整合组学数据的代谢网络模型研究进展

基因组规模代谢网络模型(genome-scale metabolic model, GEM)是根据化学计量平衡原理,基于基因-蛋白-反应三者关联,建立包含细胞生长必需的生化反应数学模型.细胞代谢网络存在复杂的调控,通过基因和蛋白表达量及代谢物浓度变化调节代谢反应通量,而这些数据无法直接反映代谢反应的通量. GEM研究面临的一个挑战是如何整合不直接反映代谢通量的数据类型,并将这些调控过程在代谢模型中进行准确的描述.本文综述了将高通量组学数据整合到代谢化学计量模型中的方法,包括根据基因和蛋白的表达判定代谢反应状态、筛选核心代谢反应集、代谢反应通量边界约束、转录调控网络整合和多时间尺度基因动态表达约束等;比较分析了不同算法的优缺点和应用场景;介绍了GEM与多组学数据整合在解析生物代谢特征、分析遗传和环境扰动、筛选癌症治疗潜在药物靶标和抗代谢药物等方面的应用;展望了组学数据和代谢网络模型集成的发展趋势.     

从单菌株组学到宏基因组学:Lactobacillus casei Zhang益生功能

干酪乳杆菌Zhang(Lactobacillus casei Zhang, LCZ)是一株研究充分的益生菌,受传统蒙医学的启发,分离筛选自内蒙古牧民的自然发酵酸马奶.其研究经历了3个主要阶段,单菌株组学体外评价阶段,肠道优势菌结合益生功能体内评价阶段,益生功能评价与肠道菌群组学结合的阶段.LCZ经过耐酸耐胆盐筛选,具有较好的体外黏附特性和体外调节巨噬细胞活性的作用.接着进行了菌株全基因组的测定和解析,抗生素抗性实验显示其具有较强的基因组稳定性.生长过程、酸应激和胆盐胁迫的蛋白组学鉴定出一系列与益生菌生长和抗性相关的功能蛋白.进一步体内试验表明,LCZ已经被证明具有调节肠道菌群的丰度和比例、抗脂质过氧化和增加抗氧化酶活性、调节细胞和体液免疫以及肿瘤免疫功能、改善血脂和肝脏脂质代谢、缓解口服糖耐量受损和预防二型糖尿病、保护肝脏和预防肝损伤、抑制肝移植瘤生长和诱变结肠癌发生发展等多项功能.小规模人群试验表明, LCZ可以维持肠道菌群的丰富度,增加有益菌的丰度和减少潜在有害菌的丰度.更重要的是,通过调节肠道菌群预防上呼吸道感染和改善部分衰老指标的功能在中等规模人体随机临床试验中也得到了验证.益生菌LCZ未来将在改善肠道菌群方面发挥更大的益处,具有开发为预防和辅助改善疾病的保健食品/特医食品的潜能.     

向生物小分子进军

随着人类基因组计划和人类蛋白质组计划的实施，从科学家到普通民众，都对生物体中的生物大分子——核酸和蛋白质的重要性有了深刻认识。核酸和蛋白质是生命的物质基础和功能基础。然而，对生命体中的各种化学小分子也不应该忽略。首先，小分子是生物大分子的基本“砖块”，如DNA和RNA是由成千上万的碱基和核糖连接而成的，蛋白质则通常由几十到数百个氨基酸组成。     

气虚血瘀证大鼠尿液的核磁共振谱代谢组学

利用基于核磁共振氢谱的组学分析方法研究气虚血瘀证大鼠对比于正常大鼠尿液的组成变化, 发现病变大鼠尿液中甲酸(formate)、肌氨酸酐(creatinine)、α-酮戊二酸(2-oxoglutarate/2-OG)、柠檬酸(citrate)、牛磺酸(taurine)、氧化三甲胺(trimethylamine-N-oxide/TMAO)、琥珀酸(succinate)、马尿酸(hippurate)等成分的含量发生了变化, 为进一步提示气虚血瘀证的产生机制和病症治疗提供了证据.     

21世纪的RNA研究

美国<科学>周刊分别于2001年、2002年初评出上一年度的世界十大科学突破,RNA研究均位居第二:生命可能始于RNA,而非DNA;RNA干扰在使哺乳动物细胞的基因表达沉默和RNA在调控方面的很多新发现超出了科学家原先的想象.国际上,RNA研究正在受到人们前所未有的关注.     

绘制人类代谢组图

1998年，当“代谢组学”（metabolomics）这一新术语出现时，并没有引起研究者的广泛注意。然而最近，在分析化学研究的支持下，这一领域（“代谢组学”）——侧重于细胞、组织或生物体中整套的小分子代谢物——明确了新的定位：2008年有500余篇论文提到“代谢组学”一词。随着光谱数据、浓度、化学结构及更多信息大量增长．     

义县组同位素年代新证据及土城子组^40Ar／^39Ar年龄测定

重新采集了中国辽宁北票地区四合屯和恒道子义县组下部的火山灰样品以及下伏土城子组上部的火山灰样品,分别对样品中的透长石和黑云母单晶进行了40Ar/39Ar全熔融分析和阶段加热分析,结果显示:四合屯和恒道子的义县组与四家子的土城子组3组透长石单晶样品的平均年龄分别为（125.0±0.18（1SD）±0.04（SE））,（125.0±0.19（1SD）±0.04（SE））和（139.4±0.19（1SD）±0.05（SE））Ma,都显示义县组（还包括土城子组上部）时代为早白垩世;3组黑云母单晶样品的阶段加热分析和等时线对比作图都显示Ar体系受到了明显的干扰,含有被捕获的过剩Ar成分,反映其年龄比义县组的实际年龄偏老.四合屯和恒道子透长石40Ar/39Ar全熔融年龄和四合屯相同地点锆石U-Pb年龄（125 Ma）的吻合进一步证明,四合屯火山灰样品没有受到后期热事件的扰动,义县组时代为早白垩世中期.土城子组的时代可能不早于晚保罗世,至少其上部可归于早白垩世.     

浮萍的研究及应用

水生漂浮植物浮萍隶属于天南星科,共5个属, 36个种,其中的芜萍属是世界上最小的开花植物.浮萍个体微小(大小约0.5 mm～1.5 cm)、结构简单(仅由叶状体和假根组成)、无性繁殖快(约24 h翻一倍),富含淀粉和蛋白,对环境适应能力强,尤其对氮磷、重金属和有机污染物具有较强的富集能力,还广泛分布于世界各类淡水生境,如池塘、湖泊、稻田等.上述优势特征使浮萍在生物学、生物能源开发以及污染修复等方面的研究和应用取得了令人瞩目的进展.目前,近10个浮萍物种已经建立了高效的遗传转化体系,且常用浮萍植物,包括紫萍(Spirodela polyrhzia)、青萍(Lemna minor)、青萍(Lemna gibba)和芜萍(Wolffia australiana)已经完成全基因组测序,为利用分子生物学和生物信息学技术手段开发和挖掘浮萍中有重要应用前景的功能基因以进行浮萍品质改良奠定了基础.本文介绍了浮萍的起源、分类和进化,及其在形态解剖学、生理学、遗传转化和组学方面的研究,并详细阐述了浮萍在食品、饲料和生物能源开发,以及污染修复中的应用进展,最后对浮萍未来的研究方向和应用前景进行了展望,为开展浮萍基础生物学研究和资源利用提供参考.     

自身免疫性肝炎、原发性胆汁性胆管炎及其重叠综合征的临床代谢组学表征及区分

自身免疫性肝炎(autoimmune hepatitis, AIH)、原发性胆汁性胆管炎(primary biliary cholangitis, PBC)及其重叠综合征(overlap syndrome, OS)是临床常见的3种自身免疫性肝病,由于其发病机制的复杂性和混杂性,给临床准确区分诊断带来了挑战.本研究采用非靶向代谢组学方法,尝试对42例AIH、103例PBC和57例AIH-PBC OS患者血清筛选可辅助区分诊断3种肝病的代谢组学特征标志物.结果表明,在与AIH和PBC相关的所有变量中共鉴定出101个特征代谢物,并进一步筛选出富集于胆汁、磷脂和氨基酸代谢途径的29个代谢物,作为对AIH和PBC区分能力最强的指纹性代谢物.从指纹性代谢物中压缩降维得到的特征代谢物向量,显示出良好的区分诊断AIH与PBC的能力,受试者工作特征曲线下面积达到0.797(P<0.0001).基于指纹性代谢物主成分分析的可视化分布图, PBC和AIH样本呈现出3个区域:单纯PBC样本区、单纯AIH样本区和混合区.而将AIH-PBC OS样本放入该模型后发现, AIH-PBC OS样本在上述3个区域...     

代谢组学：系统生物医学的关键角色

系统生物学是以实验、系统论和计算方法整合研究为特征,研究生物系统组成成分及其相互关系的学科．而系统生物医学是系统生物学在医学应用研究领域的分支．它以临床医学问题为导向、临床样本为研究对象．采用组学生物技术、生物信息学建模和分子生物学技术等集成化、系统化与高通量化等研究策略。其技术手段涵盖基因组学、表观基因组、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等不同层次的全局性研究方法,并辅以影像学、分子生物学、生物分子定量分析等经典还原性分析方式。     

数字解剖学——数字医学的基础

传统解剖学科学系统的创立已经有500多年历史,它是医学发展的基石.在人体解剖学建立之前,医学基本依靠猜测来诊断和治疗疾病.公元2世纪,罗马医圣盖伦(C.Galen)进行动物及人的解剖研究,写出了<论人体各器官的作用>(On the Utility of the Part)和<论解剖程序>(On Anatomical Procedure)等著作,统治医学近1200年.文艺复兴时期,比利时医生维萨里(A.Vesalius)以大量丰富的解剖实践资料,对人体的结构进行了精确的描述.他在<人体的构造>(De Humanis Corporis Fabrica)中.     

中药特异质肝损伤易感因素的代谢组学研究:以何首乌制剂为例

药物特异质肝损伤的易感机制是当前临床毒理学研究的难点.本研究以何首乌制剂——润燥止痒胶囊为例,结合临床病例分析,采用代谢组学探讨其肝损伤可能的易感机制.病例分析表明润燥止痒胶囊相关肝损伤具有较典型的特异质属性,且与免疫异常活化有关.在正常小鼠上,灌胃润燥止痒胶囊对肝功能生化指标和肝组织病理无显著影响;在易感模型小鼠,免疫应激造模因素并未引起肝损伤表型,仅伴随肝组织少量炎性免疫细胞浸润,但从代谢组学可见组氨酸和丙氨酸等代谢通路显著上调(P0.01)和色氨酸等代谢通路显著下调(P0.01),提示代谢重编程可能是其肝损伤易感因素的重要内在机制;而在免疫应激易感因素基础上,灌胃润燥止痒胶囊引起了显著的肝损伤表型,并伴有肝组织大量炎性免疫细胞浸润和炎症反应,同时代谢组学上亦表现为花生四烯酸、亚油酸、甘油磷脂、胆汁酸等与炎症相关代谢通路的显著改变.综合提示代谢重编程可能是药物特异质肝损伤易感性的重要机制之一.基于易感因素相关的代谢紊乱通路,筛选发现了亚油酸、骨化二醇、18-羟基皮质酮等10个生物标志物可较好地识别易感模型动物(ROC分析中AUC均大于0.9),对临床识别易感人群具有潜在的应用价值.     

编者按

<正>随着高通量高分辨率组学技术的发展,以基因组学、蛋白组学、代谢组学等为代表的海量生命组学数据随之大量产生,相关的信息挖掘算法和系统生物学研究成了生物信息学发展的新热点.一     

油菜次生休眠种子转录组的RNA-seq分析

油菜种子次生休眠特性是油菜产区自生苗长期留存并持续危害的主要原因,也是转基因油菜环境安全评估的重要性状.为探讨该性状的分子生态学特征,本研究以强次生休眠油菜品种的成熟种子为材料,对次生休眠前种子(CK)和次生休眠后种子(SD)的转录组进行了RNA-seq分析.2份样本测序所得的有效数据均超过了4 Gb,并从头拼接出序列长度?100 bp的转录本314261个,其中29740个转录本的序列长度?500 bp.根据功能注释信息,在?500 bp的长序列转录本中有1641个成员被分类到24种COG类群,有16515个成员被GO分类到2648个功能节点.在P?0.001显著性水平和2倍以上RPKM变化条件下,鉴别出452个代表性的长序列差异表达转录本,其中343个成员有序列高度相似的拟南芥同源基因对应.数据显示,绝大多数ABA,GA合成代谢和信号转导基因能从休眠种子转录组中找到同源转录本,但它们的表达水平在样本间多无显著差异.综合GO富集、KEGG富集以及种子休眠调控基因同源转录本的差异表达信息,脂肪酸代谢信号有可能参与到油菜种子次生休眠的诱导发生.本研究结果对于认识油菜自生苗发生规律和评估转基因油菜环境安全性具有重要意义.     

人类蛋白质组研究的前瞻与反思

自1995年蛋白质组概念的提出,至今已13年,人类蛋白质组组织(HUPO)成立也7年.蛋白质组研究已是生命科学中"热点中的热点".而一项更雄心勃勃的人类蛋白质组计划正在酝酿中.