生死该【第三次生命科学革命】——汤超 北京大学定量生物学中心
早期的科学研究——观测、数据积累、表象的模型
技术进步、数据精确、定量规律、数学发展、发散普适性
代表是经典物理学
而信息革命让科技进步完全不同了
生命科学革命
DNA发现----【第一次】分子生物学----【第二次】基因组学---【第三次】物质科学、工程科学和生命科学的交叉（学科交叉是前沿，因为单靠生命科学难以解释一些现象，而古老学科借生命科学重新焕发生机）
人类对生命科学的研究还很局限，只是了解了生物体的零件，但设计不出一辆汽车
（汤超表示人工装配的山羊支原体不算是人造生命...）
物理学规律有时在动物界很显著，比如斐波那契数列——花序的螺旋、叶序等
还有升力Lift，Lift∝Sv^2，Mass∝V，S^(1/2)=V^(1/3)，则v∝Mass^(1/6)
作Mass^(1/6)-v图，大部分人类飞行器和飞行的动物都在一条过原点的直线上
内质网膜系统要求表面积最大而体积最小，于是形成的是helicoid结构（螺旋面），类似停车楼
其实这样的曲面很早之前高斯就已经提出了数学模型...
——印证了古希腊人的哲理之言：There is nothing new under the sun.只是我们没发现，发现了没解释
E.Coli的Chemotaxis——E.Coli其实是十分贪婪的，不断在寻找食物丰富的地方。而且食物丰富了也不满足，会随机运动，不断找寻浓度更高的地方
如果该方向浓度更高，则E.Coli调转方向的频率就下降，如果浓度降低，则E.Coli调转方向的频率就上升
感受器的适应性， NFBLB和IFFLP
inflammation的产生，药物筛选和靶位点的选择，细胞的分化势能（以加入某种分子的浓度作为坐标轴画三维图像，跨越的“坡”即分化所需的特定分子）
筛选药物时要考虑全面，如对cox1、cox2两个参与ARA Network的小分子，需要考虑它们在复杂的信号传递网络中的作用，才能选出合适的副作用小而药效好的药
为何要研究大肠杆菌？是因为它们以极低的能量维持了体系的有序性
Energy cost to process info
IBM的电脑最近又打败了2个全美知识竞赛的冠军
IBM的研究人员各种庆祝
但是他们忽略了一点，人的大脑功率是20W，电脑的功率则是100000W
最低能量Emin=KT（K为Boltzmann constant），再低的话就会被热运动的噪声干扰
在常温下，大肠杆菌已经接近了Emin，而人类的信息处理能力虽然在10年内有突飞猛进的发展，但是最近已经陷入了瓶颈，所以要借鉴大肠杆菌
这样的研究是具有一定的普适性的
正所谓What's correct escherichia coli with is well correct with elephant

大英课本又米节操了，出现了一个sexual encounter....老师讲到前一句，说，下一句我就不念了，你们都懂得。。。这种东西不删节真的好么，我整个人身心收到了极大震撼。。。

【欧阳颀的演讲】
——欧阳颀是个放荡不羁的人，大个子，声音铿锵有力，讲的自high，都要飞起来了.....但是我身边俩人先后靠着我睡着了....
【外界 A】——》【大脑 B】，B的结构要能解析A的结构，则B的结构一定要比A的复杂
眼睛测量的是角速度
可以注意到，走路的时候，月亮“跟着”我们
即是，月亮和我们的相对位置几乎不变
有论文指出，鸡走路的时候伸一下脑袋，就是为了使得眼睛所看东西与自己头的相对位置不变
蜻蜓在接近昆虫时，会伪装自己的相对位置，使昆虫对自己的接近不产生警戒
这也成为了一些导弹的机理，即motion camouflage
就是，两者的水平相对速度不变，但导弹是从下方不断接近的
简直高端
如果科学是和上帝下棋的话
科学家的工作是制定规则
工程师的职责则是商议怎么下
Turing Pattern是一种点阵结构，由图灵提出
是一种耗散结构，虽然无序却实际中蕴含着规律
欧阳颀证明了动物身上的斑点就是一种Turing Pattern
感觉物理化学家很怕turbulence
反应-扩散系统
折返性心动过快reentrant tachycardia，是由于螺旋波失稳造成的
心脏的肌肉收缩波本身是1个完整的螺旋波（极限环的可激发结构)
如果有一点损坏（如一块心肌坏死）
断点的两段会作为波的起点发出2个螺旋波（拓扑原点）
由于螺旋波的中心会不断移动
2个螺旋波互相干涉再加上多普勒效应，当波的一段波长被压缩到过短时，便会破裂形成2个子波
以此规律进行下去，1个螺旋波就会变成许多紊乱的小螺旋波，此即心颤
所谓的除颤，就是通过强电震，消除所有心脏电波
由起搏点重新产生脉冲，即清除所有螺旋波，再统一发出1个螺旋波，让心脏正常搏动
欧阳颀的想法是，固定波源，这样就不会因为螺旋波移动的多普勒效应而产生子波造成紊乱
科学研究是
hypothesis driven----simplify the system----qualify the system
欧阳颀在p53蛋白影响肺癌细胞的途径中
构造了一个数学模型（基础是单分子动态的米氏方程），其中包含了7、80个参数
就是各种蛋白质浓度啊、酶活力之类的...
如果都能测得，p53的整个调控过程就明了了，但实际上很多都测不到
所以对于测量，有以下2个方法
1、分析mutation hotspot序列——得到sensitivity parameter——建立数学模型——返回验证是否符合其他热点
2、抑制作用通常会有一个分歧点bifurcation，即浓度在一定水平内增加，抑制作用几乎保持不变，一旦增加到一定程度就会大幅上升。测定分叉位置——测量sensitivity parameter——返回验证分叉位置
12年的iGEM，P大代表队用大肠杆菌做了条件反射的模型
简单来说就是这样（图是由我仿绘的）

(C和UC同时刺激激活memory，此后单用C刺激，加上Memory的信号，也可以通过And Gate)
这里的【门】都是由代谢途径的分叉点决定的
而Reaction是发出绿色荧光
只加入诱导物，产生荧光，便说明学习已经发生了
说来容易做起来难，当时iGEM会上他们只是提出猜想，时间所迫他们并没有做完所有逻辑门
那届iGEM的人忙了2年半，在今年年初才完成所有门并调试成功
真心吊啊....
可惜合成生物学与我基本无干....

【生思概——同源异形盒 homeobox】
发育生物学的高峰：
19世纪末 Wilhelm roux 研究胚胎发育及发育生物学的提出
1920 Spemann 背唇移植实验及组织者(Organiser)概念的提出
1980 果蝇基因与发育的联系
epigenetic在果蝇中率先发现，且具有普适意义，人胚胎与果蝇有类似的发育步骤，如身体前后轴的确定、肿瘤发生等
但人的胚胎从第一次卵裂起便形成细胞膜隔开2个核，而果蝇的卵裂到256个细胞时才开始向胚胎外围转移，6000细胞时才形成细胞膜，即胚胎经历一段时间的合胞体期
不同动物间保守的发育规律现在并没有合理解释
遗传学的研究重点：
1920s 果蝇
1930~60s 玉米、噬菌体、粗糙链孢霉......
1970s 果蝇发育
随着新的基因敲除技术（CRISPR/CAS9、TALEN）的问世，新的模式生物可能出现，甚至所有生物都可以成为模式生物
发育，就是细胞命运的决定
同源异型，即一种结构变成了另一种（本质是一种细胞被另一种替代）
果蝇的胚胎体节与成体是对应的，甚至染色体上基因的位置也和其表达的位置有对应关系
【头】Ma Mx Lb||【胸】T1 T2 T3||【腹】A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8
在果蝇中，有一些奇葩的突变体：
双胸复合体Bithorax（BX-C）其胸部T3被T2所替代，导致T3节的平衡棒（haltere）变成正常的翅
而在突变体Antennapedia中（ANT-C），触角被足所替代
Engrailed突变体（en）引入了compartment的概念
这里要说明一下，大写的突变如Cbx是显性突变，小写的如pbx是隐性突变
在上世纪80年代，做嵌合体的办法是：
找一个+/-（-是隐性突变）的突变体胚胎，用X光照射得到的后代细胞中，可能含有+/+、+/-、-/-基因型的细胞，继续培养便得到了嵌合体胚胎。用这样的胚胎，便可以跟踪一些细胞的命运，因为选取的突变，如minute，可以使该细胞比别的细胞小，从而解剖观察便可知
得到的模型：
Activator——一些特定的Selector——Realizor 其中en是属于selector基因
Morgan对发育很感兴趣，写过很多与发育生物学相关的书，甚至最后出的一部书也是将遗传学与胚胎发育的，有人认为他更是发育生物学家
发育带来了这样的问题：什么是gene？
同一种表型，可能是同一Locus上的等位基因，也可能是2个不同基因
最原始的检测方法是，观察是否会出现交换
但这又有问题，有些基因离得很近，以至于根本不交换，即pseudoallele
而且，DNA模型的提出又让人产生疑问，到底哪段DNA算是一个基因呢
现在的方法是，顺反实验。
--o--o-- --o-----
-------- 顺式（无表现） -----o-- 顺式（若无表现则为2个顺反子，若有表现则为1个顺反子，是等位基因）
所以得到的也不叫基因了，叫顺反子
定义“种”的概念，是为了背书更方便.......
突变的分类——
对比Wild type（++）
loss-of-function（旧称hypomorph） （+）或（-）
gain-of-function（旧称neomorph） （+++）
Nature杂志当年是遗传学家搞得风生水起
现在却变成了资本家赚钱的工具
中国人发不起Nature，都发到子刊Nature Communication上了
那些土豪科学院，砸钱给Nature，使得Nature Communication成为唯一一个在中国国内有编辑部外国科学刊物
最近又出了个Nature Index，统计发Nature的文章数，中国排第一
显然啊，那些土豪科学院在Nature Communication发的一堆一堆的
去掉Nature Communication上的，中国发的文章就少之又少了
一般来说化学诱变会导致一段DNA链的突变，可能涉及多个基因，因此后代都比较奇葩（前面BX-C啊、ANT-C啊之类的），而且难控制实验
当然EMS如果控制浓度合适的话，是可以造成1~2个核苷酸的突变的。现在用的是ENU做化学突变。
当然现在用的更多的就是直接Knockout，这样可以保证是单个基因的突变，好控制实验
果蝇的发育周期：
【adult fruit fly】------【egg】-------embryo gensis(1d)-------【Larva】------1st instar(1d)------2nd instar(1d)--------3rd instar(2d)-------【pupa】-------pupation(3d)--------eclosion--------【adult fruit fly】(50d)
Df-p9突变体是大段染色体缺失，胚胎T3~A8全部被T2所替代，导致幼虫直接死亡（发育生物学一定要注意幼虫的状态，如曾在摩尔根实验室呆过的李汝祺就发现，Notch突变体会导致幼虫死亡）
通过Df 100导入部分染色体片段，导入一点，性状就恢复一点，由此可知各部分基因控制的区域
后来，人们把果蝇的胚胎发育相关Mutation spot分为以下两类
T3~A8的属于Bithorox Complex；Ma~T2属于Antennapedia Complex
这两类Complex都是顺式调控作用
bicoid基因
Polycomb（Pc）可以抑制全部BX-C的功能，当时没人注意，现在却成了epigenetic研究的热点
饱和突变 saturation Mutagenesis
bicandul 突变
gap gene 大段缺失
pair-rule gene 有规律的缺失，如奇数体节或偶数体节
segmentation polarity 缺一段，前一段镜像重复（比如原本3节应该是【}》>】现在变成了【}》《】）
chromosomal walking and jumping 是一种高效的突变筛选手段
除了按片段筛选，更简单粗暴有力的方法是：从唾腺染色体上直接切一段下来，测序列....这招仅限部分双翅目昆虫...

W: Is it almost time to go home now? I'm so tired. I can hardly see straight.
M: Just a few more minutes, then we can go.
这男的是注孤生的节奏啊..............

【生思概——Life at the Single Molecule Level by Xiaoliang Sunney Xie of BIOPIC】
BIOPIC最近观察了单分子FAD的荧光
FAD<荧光>------（胆固醇）--------FADH2<非荧光>
单分子动态过程是一种随机现象，是大量分子统计的结果
米氏方程的推导者之一Menton居然是女的orz，而且还蛮漂亮的

米氏方程不仅是对大量酶分子的反应有效，对单分子反应也符合，但需要修正（Xie et al 2006）
单个酶分子的催化效率是有波动的，平均才有效——就是说，酶在催化时，一会儿活性高，一会儿活性低，就像累了要歇一歇似的....
是一种Nonequilibrium Steady state
在体外，单分子几乎不改变浓度（周围反应物浓度几乎不变，产物由于扩散和生成的平衡也几乎不变）
由此可引入化学势能的概念
Single Molecule DNA Polymerase
通过加入4种荧光的dNTP可以边合成边测序
但测序通量和准确性并不高
Single Molecule at Live Cell Gene Expression
将YFP插入到大肠杆菌膜上Lac相关蛋白的基因后面
就可以在荧光显微镜下看到闪光
每一次闪光就是一个蛋白嵌到细胞膜上
Realtime Observation of Transcriptional burst
被诱导表达的基因会在短期内大量表达
通过超高分辨显微镜可以看到DNA-Loop with H-NS（binding protein）
DNA-Looping是一种Supercoiling，阻止转录的Initiation 和Elongation
Topo I和gyrase可不耗能地切断DNA链以降低正超螺旋
在不同情况下，2种DNA结合蛋白的修饰将决定其是否脱落以暴露切割位点
多步骤反应遵循Gamma Distribution或Gaussian Distribution
in vitro实验目的是反映in vivo过程
突变包括copy number variation和single nucleotide variation
通过MALBAC实现完美的单细胞DNA扩增
不同于PCR的指数扩增
MALBAC利用特殊引物，使得扩增子的结尾互补而成环，从而提高扩增均匀性
用于全集因组测序
可以达到no false positive, 30% false negative的程度
检查极体核型可以确认受精卵是否有遗传病（第一极体2n，第二极体n，观察是euploid还是aneuploid）
探查基因拷贝数以确认是否有遗传病
已可在产前判断遗传性多发性骨软骨瘤（HME）

【植物特有生命现象导论——范六民 3 文献讨论课】
过去的遗传学：正向遗传学——先随机突变，看性状，检测基因
现在的遗传学：反向遗传学——先点突变，再看性状
pyrabactin是ABA的类似物，可以结合PYR/PYL，抑制后者活性
免疫共沉淀 put down array
Chemical genetics
________________________________________________
P5C——P5CDH（脱氢酶）——P5C降解
而P5C与脯氨酸的合成有关
P5CDH活性抑制，则植物抗逆性提高
DCL——dicer-like protein 植物中无Dicer酶，但有类似物，可切割双链RNA成siRNA
SRO——植物中一种无活性的DNA pol
nature siRNA是植物体内源的小RNA，可以自发表达，长度21~24nt
重叠基因可以产生nature siRNA
P5CDH的编码区与SRO5基因的5'-UTR区域有重叠，该重叠序列便是siRNA
这段24nt的siRNA结合P5CDH的mRNA，促使后者降解
正常SRO5可以产生一种21ntsiRNA，而P5CDH与SRO5重叠部分产生24ntsiRNA
对SRO5变异的突变体，不能产生21nt和24nt
对P5CDH变异的突变体，产生正常的21nt和异常/正常杂交的24nt
如果24ntsiRNA异常的话，在高NaCl的刺激下，WT会提高Pro浓度，而突变体不能
这也可由如下情况证明：异常SRO5突变体中ROS含量最高
______________________________________________
Cold-regulated genes（ICE）——CBF基因——CRT基因（如COR，CBF结合在5'）
Cryoprotective gene---COR gene
CaMV 35S promoter是花椰菜花叶病毒（Cauliflow Mosaic Virus）的强启动子，突变体中会标注【35S】
拟南芥CBF 35S Mutant（A6、B16）中COR constitutive express，说明CBF直接作用于COR
检测Electrolyte leakage以调查细胞破裂情况
A6、B16的leakage与RDLC（cold acclimated）相近，而远低于野生RDL品系RDLW（WT）
T8仅高表达一种COR基因，其Leakage也远低于RDLW
对比EL50的温度/℃
T8：-3.8
B16:-5.2
A6：-7.8
RDLC：-7.9
RDLW：-3.9
某种分子作用于某个基因，导致其抑制或表达，可通过该因子的单突变体来确定两基因间的调控关系

【植物特有生命现象导论——A case study:the biosynthesis pathway and the signal transduction pathway of ethylene by 安丰英】
主讲居然是郭红卫实验室的研究生....醉了.......
毕竟郭红卫是做乙烯的，她讲乙烯也是肯定的
乙烯的合成——SAM循环，因为发现者为杨祥发，故名Yang Cycle
ACC合酶(ACS)———ACC——ACC氧化酶（ACO）——CH2=CH2（C来自ACC中的2个碳骨架）
通过同位素示踪查明了碳的来源去路
ACS基因的确定：
西葫芦+Auxin/CTK——ACS——注入兔体内提取B细胞做单克隆抗体——过柱子——ACS抗体——Western Blotting——特定条带——筛选cDNA——ACS基因——导入酵母——加SAM即可产生ACC
ACO基因的确定：
一个动力学特征和ACO相似的cDNA片段确定了——导入antisense RNA——ACO基因抑制，乙烯产量下降
——将cDNA导入酵母——加ACC即可产生乙烯
ACS是限速酶，且是被诱导的
ACO是组成行表达的，加入ACC即可产生乙烯
拟南芥中有9种Type的ACS
TypeI 和 II 是同一个Type内形成异源二聚体
Type III可与其他种的ACS形成异源二聚体
一共有25种异源二聚体
结构：
Type1 N end——————[CDPK位点][MAPK位点]——C end
Type2 N end——————[CDPK位点]——C end
Type3 N end——————？——C end
ACS易被泛素途径降解，被CDPK或MAPK磷酸化后会增加稳定性
MAPK常常与Wounding和pathogen有关，而CDPK主要是内源激素的影响
此外ACS4 IAA induce，ACS5 cytokinin induce, ACS6 ozone induce，显示出对不同刺激的应答
ACS在植物体中表达还具有时空特异性
AVG（氨氧乙基乙烯基甘氨酸）是辅酶PLP（磷酸吡哆醛）的类似物，可竞争性抑制ACS活性
ACS是正反馈调控，ACS产生的乙烯反过来可以促进ACS基因的表达
eto突变体，ETO的C end结合ACS的区域发生变异，导致ACS无法泛素化降解
转入antisense RNA的番茄可以保证晚熟
而花则是以impair ETH responding pathway的方法避免很快凋谢
朱玉贤——乙烯促进棉花纤维伸长 Shi YH et al. (2006) Plant Cell, 18: 651-664
白书农——乙烯与黄瓜单性花 Wang et al. Plant J, 2010)
乙烯三重反应包括顶钩加剧和下胚轴变粗是抗逆的表现
避免了因为异物阻碍生长而压迫顶端分生组织
ET Mutant Screening:
无ET——constitutive express
低ET——weak insensitive
高ET——significant insensitive
包括不敏感突变体（如etr1-1、ein2、ein3、ein5）、组成型乙烯反应突变体（如ctr1、eto1、eto2、eto3）组织特异性反应变异（如hls无顶钩，eir下胚轴无增粗）
一般诱变方法是：
T-DNA插入突变——以T-DNA序列设计引物插入点附近测序——与WT杂交判断显隐性
——转基因看是否互补：Dominant是Mutant转入WT看是否变异，Recession是WT转入Mutant看是否恢复
转基因诱变有位置效应，已知转基因的片段都有自己的启动子，如果转到了高表达区（如有顺式调控因子）则高表达，如转到了低表达区（如着丝粒附近）就低表达
（读法：etr1-1读作etr one dash one）
只给出突变体是看不出突变显隐性的，只能看出改变的性状
etr1只有显性突变体，因为隐性个体纯和致死，且由于基因冗余redundant，一个recession突变将无法表现出来
ETR可以与ET结合，这一点通过酵母的Ethylene binding assay可以证明
乙烯的途径很讨厌的一点在于，受体ETR无乙烯时是活化的，使CTR磷酸化，而CTR是直接抑制EIN2的
当乙烯结合ETR时，ETR抑制，而CTR不磷酸化因此被降解
EIN2是跨膜蛋白，C end极为复杂，1134AA残基后的突变会导致乙烯不敏感，因为此时已离开跨膜区
当然1134AA残基前的无义突变也会导致乙烯不敏感
相当于是2个负调控，所以关于loss-of-function和gain-of-function的表述会很繁琐
如ETR和CTR的gain-of-function就是乙烯不敏感，而loss-of-function就是组成性乙烯反应
乙烯受体家族有2个
ETR1和ERS1；ETR2、EIN4和ERS2
其中ETR、EIN突变体ET insensitive，而ERS突变体对ET仍敏感（redundancy）但可通过乙烯结合检测
ERS的检测：Hua et al 1995 science (Hua Jian)
杂交分析，判断显隐性

其中etr1属于gain-of-function，etr1*属于Loss-of-function
通过突变体杂交还可以判断基因上下游的关系
如etr1Xctr1----乙烯反应；ein2-1Xctr1----无乙烯反应，则基因间关系ETR-->-CTR--->EIN2
定位蛋白质位置的方法：免疫荧光、组分梯度离心、在蛋白质外显子后加GFP或GUS
GUS加底物可显色
酵母双杂交
一些突变体的特点
ein3-3 不完全丧失乙烯反应，显示EIN3是多基因家族
ein2的突变体完全丧失乙烯反应，则EIN2是单基因
而推论可知，ein2转基因到ein3，后代不完全恢复（EIN3在EIN2下游，且EIN3是多基因家族）
ctr的N end为可变区，起调控作用，而C end为Raf-like有激酶活性
overexpress ctr的N end可以导致乙烯不敏感，因为没有激酶活化下游蛋白
即使转入正常的CTR基因，N end也可以竞争正常的ctr，仍然导致乙烯不敏感，此即dominant negative
ctr1-8、ctr1-9为N end突变，虽然仍有激酶活性但由于无法结合ETR而不能显示作用
亦无dominant negative效果
dominant negative
EMSA 凝胶阻滞法——蛋白抗原抗体杂交后，因分子量过大不能产生通过凝胶孔产生条带，突变蛋白或其他蛋白无法结合抗体，因此可以产生条带
最后放几篇文献吧：
【乙烯信号转导的分子机制】 安丰英、郭红卫 植物学通报 2006
【植物乙烯信号转导研究进展】植物分子和生理学报 2004
这些都是好老的东西了
现在遗传学分析只是用于做结果的验证
发现工作都交给分子生物学了，做in situ hybridization之类的
但这样会得到很大量的data
所以学生物信息的会很吃香
于是咱想转研究方向了................................

上课PPT
一张图是一个人拿了山药一样的棍
外表黄的，中心银色
张俊龙的口音也是醉了
你们猜这是什么？这是一块蜡（钠）！
.....
如果你把这种还原剂加到柱子上
你就有了一根超级无敌还原柱
23333

我才布吉岛vital是什么意思，你一定要多多骗我~

1879年，瑞典的化学教授尼尔森(L.F.Nilson),在稀有的矿物硅铍钇矿和黑稀金矿中找到了一种新元素.
他用他的故乡斯堪的纳维亚 Scandinavia半岛给钪命名为Scandium
而我觉得，也可能是scandal（丑闻）= =
原谅我的脑洞~

高数成绩出来以后
王家军就火了
首先是有15%的挂科率= =
其中有2个人居然是因为没计入期中成绩而挂科的
（虽然事后证明两人期中考没填学号作废→_→）
再有优秀率只有20%
被质询时，王JJ表示，P大要求的优秀率下限就20%，你有意见?
身边各种被高数虐哭的可怜人儿呐……

物理老师陈晋平
（特意强调是Chen C.P. 莫名喜感Orz）
一个看起来很稳重的中年人
中气很足，上课富有激情却又慢条斯理
擅长把一句话拖很长
并且加入各种“XX呢(ni)”
——我们呢，那么呢，另外呢，所以呢，就是呢
而且经常面不改色地抖出各种段子：
这里有一些物理竞赛题，嫌课内作业少的可以拿去增加生活乐趣
你们可以边听音乐边刷题嘛~
跳楼和走楼梯消耗的势能是一样的，只不过前面那个消耗得更剧烈点……

生科狗的愤怒！
另外树洞君列克太太的头像简直瞩目O_O

陈CP恶意卖萌系列——拉普拉撕算子= =
【据说去年ppt上就有这个错= =