系统基因组学与网络生物学

基因和蛋白质很少单独发挥作用。系统基因组学和网络生物学将细胞分子表示为通过相互作用（物理、调控或功能）连接的节点，并分析由此产生的网络，以理解基因型如何产生表型，以及扰动一个组分如何通过系统传播从而导致疾病。

Definition

系统基因组学是通过许多分子组分的整合行为来研究基因组功能，而网络生物学则是将这些组分表示和分析为相互作用节点（基因、蛋白质或其他分子）的网络，通过分析其拓扑结构和模块结构来推断功能和疾病机制。

Scope

本主题涵盖生物网络的构建和分析：蛋白质-蛋白质相互作用网络和基因调控网络、它们的拓扑特性、模块和枢纽，以及疾病的网络医学框架。它将网络视为一种方法论和概念性主题，不提供临床指导。

Core questions

• 分子相互作用如何被表示和分析为网络？
• 枢纽、模块和连接性等网络特性揭示了哪些生物学信息？
• 为什么与相同疾病相关的基因倾向于在网络中聚集？
• 网络是如何从异构的实验和策展证据中构建的？

Key concepts

• 节点和边；相互作用组
• 蛋白质-蛋白质相互作用网络
• 基因调控网络
• 网络拓扑：枢纽、度、模块性
• 疾病模块和网络医学
• 网络可视化和整合

Mechanisms

生物网络通过将分子表示为节点，将其关系表示为边来构建，其中边可以表示物理结合、调控控制，或由STRING等资源聚合的证据加权功能关联。分析由此产生的拓扑结构揭示了组织原则：少数高度连接的枢纽、通常对应于生物过程的密集连接模块，以及一个整体结构，其中功能相关的基因彼此靠近。网络医学视角利用这一点，认为导致相同疾病的基因占据一个共享的邻域——一个疾病模块——因此疾病可以被理解为连接系统局部扰动而非孤立基因的作用。Cytoscape等软件环境提供了可视化和分析层，使这些网络易于处理。

Clinical relevance

网络方法通过将相关基因置于其相互作用的背景中，帮助解释基因组结果，支持关于共享机制和候选基因的假设。它们描述了分子关系如何建模和分析，旨在作为参考导向，而非个体诊断或治疗决策的基础。

History

随着21世纪初相互作用数据的积累，细胞被视为一个网络而非零件列表。Cytoscape（2003年）为研究人员提供了一个通用平台来可视化和分析分子相互作用网络，而STRING等关联数据库将各种证据整合到基因组规模的网络中。网络医学框架（2011年）综合了这些思想，提出相互作用组的拓扑结构决定了遗传扰动如何导致疾病，并且疾病相关基因形成可识别的模块。

Debates

相互作用网络的完整性和可靠性如何？

相互作用组由异构、不完整且有噪声的数据组装而成，因此表观的枢纽或模块可能反映研究偏差和覆盖空白而非生物学事实；从网络拓扑结构得出的结论对网络的构建方式很敏感。

Key figures

• Albert-László Barabási
• Joseph Loscalzo
• Trey Ideker
• Christian von Mering

Seminal works

• shannon-2003
• barabasi-2011

Frequently asked questions

网络医学中的疾病模块是什么？

疾病模块是分子相互作用网络中一个连接的邻域，其基因与同一种疾病相关；网络医学观点认为疾病基因倾向于聚集在一起，而非随机分散在相互作用组中。

生物网络中的枢纽是什么？

枢纽是连接数量异常多的节点。它们通常对应于功能重要的基因或蛋白质，其移除或扰动往往比连接较少的节点产生更广泛的影响。