来源:Quantitative Biology 发布时间:2022/4/20 16:42:00
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QB | 李衍达院士:永不止步的先驱者、探索者与奠基人

论文标题:李衍达院士:永不止步的先驱者、探索者与奠基人

期刊:Quantitative Biology

DOI:10.15302/J-QB-022-0290

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李衍达院士

李衍达,1936 年生,广东南海人。1959 年清华大学自动控制系毕业。1978 年至1981年在美国麻省理工学院做访问学者。1992年至1994年任清华大学自动化系主任,1994年至2004年任清华大学信息科学技术学院院长。曾任清华大学学术委员会主任、学位委员会副主任、校务委员委员。在外兼职中,曾任国家学位委员委员,学位委员会控制科学与工程学科评议组召集人,科院信息学部常委委员常委会主任、主席团成员等。在学会方面,被选为IEEE Fellow, 中国电子学会会士,中国自动化学会副理事长,中国自动化学会智能控制分会会长和名誉会长、电子学报主编等。清华大学自动化系教授,中国人工智能学会会士。信号处理与智能控制专家,主要从事信号处理理论、智能信息处理和生物信息学研究。1991年当选中国科学院院士

1936年10月,李衍达出生于中国广东省东莞市。童年时,由于战事纷纭,他不得不随父母几度辗转于各个城镇之间。即便如此,他仍然在广州完成了高中学业(图1)。在此期间,他对物理表现出了浓厚的兴趣,并于1954年被清华大学电机系录取。1958年,凭借在大学优异的表现,李衍达在其毕业前一年就留校任教,开启了他长达60年的教学、研究生涯。这60年来,李衍达院士开创了众多学术领域,是清华大学多个新研究方向的奠基人。

图1. 高中时代的李衍达

学术生涯早期,李衍达致力于电子和自动控制方面的研究。1959年,他参与了中国第一台数控机床的维护与操作。随后,他带领一组研究生开发了中国第一台钻床控制计算机。

1978年中国改革开放后,李衍达通过严格的选拔,作为中国大陆首批赴美访问学者,获得了前往麻省理工学院(MIT)学习和研究的机会。他的研究兴趣从电子转到了信号处理领域,并加入了Alan V. Oppenheim博士的实验室。正是在这个时期,李衍达开始了真正的前沿研究。他选择研究石油勘探相关的地球物理信号处理,发现地震勘探信号波的到达时延与相位谱之间存在着密切关联,并据此发明了根据信号波时延重构地表下结构信息的方法。这项工作对信号处理的其他领域也产生了广泛的影响,后来作为专著收录于《信号重建理论与应用》期刊中。

经过在MIT两年的学习和研究,李衍达于1981年返回清华大学任教。他组建起一支石油勘探信号处理研究团队,并与各大石油企业开展合作。很快,他和他的团队就意识到石油和天然气勘探中地震信号处理的关键限制不在于数据处理方法的能力,而在于信号中包含的信息。尽管先进的信号处理方法在一定程度上有助于提高地震信号的分辨率,但增大信息量对于提高油气藏的预测精度更为重要。为此,他提出整合测井数据和地震数据信息,并与地质学知识相结合。循着这一思路,李衍达带领团队开发了整合多模态信号与先验知识的模式识别和神经网络方法,开辟了地震信号处理的新道路,形成了智能信息处理的新学科分支。新方法在中国几个主要油田上取得了巨大成功。1992年,李衍达在北京组织了第一届智能信息处理国际研讨会(ISIIP’92)。

1994年,互联网进入中国,但还远未普及。此时,李衍达就意识到互联网将是通信的未来,并预测网络信息处理将成为智能信息处理领域的一项巨大挑战,同时也具有广阔的应用前景。他新成立了一个互联网信息处理研究团队。这一团队后来成为了系里多媒体技术方向一个重点实验室的前身,并孵化出一家在纽约证券交易所上市的高科技公司。

在上述领域的成功并没有让李衍达停下进一步探索新领域的脚步。1996年前后,由于人类基因组计划的推动,基因组数据极速积累,这吸引了他的注意。在与多名生物学家讨论并仔细研究了基因组的信息结构之后,他发现,一方面,基因组数据中的智能信息处理存在诸多挑战;另一方面,生命科学本质上是一门信息科学:理解生物学的关键是理解生命背后的信息如何运作的。彼时,生物信息学和计算生物学还没有成为国际上广泛认可的研究学科,在中国也鲜有人知。李衍达花费数年时间,呕心沥血,在清华乃至全中国推广这门学科。2002年,他横跨生命学院和自动化系,建立了清华生物信息学研究所,这是中国第一个生物信息学教育部重点实验室。2001-2002年,他派青年教师张学工博士访问哈佛大学王永雄教授的实验室,系统地学习研究计算生物学。2003年,他邀请冷泉港实验室的张奇伟博士来清华担任客座教授,帮助学科建设。2007年,李衍达鼓励张学工组织了为期一个月的中国生物信息学全日制研究生暑期学校(图2)。它培养了来自全国约80所院校的约200名研究生,他们中的许多人现在已经成为了生物信息领域的学术或行业领导者。2008年,李衍达、张学工、张奇伟三位教授在清华成立了生物信息学讲席教授团队,成员包括Michael S. Waterman、王永雄、张奇伟、刘军、姜涛、Thomas Gingeras、孙丰珠、任兵和陈挺这9位国际著名的生物信息学专家。经过不懈的努力,清华大学已成为享誉全球的生物信息学研究和教育的重要基地。

图2. 李衍达院士在GSSBC’07上做报告 (张学工拍摄)

生物信息学是一门十分广泛的学科。李衍达选择了两个独特的角度作为起步:一个是人类基因组远程信息结构的分析,另一个是可变剪接的计算分析。他利用信号处理理论和方法探寻基因组远程相关性的工作较远程相互作用和三维基因组的流行早了约20年。他们开发的AsMamDB数据库是首个哺乳动物可变剪接的数据库。他们也是首个详细阐述极短可变剪接事件对蛋白质结构和功能影响的人。这些开创性的工作为可变剪接的系统研究做出了重大贡献,远在可变剪接的重要性因基因组芯片的发明而受到足够重视,以及RNA测序技术证明大部分人类基因都会经历可变剪接之前。

miRNA是一类在基因表达转录后调控过程中发挥重要作用的调控RNA。它们的重要性如今已广为人知,但在21世纪初期却鲜有人了解,直到2006年Andrew Fire和Craig Mello因发现与miRNA在调控基因表达上具有相似机制的RNA干扰(RNAi)而获得诺贝尔奖。李院士的实验室从2003、2004年开始研究miRNA。当时,由于缺乏发现新miRNA的高通量实验方法,利用基因组序列计算预测 miRNA 是在基因组中发现新 miRNA 的主要方法。李衍达指导他和张学工课题组的学生直面这一挑战。他们开发了两种预测miRNA的计算方法:一是基于序列和结构比对识别新miRNA的miRAlign方法;另一种是无需与已知miRNA比对就能分辨真实的或伪造的miRNA的Triplet-SVM方法。这两种方法分别通过同源性搜索和从头发现,在识别新miRNA上取得了当时最好的效果,为该领域做出了重大贡献。此外,李院士的实验室还贡献了一系列早期研究的miRNA表达模式。许多在李院士指导下进行上述研究的学生现已成为该领域的领路人,比如汪小我教授和古槿教授。

李衍达院士的另一个主要贡献领域是关联分析中多个SNP或基因的上位效应研究。2002到2005年,许多研究者涌入 GWAS(全基因组关联分析)领域,但他们大多专注于寻找单个基因位点与疾病或其他表型的关联。李衍达坚信复杂的人类疾病必然与多基因的相互作用有关,而非单个基因。他与北京协和医学院的沈岩教授合作开发了一种针对复杂疾病的新策略,并发现了偏执型精神分裂症多巴胺通路中SNP组合模式的关联。李衍达院士发现缺乏有效的多基因关联分析方法,于是指导学生开发了一种分析多位点外显率方差的方法,用于复杂疾病的关联分析。之后,他又和江瑞教授联合指导学生开发了一种关联分析中利用贝叶斯模型和吉布斯采样策略检测上位模块的新方法,以及一种外显子序列研究中整合多基因组数据预测致病非同义SNP的方法。

李衍达院士还是最早提出生物系统,尤其是基因调控以及基因对表型的影响,只能从系统和网络的角度来理解的科学家之一。他也是第一个提出剪接位点竞争机制来决定剪接位点是可变位点还是组成位点的科学家之一(图3)。生物元件之间可能存在竞争的想法产生了深远的影响。受到这一想法的启发,汪小我教授、谢震教授、李衍达院士和张奇伟教授全力合作在miRNA 基因调控建模中引入竞争机制,并通过计算与合成生物学实验提出了调控系统的定量模型。从系统学角度看待生物,李院士与张奇伟教授将系统与合成生物学作为一个重要、全新的研究方向,推动其发展。它已成为清华大学自动化系、医学院、生命科学学院交叉学科重点研究的新领域。

图3. 2011年李衍达在讲课 (张学工拍摄)

李衍达院士对整个生物医学研究领域的一个独特的贡献是促进了中医药研究。自从事生物信息学研究早期开始,他就认为生物信息学和系统生物学可以为中医药现代化中的许多问题提供答案。2001-2003年,他招收受过传统中医训练的李梢为博士后,开始探索如何整合信息科学、系统科学、生物学和生物信息学,以揭示中医的奥秘。在李衍达院士与王永炎院士的指导下,李梢教授课题组提出了一个新的框架用以在神经-内分泌-免疫网络的背景下理解寒热证(或中医证候)的关键概念。经过近十年的努力,他们建立起一个可以解释中医潜在机制的全面的中医网络药理学理论。中医有着将每个患者视为一个不平衡系统的悠久历史,还原论者“单靶点、单药物”的方法无法成功解释中医中的现象。为了揭示经过长期临床实践证明有效的中药背后可能的分子机制,他们提出了“网络靶点、多药物”的新概念。这一革命性的方法引导人们发现了几种经典中草药配方可能的网络调节机制。它不仅从计算生物学和系统生物学的角度为中医现代化打开了大门,而且为推断各种生物学现象背后错综复杂的关系指明了新方向。

今年是李衍达院士86岁诞辰。虽然他已于2018年正式退休,却仍然积极参与学术活动,与年轻教师和学生们讨论。他提出,从数据中理解复杂生命系统的关键是发现看似无关的数据中潜藏的关联。他经常建议年轻的研究人员不要被学科界限禁锢了想象力,不要害怕思考没有人涉足过的问题和解决方法。过去的60年里,李衍达院士指导了超过100多名研究生,其中的许多学生现已成为全球多所顶尖大学的老师,还有学生已成为相关领域的行业领导者。

在教育和研究领域的诸多开创性贡献之外,我们还要特别感谢李衍达院士Quantitative Biology(QB)期刊的创办所做出的不可磨灭的贡献。QB期刊创办的由来是由高等教育出版社请李衍达院士创办一本新的英文学术期刊,李先生认为未来的生命科学将是信息与生命科学的交叉,便邀请张奇伟和汤超教授担任这本新期刊的主编。两位教授一致认为,所有未来的生命科学研究都应该且必将是定量的,并且应当能够用某种数学形式来描述,这就是QB的创刊经历。如今,QB期刊马上步入了她的第十个年头。我们衷心感谢李衍达院士极具前瞻性的视野,祝愿李衍达院士身体健康,生活幸福美满。昔年撒下的学术之种,终将长成参天巨树。

《前沿》系列英文学术期刊

由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》(Frontiers)系列英文学术期刊,于2006年正式创刊,以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题,是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群,其中13种被SCI收录,其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录,具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式,保证文章以最快速度发表。

中国学术前沿期刊网

http://journal.hep.com.cn

 
 
 
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