将生物系统看成一个整体，体现了“整体大于部分之和”的哲学思想。

生物网络按生物系统、构建方式不同可分为多种类型。比较常见的生物网络包括蛋白质相互作用网络、基因共表达网络、大脑神经网络等。生物网络在对疾病的理解和对药物靶点、药物分子的筛选等方面有丰富的应用实例。生物网络反映的整体观和中医药有相通之处，已有科研工作者从生物网络的角度开展中医药复杂系统研究。

2.生物网络的重要概念

蛋白质相互作用网络（Protein-Protein Interaction Network）

蛋白质相互作用网络是由细胞中的蛋白质和他们之间的相互作用所形成的。蛋白质是节点，相互作用是边。蛋白质间的相互作用可由多种检测方法识别，如常用的酵母双杂交系统。蛋白质相互作用网络是生物学中分析得最为深入的网络。与蛋白质相互作用网络相似的一个概念是相互作用组（Interactome），它描述特定细胞中的一整套生物分子间的物理相互作用。

图2：人体蛋白质相互作用网络

基因调控网络（Gene Regulatory Network）

基因调控网络描述了生物体内控制基因表达的机制。具有调控功能的生物分子可以激活或抑制基因的表达，例如转录因子蛋白与基因位点结合后开始转录过程。基因调控网络中的节点为基因或蛋白质，边为调控关系。

图3：基因调控网络示例

基因共表达网络（Gene Co-expression Network）

在基因共表达网络中，节点为基因，若基因之间在细胞中呈显著共表达的相互联系，则形成边。共表达即在基因表达谱中，两个基因的转录水平在样本中一起上升和下降。基因共表达网络具有生物学意义，因为共表达的基因可能有以下关系：他们由相同的转录调控程序控制、他们功能相关、他们是同一细胞通路或蛋白质复合体的组成部分。

代谢分子网络（Metabolic Network）

细胞中的代谢物质在酶的作用下发生生物化学反应，转化为新的代谢物质。代谢网络是描述细胞内代谢和生理过程的网络，由代谢反应以及反映调控机制组成。节点为代谢反应中涉及的生物分子，边为生物分子在代谢反应中的关系。

大脑神经网络（Brain Network）

大脑中的神经元之间有复杂的相互作用，使得大脑在结构和功能方面都形成了复杂的网络。大脑神经网络中，节点为神经元，边为神经元结构或功能上的联系。大脑神经网络在对阿尔兹海默症、精神分裂症等神经系统疾病的研究中均有实际应用。

图3：大脑神经网络示例

网络医学（Network Medicine）

网络医学是网络科学在识别、预防和治疗疾病方面的应用，特别是利用网络拓扑结构来识别疾病和开发药物。网络医学主要研究蛋白质相互作用网络、药物靶点网络、疾病症状网络等。此外，流行病学家通过社会网络、交通网络来研究疾病在人群中的传播。

图4：人类疾病网络，节点为疾病，颜色为疾病类型，若疾病在基因层面有关联则存在边

中医药网络药理学（TCM Network Pharmacology）

中医药具有整体观和辨证论治为特色的理论体系。中药及其方剂具有多成分、多靶点、协同作用的特点。中医药网络药理学通过研究“疾病-基因-靶点-药物”相互作用网络，系统性地观察：中医里证候（如寒证、热证）的生物分子网络和中药及方剂在人体中的协同作用。

图5：中医药网络药理学方法论

3. 知名学者简介

Albert-László Barabási

图6：Albert-László Barabási

罗马尼亚裔匈牙利美国物理学家，以网络理论研究而闻名。2005年，他因在计算机科学与技术方面的杰出成就获得了约翰·冯·诺依曼计算机学会FEBS年度系统生物学奖。主要研究项目为脑网络、Foodome、医院网络、网络动力学与控制、网络医学与生物网络、成功科学。

著有《巴拉巴西成功定律 》、《巴拉巴西网络科学 》、《链接：网络新科学 》 、《爆发：大数据时代预见未来的新思维 》、《网络结构与动力学》 等书籍。

个人主页：

https://barabasi.com/

Amitabh Sharma

图7：Amitabh Sharma

哈佛大学SHARMA实验室首席研究员、钱宁网络医学部助理科学家、东北大学癌症系统生物学研究中心助理教授，其博士论文与巴拉巴西合著《系统生物手册》，并研究疾病模块检测算法能够在任何给定的疾病中识别基因和基因产品的推定相关性。

实验室地址：

http://sharmalab.bwh.harvard.edu/

Marinka Zitnik

图9：Marinka Zitnik

哈佛医学院助理教授，曾与Jure Leskovec合作，利用GCN图卷积网络预测海量药物相互作用，开发的Decagon系统可以帮助医生更好地决定开哪种药，以及帮助研究人员找到治疗复杂疾病的更好的药物组合。

相关报道：

Natasa Przulj

图10：Natasa Przulj

伦敦大学学院计算机科学学院生物医学数据科学教授、生命科学部 / 巴塞罗那超级计算中心研究教授，曾授予英国计算机学会罗杰 · 李约瑟奖为了表彰她的研究和工作的潜力，她的研究和工作改变健康和药剂学的生态。

个人主页：

http://www0.cs.ucl.ac.uk/staff/natasa/index.html

李梢

图11：李梢

1973年10月出生于医学世家，清华大学长聘教授、博士生导师、清华信息国家实验室中医药交叉研究中心主任 兼任世界中医药学会联合会网络药理学专业委员会会长 研究方向为网络药理学、生物信息学与中医药现代化。

李梢课题组的六味地黄方网络药理学研究论文登上molecular biosystems封面，由于在中药网络药理学上的研究成果，入选英国皇家化学会“Top1%高被引中国作者”榜单。

个人主页：

http://bioinfo.au.tsinghua.edu.cn/member/lishao/

4.相关资源推荐

经典文献：

Stelzl U, Worm U, Lalowski M, et al. A human protein-protein interaction network: a resource for annotating the proteome[J]. Cell, 2005, 122(6): 957-968.

Sanguinetti G. Gene regulatory network inference: an introductory survey[M]//Gene Regulatory Networks. Humana Press, New York, NY, 2019: 1-23.

Zhang B, Horvath S. A general framework for weighted gene co-expression network analysis[J]. Statistical applications in genetics and molecular biology, 2005, 4(1).

Ideker T, Thorsson V, Ranish J A, et al. Integrated genomic and proteomic analyses of a systematically perturbed metabolic network[J]. Science, 2001, 292(5518): 929-934.

Van Den Heuvel M P, Pol H E H. Exploring the brain network: a review on resting-state fMRI functional connectivity[J]. European neuropsychopharmacology, 2010, 20(8): 519-534.

课程：

系统生物学中的网络分析:

https://zh.coursera.org/learn/network-biology

工具：

Cytoscape：一款图形化显示复杂网络并进行分析和编辑的软件。常用于生物网络的研究中，有大量生物领域的功能插件。

官网地址：

http://www.cytoscape.org

Gephi：Cytoscape相似，是一款图形化显示复杂网络并进行分析和编辑的软件。其可视化功能远强于Cytoscape，并且使用更加便捷，分析功能也很强大。但它生物领域的功能插件较少。就可视化和简单的网络分析而言，Gephi是首选。

官网地址：

https://gephi.org

NetworkX：是Python在复杂网络分析领域的软件包，网络分析的必备神器，谁用谁知道。它功能强大，几乎覆盖复杂网络分析中的所有可计算的概念。小伙伴们只要会使用Python进行基本编程，就可以用起来。

官网地址：

https://networkx.github.io

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参考资料：

[1]生物分子网络 百度百科 :

https://baike.baidu.com/item/生物分子网络/2018889?fr=aladdin

[2]生物网络 维基百科:

https://en.wikipedia.org/wiki/Biological_network

[3]相互作用组 维基百科 :

https://en.wikipedia.org/wiki/Interactome

[4]基因共同表达网络 维基百科

https://en.wikipedia.org/wiki/Gene_co-expression_network

[5]基因调控网络 维基百科

https://en.wikipedia.org/wiki/Gene_regulatory_network

[6]代谢分子网络 维基百科 

https://en.wikipedia.org/wiki/Metabolic_network

[7]网络医学 维基百科

https://en.wikipedia.org/wiki/Network_medicine

[8]中医药网络药理学《科学》杂志

https://www.sciencemag.org/sites/default/files/custom-publishing/documents/TCM_Dec_19_issue_high_resolution.pdf

来源：集智百科编辑：曾祥轩

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