01 / 导读
导读
引用
Alon, U. (2020). An Introduction to Systems Biology: Design Principles of Biological Circuits (2nd ed.). Chapman & Hall/CRC.
章节概要
第二版共十五章，分为三个部分：网络基序、稳健性和最优性，约340页。出版社称，本书清晰阐述了支配生物系统结构与行为的设计原理，突出细胞和组织调控中简单而反复出现的回路元件。与第一版相比，新增七章，加入与人体生理和疾病相关的新例子，习题由66道增至189道。作者的网站提供配套课程视频。
第一部分：网络基序（第1–6章）
第1章“转录网络：基本概念”引入全书使用的词汇。第2章“自调控”和第3章“前馈环”各取一种反复出现的小型模式，追问它的作用。第4章“时间程序与转录网络的整体结构”从单个基序转向整个网络的结构和随时间展开的程序。第5章“正反馈、双稳态与记忆”和第6章“如何构建生物振荡器”讨论能保存状态的回路和能周期运行的回路。
第二部分：稳健性（第7–12章）
第7章“动力学校对与构象校对”开篇讨论分子识别的准确性。第8章“稳健的信号传导”和第9章“趋化性”讨论在存在变异时仍能正常工作的回路，以细菌趋化为例。第10章“倍数变化检测”、第11章“组织中的动态补偿与相互抵抗”和第12章“发育中稳健的空间模式形成”把问题延伸到对相对变化的响应、组织层面的控制，以及发育中空间图案的形成。
第三部分：最优性（第13–15章）
第13章“最优基因回路设计”通过权衡成本与收益来追问回路为何具有现有形式。第14章“生物学中的多目标最优性”考察必须同时兼顾多个目标的系统。第15章“模块性”以生物网络组织成模块作结。
核心概念
第一部分：网络基序
- 转录网络：基因及调控它们的转录因子，被当作一个回路来处理。
- 网络基序：在网络中反复出现的小型调控模式，如自调控和前馈环。
- 双稳态与记忆：正反馈使回路能保持两种状态之一。
- 振荡器：能产生持续周期变化的回路。
第二部分：稳健性
- 校对：提高分子识别准确性的动力学与构象机制。
- 稳健的信号传导：在组成成分存在变异时输出仍然可靠。
- 倍数变化检测：响应取决于输入的相对变化而非绝对变化。
- 动态补偿：参数变化时仍能保持功能的组织层面机制。
第三部分：最优性
- 最优回路设计：把回路结构解释为成本与收益之间的权衡。
- 多目标最优性：由多个相互竞争的目标塑造的设计。
- 模块性：网络组织成半独立的部分。
评析
优点
- 讲原理而非罗列。 三部分结构从命名的基序到稳健性再到最优性，每一章都可读作把一条设计原理应用于生物学。
- 为非生物学背景的读者而写。 出版社引用的 Physics Today 书评称，本书不要求读者具备生物学知识，甚至不要求对生物学感兴趣，并特别称赞各章习题。同样被引用的 Nature 称赞第一版表述清晰，附录也很得力。
- 习题量大。 第二版有189道习题，接近第一版66道的三倍，可直接用作课程教材；CHOICE 的评论者称它汇集了大量实验，表明生物系统遵循这些设计原理。
- 内容较新。 出版社说，七个新章涵盖第一版以来十年间的进展，新例子涉及人体生理与疾病。
局限
- 覆盖领域较窄。 十五章讲的是基因调控、信号传导和发育中的回路，想了解基因组学、序列分析或大规模网络推断的读者在此找不到。
- 需要定量基础。 论述以数学为主，围绕回路动力学的简单模型展开；没有微积分和微分方程基础的读者读后面章节会比较吃力。
- 版本差异。 第二版的章节目录与第一版不同，旧课程材料中的习题和章节编号无法沿用。
在课程中的定位
本课程的其他书都是生物信息学教材，因此 Alon 覆盖的是这一主题的另一部分。Compeau 与 Pevzner 的 Bioinformatics Algorithms 是以问题驱动的入门书，每章从一个生物学问题出发，发展出回答它所需的算法。Lesk 的 Introduction to Bioinformatics 介绍数据库、序列分析等方法，不要求编程。Baxevanis、Bader 与 Wishart 的 Bioinformatics 是论述主要数据库和分析方法的编著，Zvelebil 与 Baum 的 Understanding Bioinformatics 则是跨学科入门，涵盖序列、结构和系统。
Alon 把细胞看作一组调控回路，并通过建模和设计原理来研究，这是它与其他几本书不同之处。它最适合放在一门通论性的生物信息学或分子生物学课程之后，作为这一主题中“系统”的一半；当读者想把回路层面的思想与数据联系起来时，可与编著中的网络章节搭配。
如何使用本书
本书适合想对基因调控获得定量图景的生物、物理、工程和计算机专业的研究生及高年级本科生。主要预备知识是微积分和基础微分方程；生物学知识则随用随讲。
实用的阅读计划：
- 核心： 先读第1至3章，它们建立转录网络以及后面各章依赖的两种基序。
- 随后： 第4至6章（网络结构、记忆与振荡），再读第二部分的稳健性，从第7至9章开始。
- 可选或稍后： 第10至12章在核心之后可按任意顺序阅读；第三部分（第13至15章）适合作为收尾，讨论回路为何是现在的样子。
- 练习： 做各章习题，评论者把习题视为本书价值的核心部分；也可配合作者网站上的课程视频阅读各章。