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* Cellular Networks Huijie Yang Hjyang@ Huijieyangn@ Business School, University of Shanghai for Science and Technology I. Cellular networks Interesting topics (some stimulating papers) III. Theoretical problems to be solved. 基因调控网络 I. Cellular networks 蛋白质网络：基因表达出的蛋白质，部分作为转录因子参与基因 调控网络外，其他则参与细胞的各种生物功能，如信号传输等。 蛋白质功能的实现，需要蛋白质构型的变化以及蛋白质之间的相 互结合形成蛋白质复合物等物理上或者化学上的变化来实现。诸 多蛋白质之间的这种相互作用，构成蛋白质互作用网络。 代谢网络：细胞内基因调控网络和蛋白质互作用网络实现生物功 能，需要物质和能量来源，这要靠代谢网络来实现。代谢网络是 细胞内各种代谢物之间通过化学酶参与完成的所有生化反应的总 和。化学酶是基因表达的产物。因此代谢网络又决定于基因调控 网络。细胞内基因调控、蛋白质互作用、代谢等一起构成完整的 细胞网络。 II. Interesting topics (Data mining) Detect evolution/environment/diseases–related information Embedded in data by means of complex networks Trends: comparison between different networks Example-1: evolution and complex networks The functional and structural modularity Example-2.1: Environment and complex networks A. Kreimer, E. Borenstein, U. Gophna, and E. Ruppin, Proc. Natl. Acad. Sci 105,6976(2008). Kreimer 等在近期的美国科学院院刊（PNAS）报道了细菌代谢网络结构模块的进化结果。 1)他们从KEGG数据库提供的每个物种细胞内存在的酶和酶所参与的生化反应等数据构造出 了325种细菌的代谢网络，采用M. Newman构造的方法（M. Newman,PNAS 103,8577(2006)） 对这些代谢网络进行模块划分，得到每个代谢网络的模块化程度（modularity score）. 2) 按照生存环境，如盐浓度、氧需求、栖息环境、温度等，这些细菌被划分为不同的组。 从生物系统发生树（phylogenetic tree of life）计算任意两种细菌之间在进化史上的 距离，也就是在生物系统发生树上他们各自到最近的共同祖先的距离之和。 3) 结果表明，细胞内共生物和哺乳动物特异的病原菌，比其他具有较广泛的生存环境的 细菌，具有较低的模块性程度。即使在那些哺乳动物特异的病原菌中，能够在两种环境下 生存的也具有较高的模块化程度。从进化角度，后代倾向于有较低的模块化程度。这种进 化过程中模块化程度的降低，其原因可能是生存环境的特异化和边缘代谢反应的参与。 Example-2.2: Environment and complex networks 从代谢网络中可以确定出最小的节点集合，这些节点代表的代谢 底物不能在代谢网络中产生，只能从外部环境获取，利用这些代 谢底物代谢网络可以生成所有需要的其他代谢物。这一节点集合 称为种子集合（seed set）。生存环境一定意义上决定着某物种 能够获得的外部代谢底物，因此种子集合可以作为生存环境的合 理描述。 这种“逆生态学”（reverse ecology）可用于探索生物 与生存环境之间在进化过程中的互作用机制。首先构造出478个 物种的代谢网络，得到每个网络的种子集合。发现这些种子集合 与生存环境有着很好的相关性。与生存环境可变的物种相比，有 明确的生存环境的物种（如专性寄生虫）倾向于有较小的种子集 合。利用种子集合之间的相关性，可成功地重构生命系统发生树。 Example-3.1: Diseases and complex networks Taylor等考虑了蛋白质网络动态模块性，以此来进行乳腺癌 的预后。把人类蛋白质网络进行模块划分后，网络上的关键节 点（度大的Hub节点）分为两类，邻居节点主要或全部出现在 某模块