总学时：32学时 总学分：2学分
一、课程性质、地位和任务
《系统生物学》是生物学相关专业的前沿选修课。系统生物学是生命科学的新研究领域，其目的是在系统水平上理解生物体。“系统生物学”的
研究是后基因组时代，
以坚实的分子生物学知识为基础，对“还原论”和分析方法的反思与超越，侧重于“整体论”和综合方法，是建立在分子及其相互作用基础上
的生理学，被誉为“21世纪的生物学”。系统生物学代表着生命科学发展的总体趋势。通过本课程的学习，希望学生了解系统生物学的基本概念和研究内容，掌握生物系统分
析和建模的基本原理，拓宽视野，培养全局观，形成系统的思维方式，从而更全面地认识和理解生命现象，也有助于把握本世纪生命科学研究的大方向。
二、课程基本要求
1、了解系统生物学的产生背景和学科体系；
2、认识系统生物学所研究的分子互作网络；
3、了解与系统生物学相关的生物信息资源；
4、掌握针对细胞生化分子过程的各种建模方法；
5、熟悉模型描述语言和各种建模仿真软件工具。
三、教学内容及安排
第1章 绪论（2学时）
教学目标：
了解系统生物学的产生背景，认识系统生物学的研究内容，掌握其研究方法和一般工作流程，并了解系统生物学出现所带来的影响及其应用前景。
本章重点：
系统生物学的基本概念和学科体系
难点：
系统生物学与生理学的区别
章节内容：
1.1 系统生物学的产生背景（了解）
1.1.1 生理学
1.1.2 分子生物学
1.1.3 “组学”与生物信息学
1.2 系统生物学的定义和研究内容（掌握）
1.2.1 系统生物学的定义
1.2.2 系统生物学的研究内容
1.2.3 系统生物学的研究方法
1.3 系统生物学的应用前景（了解）
1.4 系统生物学的学术组织、会议、刊物和资料（了解）
第2章 系统生物学建模概述（2学时）
教学目标：
理解生命系统的特征，理解模型的概念和建模的方法，了解常用的可解算模型类别及其在生物学系统建模中的应用，认识生物系统的复杂性，了解系统水平的分析的内容。
本章重点：
模型概念及建模方法
难点：
生物系统的可解算模型
章节内容：
2.1 系统与生物系统（理解）
2.1.1 系统的概念
2.1.2 生物系统的概念和特征
2.2 模型与建模（掌握）
2.2.1 模型和建模的基本概念
2.2.2 生物系统建模流程
2.2.3 可计算模型类别及特征
2.3 生物系统模型举例（了解）
2.3.1 网络模型
2.3.2 动力学模型
2.3.3 元胞自动机模型
2.4 复杂性与系统分析（了解）
2.4.1 复杂性及其处理方法
2.4.2 系统水平的分析
第3章 网络模型基础（1学时）
教学目标：
了解生物网络的普遍性，理解网络的定义及描述网络的主要特征量，掌握几种典型网络的特点。
本章重点：
网络的定义与刻画
难点：
几种典型网络的特征
章节内容：
3.1 图的基本概念（理解）
3.2 度量网络的常用指标（掌握）
3.3 典型网络及其特点（理解）
第4章 蛋白互作网络（1学时）
教学目标：
理解蛋白互作和蛋白互作网络的含义，掌握蛋白互作网络的特征，了解蛋白互作研究的实验方法和理论预测方法，认识蛋白互作是生物分子互作网络的重要构成部分。
本章重点：
蛋白互作及蛋白互作网络的含义和特征
难点：
蛋白互作网络在生物分子互作网络中的地位
章节内容:
4.1 蛋白互作及蛋白互作网络的含义（理解）
4.2 几种模式生物的蛋白互作网络及其特征（掌握）
4.3 蛋白互作的实验检测和理论预测方法（了解）
4.4 蛋白互作网络的进化及其与其它分子过程的关联（理解）
第5章 常微分方程系统建模（1学时）
教学目标：
理解常微分方程的概念，掌握用常微分方程组描述系统状态的方法，掌握一维系统和二维系统的稳态及其稳定性的分析方法，认识XPPAUT软件。
本章重点：
常微分方程组描述系统状态的方法
难点：
自治系统的线性化方法及其应用
章节内容:
5.1 常微分方程的基本概念（理解）
5.2 常微分方程组描述系统状态（掌握）
5.3 一维、二维系统的稳态及其稳定性的分析方法（掌握）
5.4 XPPAUT软件介绍（了解）
第 6 章 转录调控网络模体（1学时）
教学目标：
理解转录调控的概念，理解网络模体的概念，掌握几种典型转录调控网络模体的功能及其动力学描述方法，认识网络模体分析软件。
本章重点：
转录调控网络模体的概念
难点：
转录调控网络模体的动力学描述方法
章节内容：
6.1 转录调控的概念（理解）
6.2 网络模体的概念（理解）
6.3 几种典型的转录调控网络模体功能的动力学分析（掌握）
6.4 网络模体分析软件（了解）
第 7 章 代谢系统建模-酶促反应动力学 （1学时）
教学目标：
理解代谢和酶促反应的含义，掌握生化反应体系的建模方法，掌握质量作用定律、米氏方程的推导方法，认识酶促反应的各种调节方式及其描述方法。
本章重点：
质量作用定律的运用与生化反应体系的建模方法
难点：
反应速率方程的推导方法
章节内容：
7.1 生物代谢和酶促反应的含义（理解）
7.2 质量作用定律与米氏反应动力学（掌握）
7.3 酶促反应的各种调节方式及其动力学描述（了解）
第 8 章 代谢系统建模-代谢网络与流量分析（1学时）
教学目标：
理解代谢网络的含义，掌握代谢系统建模的一般步骤，掌握化学计量学矩阵的书写方法，并理解其所包含的信息，掌握基元流模式和分子守恒关系的分析方法。
本章重点：
化学计量学矩阵所包含的信息
难点：
流模式分析方法
章节内容：
8.1 代谢网络的概念
8.2 化学计量学矩阵
8.3 流模式分析
8.4 守恒关系分析
第 9 章 代谢系统建模-流平衡分析 （1学时）
教学目标：
理解流平衡分析的含义，掌握流平衡分析的流程，了解流平衡分析技术的发展历程和常用软件工具。
本章重点：
流平衡分析的方法
难点：
流平衡分析技术的发展
章节内容：
9.1 流平衡分析的含义（理解）
9.2 流平衡分析的应用（了解）
9.3 流平衡分析的流程与方法（掌握）
9.4 流平衡分析技术的发展历程（理解）
9.5 相关软件工具（了解）
第 10 章 代谢系统建模-代谢控制分析（1学时）
教学目标：
理解代谢控制分析理论的含义，掌握各种控制分析系数的定义和用途，理解代谢控制分析理论中的定理。
本章重点：
各种控制分析系数的定义及其含义
难点：
代谢控制分析中的定理
章节内容：
10.1 代谢控制分析理论
10.2 各种控制分析系数的定义与含义
10.3 加法定理和连接定理
第 11 章 信号通路建模（1学时）
教学目标：
理解信号通路的工作模式，掌握几种常见的信号通路的建模方法，掌握刻画信号通路属性的定量指标。
本章重点：
信号通路的建模方法
难点：
刻画信号通路属性的定量指标
章节内容：
11.1 信号通路的工作模式
10.2 G蛋白、磷酸传递、激酶级联和Jak/Stat信号途径的建模方法
10.3 刻画信号通路的指标和信号交联强度指标
第 12 章 基因表达模型（1学时）
教学目标：
理解基因表达过程中的调控方式，理解基因调控函数的概念，掌握基因调控网络的多种建模手段。
本章重点：
基因调控网络的多种模型
难点：
基因调控函数
章节内容：
12.1 基因表达过程中的调控方式
12.2 基因调控函数
12.3 基因调控网络的多种建模方法
第 13 章 模型化简与耦合（1学时）
教学目标：
理解建模过程中的各种简化手段，理解时间尺度分离的概念，理解模型耦合和系统涌现行为，认识模型优劣的判断标准。
本章重点：
建模中的简化方法
难点：
时间尺度分离的概念
章节内容：
13.1 模型中的简化
13.2 时间尺度分离
13.3 系统耦合与涌现行为
第 14 章 通用建模工具（1学时）
教学目标：
了解各种科学计算软件的特点，掌握用MatLab、R和sagemath求解简单生化反应模型的方法。
本章重点：
科学计算软件在建模方面的应用
难点：
R和sagemath等自由软件的用法
章节内容：
14.1 通用科学计算软件的特点
14.2 用自由软件描述和求解模型的方法
第 15 章 专用建模工具（1学时）
教学目标：
了解模型描述语言和相关数据格式，认识生物模型数据库和建模相关的数据库，熟悉各种细胞生化体系的建模软件。
本章重点：
模型描述语言和建模工具
难点：
SBML和SBGN的定义
章节内容：
15.1 模型描述语言
15.2 建模相关数据库
15.3 细胞生化体系的建模软件
第 16 章 细胞行为建模（1学时）
教学目标：
理解细胞行为的含义，掌握细胞周期和细胞凋亡模型，理解全细胞模型的意义。
本章重点：
细胞行为模型
难点：
全细胞模型的意义
章节内容：
16.1 细胞行为的含义
16.2 细胞周期与细胞凋亡模型
16.3 全细胞模型
四、其它教学环节安排
14学时的课堂互动：
学生报告，同学提问，老师点评。
五、考核方式及成绩评定
考核方式为开卷考试，总成绩＝平时成绩（70％）＋期末考试成绩（30％）。平时成绩主要包括考勤和作业，作业主要是让学生阅读相关文献并在课堂上讨论。
六、教材及主要参考文献
教材：
- Klipp E. etc. Systems Biology: A Textbook, Wiley-VCH, 2009.
- Palsson B.O. Systems Biology: Properties of Reconstructed Networks, Cambridge University Press, 2006.
- Bernhard Palsson, Systems Biology: Simulation of Dynamic Network States, Cambridge University Press, 2011.
- Uri Alon, An Introduction to Systems Biology: Design Principles of Biological Circuits, CRC Press, 2007
参考资料：
- 《系统科学精要（第3版）》，苗东升，中国人民大学出版社，2010。
- 《系统生物学基础》 [日] 北野宏明 编；刘笔锋，周艳红等译，化学工业出版社，2007。
- 《系统生物学的理论、方法和应用》 [德] 柯利普 等著；贺福初 等译，复旦大学出版社，2007。
- 《系统生物学：哲学基础》 [荷] 布杰德 等编著；孙之荣等译，科学出版社，2008。
- 《系统生物学》，张自立，王振英 编著，科学出版社，2009。
- 《系统生物学导论：生物回路的设计原理》尤. 阿隆 著，王翼飞 等译， 化学工业出版社，2010。
- 《合成生物学》，宋凯，科学出版社，2010。
- 《系统生物学：建模，分析，模拟》，雷锦誌 著，上海科学技术出版社，2010。
- 《系统生物学》，林标扬 编著，浙江大学出版社，2012。
撰稿人：马彬广
