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.     

山东胜利油田沾3油藏微生物组特征

以山东胜利油田沾3区注入水和采出液为研究对象,利用16S r RNA高通量测序技术,分析了油相样本、水相样本以及注入水样本的微生物群落结构.结果发现沾3油藏微生物多样性较高,注入水样本中细菌群落多样性最高,古菌群落多样性最低;而采出液油相样本的微生物群落多样性较采出液水相样本低.采出液微生物组的特征与注入水中微生物组的特征存在较大差异,具有明显的生境特异性.采出液油相样本与水相样本中主要的细菌类群包括γ-变形菌纲、ε-变形菌纲、α-变形菌纲、放线菌纲和梭状芽孢杆菌纲.在属水平上,采出液以假单胞菌占优势,而注入水中的优势菌属为硫单胞菌.采出液中古菌主要类群为甲烷微菌纲、甲烷杆菌纲、嗜盐菌纲、热原体纲、热变形菌纲和热球菌纲,尤其以鬃毛甲烷菌科和甲烷杆菌为主.对注入水和采出液水相中的油藏微生物与环境理化因子进行冗余分析(RDA)发现,注入水细菌和古菌群落均主要受SO_4~(2-)浓度影响,采出液水相样本中的细菌群落主要受Ca~(2+)浓度和pH等影响,而古菌群落则主要受Cl~-, Mg~(2+)和HCO_3~-浓度影响.该研究结果揭示了微生物在高温油藏环境中的空间分布特征及受控因素,为今后定向调控油藏微生物群落、进而提高微生物驱油的采油率奠定了基础.     

基于恶性疟原虫全基因组蛋白信息预测青蒿素的潜在抗疟靶点

结合NCBI分类数据库和KEGG提供的恶性疟原虫3D7株相关蛋白质信号通路信息, 筛选出8个处于信号通路关键位置的蛋白酶, 分别与青蒿素进行分子对接研究. 通过分析它们之间的结合模式, 发现嘌呤核苷磷酸化酶(pfPNP)、肽脱甲酰基化酶(pfPDF)和核糖-5-磷酸异构酶(pfRpiA)等3种蛋白酶与青蒿素的抗疟作用有关, 而青蒿素可能通过干预嘌呤代谢、嘧啶代谢、蛋氨酸代谢、乙醛酸和二羧酸代谢及磷酸戊糖途径产生抗疟效应.     

棉疫病菌诱导非寄主过敏反应激发子基因的克隆

采用功能筛选策略从以PVX病毒载体建立的棉疫病菌(Phytophthora boehmeriae) cDNA文库中克隆了能诱导烟草产生过敏反应的激发子基因(片段). 以农杆菌Mog101为宿主、利用PVX病毒表达载体构建了含有6800个单克隆的棉疫病菌cDNA文库, 采用牙签接种本氏烟(Nicotiana benthamiana), 从4100个克隆中筛选到12个能引起烟草过敏反应的阳性克隆. 对上述阳性克隆进行序列测定和分析, 结果显示, 其中7个与已知的基因具有较高的同源性, 其中PBC43编码一个特异的elicitin蛋白; PBC163编码一个Rab蛋白, 与大豆疫霉的RAB同源性较高; PBC241编码抗增殖蛋白(prohibitin); PBN62编码一个热激蛋白60 (HSP60). 还有5个克隆在公共数据库中没有同源基因, 提示可能是该病原菌特异的激发子基因. 上述结果表明, 利用病毒表达载体构建cDNA文库, 用功能筛选策略可从棉疫病菌全基因组范围内筛选诱导烟草产生过敏反应的激发子基因, 该方法可望为其他植物病原菌激发子基因的克隆提供技术平台.     

南黄海沉积物的来源及分区: 来自轻矿物的证据

利用南黄海222个沉积物样品的轻矿物鉴定资料, 对南黄海的轻矿物百分含量分布进行了详细的划分, 突出了极高值和低值含量的分布. 划分出5个轻矿物组合分区: Ⅰ-南黄海北部矿物区, 物质主要来源于黄河; Ⅱ-南黄海中部矿物区, 物质多来源于黄河, 一部分来源于长江; Ⅲ-混合矿物区, 物质来源受黄河、长江的双重影响; Ⅳ-长江口东部矿物区, 物质主要来源于长江; Ⅴ-南黄海南部矿物区, 物质来源可能受残留沉积影响, 且受现代长江的影响较大. 区分出5个轻矿物分区的优势矿物组合以及特征矿物.     

索马里棉异源单体附加系的形态及分子特征研究

通过细胞学和形态学观察, 从(陆地棉×索马里棉)异源六倍体的陆地棉回交后代中, 鉴定出2个异源单体附加系, 用RAPD方法对其附加的染色体来源进行分子鉴定和区分. 在160条引物中, 筛选出引物SBSG11能特异标记异源单体附加系Ⅰ所附加的索马里棉染色体, 特征带长约600 bp; 引物SBSC03能特异标记异源单体附加系Ⅱ所附加的索马里棉染色体, 特征带长约700 bp; 引物SBSE07和SBSE08分别扩增附加系Ⅰ和附加系Ⅱ产生共有的特征带. 高强纤维索马里棉异源附加系对棉花品种改良可能具有重要的价值.     

心跳间隔增量序列的多尺度分析及临床应用

通过对心跳间隔序列、心跳间隔增量序列的多尺度熵和多尺度标准差分析, 发现心跳间隔序列的多尺度熵主要反映年龄对心脏活动水平的影响, 不足以作为区分充盈性心衰的诊断依据. 然而, 心跳间隔增量序列的多尺度熵分析却显示充盈性心衰和房颤患者心率变异性的复杂性较健康人有显著降低, 揭示两种疾病的心率变异性有着共同的潜在动力学性质. 提出了以心跳间隔增量序列在尺度4下的样本熵作为充盈性心衰和房颤的诊断依据并给出了参考值. 通过分析不同心功能分级对结果的影响, 发现即使是轻度心衰也能显著区别于健康人, 意味着该参数可以用于心衰的早期诊断.     

鲤鱼3个亚种线粒体DNA ND5/6区段的PCR-RFLP分析及亚种间分子标记的确立

从鲤鱼3个亚种(Cyprinus carpio carpio, Cyprinus carpio haematopterus和Cyprinus carpio rubrofuscus)中选出具代表性的品系共10个, 运用PCR方法, 扩增出2.4 kb的mtDNA ND5/6区段. 共用9种限制性内切酶进行酶切分析, 结果表明, 每个亚种拥有一种单倍型, 有4种限制性内切酶 (DdeⅠ, Hae Ⅲ, Taq Ⅰ和MboⅠ)酶切后产生了能将3个亚种区分开来的诊断性限制性酶切位点. 可利用其作为鉴定3个亚种的遗传标记和遗传育种的辅助手段.     

非线性化学指纹图谱技术在鉴别和评价甘草及其临床应用中的作用

非线性化学指纹图谱技术是一种从非线性化学的角度来研究中药的新技术.采用非线性化学指纹图谱技术,获得了来自4个不同产地的甘草样本以及其他14种中药的诱导时间相同的非线性化学指纹图谱,并用一种基于相似系统理论的新方法进行了相似度计算.非线性化学指纹图谱的直观信息、相似度计算结果都能很好地将甘草从其他中药中鉴别出来.根据甘草指纹图谱诱导时间与检测用量的关系,计算了4个产地甘草活性成分的整体相对含量,并建立了4个不同产地甘草活性成分的当量关系.非线性化学指纹图谱技术为甘草的鉴别和评价提供了一种新的方法,为甘草的临床用药以及配伍提供用量依据,对提高中药用药安全和疗效稳定具有积极作用.     

转座元件介导的苯胺代谢基因簇的筛选和鉴定

利用苯胺不完全降解时中间代谢产物, 如邻苯二酚等的显色反应, 建立了简便快速的苯胺代谢途径相关基因的功能筛选方法. 从苯胺降解菌株AD9的基因组文库中筛选得到3个阳性重组子pDA1, pDB2和pDB11. AD和C23O酶活测定结果表明, pDA1和pDB11分别含有功能完整的苯胺双加氧酶或邻苯二酚双加氧酶编码基因. 经核苷酸序列分析和拼接获得一个大小为24.7 kb, 含25个可读框的苯胺代谢基因簇, 其中含有17个基因与苯胺代谢有关, 包括调控基因tadR, 苯胺双加氧酶基因簇tadQTA1A2B, 邻苯二酚间位裂解途径酶系基因簇tadD1C1D2C2EFGIJKL. 苯胺代谢基因簇两侧含有转座酶和IS1071序列.     

基于面孔加工异常的孤独症儿童识别

眼动追踪技术在孤独症谱系障碍的早期诊断中具有潜在的应用价值.为研究孤独症儿童对不同面孔加工的特点,应用机器学习算法对其进行自动识别,本研究选取3～6岁孤独症儿童40名和性别、年龄相匹配的正常儿童41名观看异国陌生面孔、本国陌生面孔和本国熟悉面孔,根据两组儿童眼动坐标数据,使用机器学习算法进行自动划分兴趣区、特征选择和分类,来判断不同面孔的扫描模式是否可以用于识别孤独症儿童,并从准确率、特异性、敏感性和可靠性4个方面对分类模型进行评估.结果显示,基于不同面孔扫描模式的机器学习算法可以提取足够的信息来区分孤独症和正常儿童,最大分类准确率为90.28%,对应AUC(area under the ROC curve)为0.9317.因此,眼动追踪技术结合机器学习能够为临床诊断提供辅助的评价指标.     

肝癌相关的肿瘤抗原及其编码基因的筛选与分析

筛选和鉴定肝癌相关的肿瘤抗原是开展肝癌特异性免疫治疗的前提和关键. 采用SEREX方法, 用含有抗体的肝癌患者血清筛选肝癌cDNA表达文库, 对所获得的阳性克隆进行序列测定和生物信息学分析. 获得31个肝癌相关的肿瘤抗原编码基因, 其中1个为未知基因. 30个已知基因所编码的蛋白按功能可归为8类: 肝细胞固有分子, RNA转录、剪切相关分子, 蛋白质代谢相关分子, 能量合成相关分子, 信号转导分子, 细胞黏附相关分子, 免疫抑制相关分子和未知功能蛋白分子, 其中包括1个CT抗原CAGE. 研究表明, 肝癌相关的肿瘤抗原编码基因的筛选和鉴定, 为肝癌的特异性免疫治疗提供了可能靶位, 并有助于肝癌的临床诊断及肝癌发生机制的理解.     

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.     

利用EST及生物信息学方法挖掘马铃薯中miRNA及其靶基因

microRNA (miRNA)是一类调控真核基因转录后表达的非编码小分子RNA. 大量研究表明, miRNA在调节生物功能方面起着重要的作用. 目前发现miRNA的主要方法有直接克隆法和基于生物信息学的基因搜索和同源搜索. 由于真核生物组织中有些miRNA的丰度较低, 而且其表达具有组织和时序特异性, 采用直接克隆法发现新的miRNA有时较为困难. 采用生物信息学方法寻找未知miRNA是当前发现和鉴定miRNA的重要策略之一. 本研究联合了几种生物信息学方法预测了马铃薯(Solanum tuberosum)中miRNA及其靶基因. 通过把拟南芥、水稻等植物已知的miRNAs与马铃薯EST数据库进行比对搜索, 筛选出候选的miRNA. 之后, 设置一系列严格的筛选标准, 分析候选miRNA序列特征, 包括碱基错配、二级结构、(A+U)含量、能量水平等. 最后, 从上述候选库中筛选出了22个miRNA. 进一步利用新鉴定的miRNA序列, 预测到43个靶基因. 分析结果表明, 上述大多数靶基因编码的产物为转录因子及重要代谢酶类, 它们调控着植物的生长发育, 信号转导及各种胁迫反应.     

人种及其演变

人类最初在非洲生存时以及从非洲扩展到亚洲和欧洲后由于遗传漂变、基因突变和对不同自然环境的适应而形成了差异.18世纪起在一些差异的基础上人类被划分为5个人种,后来加上社会文化等因素又区分出许多小人种.一般将人类区分为3大人种,即黑种、黄种和白种,也有学者主张从黑种中再分出棕种,主要包含澳大利亚土著.各大人种本来分别具有一些不同的主要特征,但是从16世纪开始,欧洲白人向美洲、非洲和澳大利亚大举扩张并产生越来越多混血个体,从而改变了人种的地理分布并导致人种界线的模糊,终于使得生物学上人种概念不复存在.但是在日常生活、社会调查、医学和法医学实践中目前还不能完全离开基于人种的区分.此外,本文还讨论了关于种族主义和反种族主义的一些问题.     

运动的生物化学

运动会引起人体代谢发生一系列变化。代谢最主要的变化的目的是为运动提供能量。运动可能有益于防止冠心病,这至少是由于贮存脂肪的消耗。运动也有助于促进类鸦片活性肽类物质的释放,而这些物质可能在由运动引起的整体激素及代谢变化中起重要作用。业余锻炼在发达国家越来越普遍。运动使人体组成和功能都发生了变化,如体重和脂肪含量下降,心跳速率和血压也会降低。运动期间也发生许多生物化学变化,例如酶类和钾从骨胳肌肉中释放到血浆中,蛋白尿和内分泌也发生了变化。这些变化又导致了其它代谢物的变化。这里着重论及运动的生物化学的三个方面。1.能量的产生和贮存,2.运动与冠心病,3.运动与“感觉舒服”。     

利用兴安落叶松树轮最大晚材密度重建大兴安岭北部5～8月气温变化

对大兴安岭北部3个样点的兴安落叶松(Larix gmelinii)树轮样本进行树轮密度的分析,相关分析结果显示,树轮最大晚材密度年表与夏季气温变化有显著正相关关系,利用其中两个样点的树轮最大晚材密度对研究区1855年以来5～8月的平均最高气温变化进行了重建,重建值的解释方差量为39.5%.在大兴安岭北部过去的154年里,存在4个冷期:1874～1893,1927～1948,1951～1960和1992～2002年;以及4个暖期:1855～1873,1894～1916,1961～1991和2003～2008年.该地区20世纪末冬季气温的变暖现象比夏季更为明显.重建结果与研究区周边的气温序列均有较好的一致性,可以指示较大区域的气候特征.     

一个编码玉米转译起始因子新基因的克隆

采用DD PCR方法比较玉米杂种一代及其亲本苗期基因表达产物mRNA的差异 ,分离并鉴定出一个玉米杂种一代超亲表达的cDNA .以该cDNA为探针从cDNA文库中筛选到一个全长的cDNA克隆 (ZH0 1) .ZH0 1长 1780bp ,5′端非编码区 112bp ,3′端非编码区 395bp ,开放阅读框共编码 4 14个氨基酸 .序列同源比较表明 ,ZH0 1为一个亲的玉米转译起始因子eIF4A基因家族成员 .     

致病性念珠菌DNA的AFLP指纹图谱

半知菌亚门中的念株菌(Candida)约有20个种是人体呼吸道,胃肠道,皮肤及生殖器官的常见腐生菌,它们还是AIDS患者念株菌性鹅口疮、食道炎及侵袭性感染常见的原因.通常的血清学鉴定方法是以不同菌体表面多糖抗原物质的差异为依据,但由于念珠菌有些菌体间抗原物质很相似,相互间有交叉反应,因此很难反映出实际的感染情况;而传统的表型分型法除了受环境因素和真菌本身变异的影响外,还受到实验本身重复性差,操作过程繁琐以及实验结果的判断有时并不十分明确等诸多因素的干扰.因此,建立一种稳定、快速、准确的致病性念珠菌基因分型鉴定方法在临床上对指导诊断和治疗具有重要的意义.由Zabeau等人1992年创立的AFLP(Amplified fragment length polymorphism)技术是目前国际上构建DNA指纹图谱的最新方法之一,该方法结合了RFLP(Restriction frag-ment length polymorphism)技术和RAPD(Random amplified polymorphic DNA)技术的特点,使用人工接头(Adapter)与限制性内切酶酶切的基因组DNA片段连接并以此为DNA模板,合成系列3’-末端随机变化数个碱基且与人工接头序列相互补的PCR引物进行PCR特异条件扩增,经电泳检测后可获得DNA指纹图谱.本研究针对临床上常见的8种致病性念珠菌,以Pst I酶切基因组DNA构建了致病性念株     

籼稻福香占耐储藏性的蛋白质组学分析

稻谷耐储藏性对于国家粮食安全、种质资源保存及种业安全具有非常重要的意义.本研究通过人工老化处理分析福香占和航2号种子活力的变化趋势,扫描电子显微镜观察老化21 d后糙米淀粉粒结构,并对关键时间点的种胚蛋白质组进行定量分析.结果表明,人工老化后14～21 d,航2号种子活力快速下降,淀粉粒结构受到严重破坏,种子耐储藏性较差.而福香占在人工老化21 d后仍具有较强种子活力,淀粉粒结构保持良好,耐储藏性优;蛋白质组分析表明,福香占和航2号在人工老化的不同阶段,脂类、蛋白质、碳水化合物等生物合成及代谢、遗传信息加工、转录调控、营养保持、信息传递、氧化还原调节等方面均表现出差异;差异蛋白质显著富集到4个代谢通路,即亚油酸代谢,角质、木栓和蜡质的生物合成,谷胱甘肽代谢和甘油磷脂代谢.老化21 d与处理前相比较,福香占真核生物核糖体生物发生、萜类骨架生物合成、叶酸生物合成等代谢通路发生差异表达,而航2号主要为氮代谢、淀粉和蔗糖代谢及mRNA监测等途径.本研究为稻谷耐储藏性遗传机理的深入解析及培育耐储藏水稻新品种奠定了基础.