從古代科學時期，人類直觀地認識自然界，并將所獲得的知識包羅在統(tǒng)一的古代哲學之中；到近代科學時期，人類開始對自然界進行系統(tǒng)地觀察、設計精確的實驗，并初步建立起嚴密的邏輯體系；再到現(xiàn)代科學時期，科學的發(fā)展把人為分解的各個環(huán)節(jié)重新整合起來。在這100多年時間里，始終勃興的交叉科學面對消除各學科之間的壁壘的挑戰(zhàn)，有望填補它們之間邊緣地帶的空白。特別是從抽象的數(shù)學到實際的生物醫(yī)學，需要跨越一道道鴻溝。

為實現(xiàn)這一跨越，眾多學者在生物信息學、系統(tǒng)生物學交叉研究這片廣袤的沃土上耕耘并收獲著創(chuàng)新性成果，而中國科學院數(shù)學與系統(tǒng)科學研究院的研究員王勇是其中一員。一直以來，他致力于用手中的數(shù)學工具為看似遙遠的抽象數(shù)學和實際的生物醫(yī)學“牽線搭橋”，將“天塹”變成通途。

在生物醫(yī)學的后花園“玩?！?/p>

1995年，王勇作為國家首屆數(shù)理基地班的學生得以免試推薦到內蒙古大學。一開始他身肩繁重的課業(yè)壓力，既要學習數(shù)學又要學習物理。到大三專業(yè)分流時，他最終選擇興趣更為濃厚的數(shù)學，從此踏入數(shù)學研究的大門。之后，他又經免試被推薦到大連理工大學攻讀碩士。一路走來，王勇刻苦拼搏，勇往直前。2005年，他從中國科學院數(shù)學與系統(tǒng)科學研究院獲得運籌學與控制論博士學位，博士論文研究內容為基于神經網絡的蛋白質結構預測與分類研究。

對于攻讀博士階段轉向生物醫(yī)學研究，王勇給出了解釋：“生物醫(yī)學是一個龐雜的大學科，近年來在測序等新技術的推動下產生了大量的數(shù)據(jù)，需要在數(shù)學上找出產生數(shù)據(jù)的最佳的模型，揭示生物學家關心的因果關系；需要研究生物數(shù)據(jù)的基本數(shù)學結構，最優(yōu)的分離信號與噪聲；需要研究如何最優(yōu)地集成生物醫(yī)學數(shù)據(jù)。這些都離不開最優(yōu)化建模。”而他數(shù)學研究的背景，恰好就是“最優(yōu)化”。就像是一座橋梁，“最優(yōu)化”將數(shù)學與生物醫(yī)學連接起來，也將王勇和生物醫(yī)學的緣分連接了起來。

但“牽線搭橋”并不是那么容易，如何將其與最優(yōu)化進行交叉研究是個值得思考的問題。王勇漸漸摸索出一條可行的道路?！皬囊恍┣叭艘呀浹芯客笍亍?shù)學意義比較清楚的問題入手，采用計算的方法從數(shù)學角度來研究生物醫(yī)學問題，慢慢對生物的積累和理解就多了。”如今的王勇越來越了解生物醫(yī)學的研究方式，他可以站在生物學家的角度思考，提出一些他們所關心的問題，再尋找一些“有趣的數(shù)據(jù)”來進行數(shù)值試驗。對此，他戲稱自己“這是在生物醫(yī)學的后花園玩耍?！?/p>

2005年10月，王勇遠赴日本從事系統(tǒng)生物學方面的研究。在日本，他第一次接觸到“基因調控網絡”。“基因調控網絡”就是以基因為節(jié)點、基因之間調控作用為邊建立的生物分子網絡。王勇強調，這里的調控作用指的并不是兩段基因之間的物理相互聯(lián)系，而是一種間接通過mRNA、蛋白質、代謝物或者非編碼RNA實現(xiàn)的調控作用。

每個細胞都有一套完整的基因調控系統(tǒng)，用來保持體內代謝過程的正常狀態(tài)、適應多變的環(huán)境、防止生命活動中的有害后果、產生細胞周期特異性和外界信號的響應特異性。因此，研究基因調控網絡具有非常重要的理論和應用價值。它是系統(tǒng)生物學里的研究熱點，一改傳統(tǒng)“集郵式”的研究方法，強調以網絡、相互作用、動態(tài)行為等整體論觀點，并結合數(shù)據(jù)整合的觀點對復雜生命現(xiàn)象進行理解和詮釋。

然而，如何推斷基因調控網絡成為擺在眾多研究者面前的難題。由于生物實驗條件的限制，每個時間序列數(shù)據(jù)集只能在相對很少的時間點上取得觀測數(shù)據(jù)（一般少于20點），相比之下基因數(shù)量是非常龐大的，比如模式生物酵母菌中有6000多基因，兩兩基因間可能的調控關系有3600萬，需要找出和數(shù)據(jù)最匹配的調控關系的集合是個非常困難的問題。這種模型復雜性和時間序列數(shù)據(jù)嚴重不足之間的矛盾，就是通常講的“維度災難”。在希爾伯特提出著名的23個數(shù)學問題的整100年后，美國數(shù)學會召開了題為“21世紀的數(shù)學挑戰(zhàn)研討會”。會議上美國科學院院士、壓縮感知的提出者之一——Donoho教授發(fā)表了題為“高維數(shù)據(jù)分析中的維數(shù)災難”的主題演講，特別指出，維數(shù)災難是個核心的問題，在科學各領域中無處不在。王勇與合作者針對這個困難，提出了基因調控網絡重建的最優(yōu)化模型與算法，系列結果發(fā)表在生物信息學頂級雜志Bioinformatics 上，目前被引用300多次?；谠摲椒ǎ麄冇糜嬎惴椒ㄖ亟诵∈?4小時節(jié)律基因調控網絡，識別出一些新的重要基因，受到美國科學院院士、美國加州大學圣地亞哥分校SteveKey教授的高度評價，生物領域頂尖綜述期刊 Annu. Rev. Genet. 的綜述認為王勇等通過卓越的努力，成功地整合多樣和不完整的數(shù)據(jù)集，用數(shù)學建模彌補了數(shù)據(jù)的稀缺。

馳騁于廣闊原野

回憶起在國外的求學經歷，王勇坦言，收獲很多，能在交叉研究領域一直堅持下來，得益于很多好老師——博士生導師章祥蓀研究員、大阪產業(yè)大學陳洛南研究員、波士頓大學夏煜教授、斯坦福大學王永雄院士等。通過和這些老師合作，王勇在研究方法和方式上都得到了很大的啟發(fā)和幫助。

訪問波士頓大學生物信息學中心和斯坦福大學Bio-X中心，給王勇最深的感受就是“國外做交叉學科的條條框框很少”，習慣于成立“program”，往往是跨院系、跨研究組、將興趣相投的一群優(yōu)秀人才聚集在一起開展自由探索研究。這樣相較于傳統(tǒng)學科的研究方式，他們擁有更廣闊的天地和更加自由的發(fā)揮空間。王勇喜歡把他們這些做交叉研究的學者比作“曠野上的牛仔”，他們的獵物就是有趣的課題。而他所要做的就是選擇合適的工具伺機展開獵捕。這或許就是交叉學科的魅力所在。

2017年，王勇提升為中科院數(shù)學與系統(tǒng)科學研究院研究員，他的研究水平也更是上了一個階梯。他開始探尋更加前沿的全新領域。

半個世紀以來，基因調控的DNA編碼和轉錄因子編碼從物理、生化角度得到廣泛關注，但在基因調控與環(huán)境等外部因素交互等研究方面遇到了困難。因此，近年來位于中間層面的表觀編碼特別是染色質開放、被修飾和甲基化狀態(tài)得到密切關注，并形成遺傳學中一個前沿領域：表觀遺傳學，其重點研究基因的DNA序列在沒有發(fā)生改變的情況下，基因功能發(fā)生了可遺傳的變化，并最終導致表型的變化。有越來越多研究表明，染色體狀態(tài)從表觀遺傳學層面為基因調控的研究注入了新的元素，同時也開辟出新途徑。

針對基于染色質狀態(tài)的基因調控網絡研究中高通量數(shù)據(jù)的快速積累問題，已有的單層次數(shù)據(jù)方法還存在很多局限?！斑@需要對來自染色體和轉錄組兩個層次數(shù)據(jù)的集成方法進行深入研究，建立一系列可以應用于這些數(shù)據(jù)分析、整合的，且有嚴格數(shù)學與信息學理論支持的模型與算法，并應用到具體問題對生物機理進行探索，”王勇道出了問題的關鍵。

以染色質上基因的調控元件的開放狀態(tài)為核心，王勇梳理出了幾個核心問題，即染色質調控元件開放狀態(tài)參與基因表達調控的機理；調控元件的上游調控因子是什么？受這些功能區(qū)域調控的下游基因是什么？如何集成調控元件上下游的定量信息揭示基因調控機理 他與美國斯坦福大學王永雄教授、清華大學自動化系江瑞副教授開展合作，針對調控元件的開放狀態(tài)和基因表達相互作用機理和多層次數(shù)據(jù)特點，構建基因調控網絡來探索表觀遺傳與遺傳因素互作機理，極大地擴展了傳統(tǒng)基因調控網絡的概念。發(fā)表于《國家科學評論》的綜述文章“集成染色質開放狀態(tài)和轉錄組數(shù)據(jù)的調控網絡建?！敝?，介紹了這一方面的最新進展。他們合作開發(fā)的利用匹配的染色體開放狀態(tài)和轉錄組兩層次數(shù)據(jù)推斷調控網絡的研究工作近期發(fā)表在《美國科學院院刊》上。

最近，參與中科院先導專項研究“動物復雜性狀的進化解析與調控”，讓王勇感到尤為興奮。各個研究所，不同背景的研究人員被集中在一起，針對“進化的基因型、表型的系統(tǒng)生物學eGPS”進行研究。項目由昆明動物所牽頭，基因組所、上海生科院、遺傳發(fā)育所、北京動物所以及數(shù)學與系統(tǒng)科學研究院共同參與，王勇參與的是模型和算法部分的課題。

展望未來，王勇表現(xiàn)得尤為專注和踏實，他表示會按照興趣繼續(xù)探索下去。慶幸的是，中科院數(shù)學與系統(tǒng)科研學院為他提供了寬松的平臺，也給予他充分的時間來專注基礎研究，對此，王勇十分珍惜機會。未來，他期望以數(shù)學為器，在醫(yī)學的后花園種植出更多的豐碩果實。

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