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．     

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.     

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...     

FluxExplorer:一个通用的基于化学计量矩阵的代谢网络建模和分析平台

近年来基于化学计量矩阵的生物代谢网络分析在系统生物学研究领域备受关注. 为该领域的研究者开发更加方便和友好的硅上模拟平台已成为一项重要工作. 这种平台应提供图形化的操作方式, 整合强大的分析模块, 帮助生物学研究者更深入地理解代谢系统的特性和行为. 基于这种需求, 我们开发了一个免费共享的计算机模拟平台FluxExplorer. 它整合了多种基于化学计量矩阵的分析方法, 如流平衡分析 (flux balance analysis, FBA)等. 这些分析方法可对代谢网络的各种特性进行全面而深入的刻画. 在该平台上, 用户只需通过简单的图形化建模过程, 就能直观构建并分析自己的目标网络. 同时, 该平台能自动地查找模型中不符合建模规则的结点, 以便用户修改. 此外, 该平台支持系统生物学建模语言 (systems biology markup language, SBML). 利用该平台成功地构建了哺乳动物线粒体的代谢网络, 并得到了一些有生物学意义的模拟结果. 可以说, 该平台是一个分析功能强大且使用方便的代谢网络模拟工具.     

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。     

拟南芥代谢通路下基因调控网络的构建

基因调控网络在研究基因之间的调控关系及揭示复杂的生命现象方面有着重要的意义. 拟南芥整个生长过程是由基因网络所调控. 本文利用拟南芥代谢通路下基因共表达这一属性, 结合启动子序列分析的生物信息学方法来预测拟南芥代谢通路下基因的调控关系. 基于这种方法, 一共预测到2268对具有调控关系的基因对, 其中91对为高可信度的调控关系. 在我们预测到的调控关系中, 有4对调控关系已被实验验证, 实验表明本文预测的结果有一定的可靠性. 我们预测的拟南芥代谢通路下基因的调控网络, 为深入研究代谢通路在植物生长过程中所起的作用提供了方便, 有助于进一步研究拟南芥未知基因的功能.     

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     

人肝癌细胞系BEL-7404 和正常肝细胞系L-02表达的蛋白质组双向凝胶电泳分析

蛋白质组分析已在生物科学各领域被广泛应用,也是功能基因研究的重要组成部分,通过对人ＢＥＬ－７４０４肝癌细胞系和Ｌ－０２正常肝细胞系表达的蛋白质组ＩＰＧ－ＤＡＬＴ双向凝胶电泳和图象分析,发现７个蛋白点只在检测到表达,１４个点只在肝细胞中检测到表达,７８个蛋白点在两种细胞中表达量上有显著变化,两种细胞蛋白质组表达反映在差异表达谱上,双向电泳重复性分析表明ＩＥＦ方向平均位置偏差为０．７３ｍｍ,ＳＤＳ－Ｐ     

基于基因表达谱与系统发育树的肿瘤细胞多药耐药性表型预测

应用基因芯片技术预测抗肿瘤药物多药耐药性(multiple drug resistance, MDR)表型时, 探针表达值归一化策略和特征基因集的选取往往是导致实验间结果不一致性的重要原因. 从基因芯片数据出发, 如何建立一个统计学上稳定的预测模型, 已成为MDR表型预测建模研究中迫切需要解决的问题. 本研究以多药耐药肿瘤细胞系的基因表达数据为研究对象, 将探针表达定性为有无表达(1/0)两种状态, 再将其归类到由蛋白质结构域组序(protein domain organization, PDO)定义的基因集中. 在此基础上, 通过引入系统发育学中的基因含量方法(gene content), 在PDO基因集水平上建立了系统发育学模型(细胞树), 并用于MDR表型的预测. 结果显示, 肿瘤细胞系的分类主要受细胞病理分型和MDR表型(紫杉醇和长春碱)的影响. 系统发育学模型在预测样本的MDR表型方面优于特征基因模型. 尽管本文方法的应用受到样本混杂度的限制, 但其对于血液系统肿瘤或纯度较高的细胞系仍具有潜在的应用价值.     

花青素合成转录因子基因在玉米中的表达研究:一种新型基因可视化跟踪表达系统

花青素是一种水溶性的黄酮类物质,可使植物呈现出红、蓝、紫和红紫等颜色.外源花青素代谢调控基因的表达可使花青素在植物细胞内积累,使植物体外观上表现出色彩的变化,易于观察,因此可作为报告基因用于植物转基因研究,快速报告细胞、组织、器官或植株是否被转化.本研究用花青素代谢调控基因Bi和C1作为报告基因,以epsp作为筛选标记基因,构建了植物表达载体pBAC9009.基因枪转化玉米自交系501的幼胚,经过除草剂草甘膦抗性筛选和分化再生,获得了转化再生植株75株,其中43株获得结实种子.T0代植株有18株在苗期或生长阶段表现局部或全紫色,8个结实果穗有零星的紫色种子,从外观上可直接确认为转化植株.结合PCR和RT-PCR的分子检测及花青素含量分析,表明叶片和籽粒为紫色的玉米植株中外源目的基因已整合并且高效表达,即紫色表型与分子检测的结果高度一致.该结果表明我们成功建立了以花青素基因作为报告基因的植物转基因可视化跟踪表达系统.该系统的应用可以大大提高工作效率,节约检测成本,对于植物转基因研究具有重要意义.     

蛋白复合物与相互作用谱和表达谱的相关性分析

蛋白相互作用是指细胞内蛋白-蛋白间的物理相互作用, 通过酵母双杂交系统和基于质谱的蛋白吸附沉淀技术, 在酵母细胞中获得了大规模的蛋白相互作用数据. 收集了文献报道的共2617个酵母蛋白的11855条相互作用. 通过分析酵母细胞的大规模基因表达谱数据, 获得不同基因间表达的相关性. 蛋白复合物数据也可以获得, 并能转换成蛋白两两关系数据. 综合分析蛋白复合物、蛋白相互作用数据和基因表达数据可以发现三者之间的相关性. 结果显示, 有相互作用或表达谱相似的蛋白都比随机抽取的蛋白同属一蛋白复合物的几率高; 并且, 有相互作用且表达谱相似的蛋白同属一蛋白复合物的几率更高. 这一研究表明, 对现有的大规模蛋白复合物数据、蛋白相互作用数据和基因表达谱数据进行整合、分析, 可以揭示它们之间的关联性, 并且有助于获得这些数据蕴含的公共信息. 这种研究方法对于其他的大规模数据, 如蛋白组数据、表达谱数据、蛋白的细胞定位数据和表型数据的综合分析有很好的借鉴意义.     

拟南芥花药表达基因调控关系的预测

模式植物拟南芥花药的发育由复杂的基因网络所调控. 至今为止, 研究人员对这一调控网络的了解非常有限. 本研究利用一种整合基因芯片数据与启动子序列分析的生物信息学方法来预测拟南芥花药表达基因之间的调控关系. 基于这种方法, 一共预测到了7710对具有调控关系的基因对, 其中80对为高可信度的调控关系. 在这80对基因中, 有3对调控关系已被之前的实验验证, 表明本研究预测的结果有一定的可靠性. 我们所预测的基因调控关系有助于拟南芥花药发育分子机理的深入研究, 提出的生物信息学研究方法也可用于其他基因调控关系的预测.     

大豆转录因子GmWRKY57B的基因克隆及功能分析

WRKY类转录调控因子在高等植物中构成一个基因超家族, 它不但广泛参与了植物对非生物胁迫和生物胁迫的反应, 还参与了生长发育及多种代谢途径的调控. 本研究构建了一个大豆cDNA文库, 采用酵母单杂交的方法, 用来自AtNPR1启动子区的W-box对构建的大豆cDNA文库进行筛选, 获得了GmWRKY57B基因, 该基因全长1033 bp, 编码299个氨基酸, 属于WRKY类转录因子的第Ⅲ组; 酵母挽救实验及凝胶阻滞实验均表明, GmWRKY57B能够与W-box特异性结合; 酵母体内的转录激活实验表明, GmWRKY57B在酵母细胞中具有转录激活功能; GmWRKY57B在大豆根、茎、叶中均有表达; GmWRKY57B基因在烟草中的过表达能够提高转基因烟草植株的抗旱性, 表明GmWRKY57B 基因在非生物逆境中有一定的功能.     

信号转导与细胞癌变

细胞内存在两类调节细胞生长的基因-生长促进基因（即原癌基因或细胞癌基因）和生长抑制基因（抗癌基因和诱导终端分化基因）,这些基因编码生长因子（或其受体）、蛋白激酶、某些酶类、鸟苷酸结合蛋白（G蛋白）、转录调节因子以及其他在信号转导中起重要作用的蛋白组分,这些基因的突变或表达异常导致其编码蛋白（癌蛋白、抗癌蛋白）数量或功能异常,引起细胞生长调控紊乱,无限生长、增殖,最终导致细胞癌变,因此,研究认号转导机制对于阐明细胞癌变的化学本质具有重要意义。     

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.     

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.     

代谢调控的新发现

能量代谢一直是最为热门的研究领域之一. 对乙酰化调控代谢的机理的研究发现, 代谢酶类赖氨酸残基的乙酰化修饰与很早就发现的转录调控、反馈抑制、变构调节及磷酸化修饰一样, 是一种广泛存在于原核和真核生物体内的保守代谢调控机制, 即乙酰化修饰不仅可以抑制/激活代谢酶的催化活力、影响蛋白的稳定性, 还可能协调代谢途径中各个代谢酶类的活性, 并在协调不同通路的代谢流分布中发挥更为广泛的生理功能, 进而在细胞整体水平上调控代谢. 最近还发现一些中间代谢物在细胞信号中起重要作用, 不平衡地积累2-羟基戊二酸或减少α-酮戊二酸会对加双氧酶蛋白家族产生重要的影响, 改变包括HIF途径在内的肿瘤相关信号通路, 并可能引起组蛋白甲基化修饰的改变. 由于代谢与人类疾病紧密相关, 这些新的发现在科学界引起了人们广泛的兴趣.     

代谢网络流分析进展及应用

代谢网络的研究已经成为系统生物学研究的一个热门话题,基于代谢网络流分析的方法在寻求生物体代谢网络特征中具有很重要的作用.回顾了几种主要的代谢网络静态分析方法如:流平衡分析(FBA)、代谢调节最小化分析(MOMA)、调节的开关最小化(ROOM)、含有二次线性规划的动态流平衡分析方法(DFBA-LQR)等.另外,介绍了几种常用的代谢网络流分析软件,如FluxAnalyzer,COBRA Toolbox,PathwayAnalyser,并对这些软件的性能进行了比较.代谢网络的研究不仅能使人们更好地了解代谢网络性质,也在很多方面得到了应用,将代谢网络流分析和其他生化数据分析方法整合起来的理念逐渐形成并已有所进展,如代谢流与基因表达调控的结合、代谢流对蛋白质进化的影响、代谢流与拓扑特征的关联分析、代谢工程优化改造等.今后的研究方向可以将代谢流分析与网络拓扑特征分析以及动态建模等结合起来以获得更全面更准确的代谢网络性质.     

人肝癌细胞系BEL-7404和正常肝细胞系L-02表达的蛋白质组双向凝胶电泳分析

蛋白质组分析技术已在生物科学各领域被广泛应用,也是功能基因组研究的重要组成部分．通过对人ＢＥＬ－７４０４肝癌细胞系和Ｌ－０２正常肝细胞系表达的蛋白质组ＩＰＧ－ＤＡＬＴ双向凝胶电泳和图象分析,发现７个蛋白点只在肝癌细胞中检测到表达,１４个点只在肝细胞中检测到表达,７８个蛋白点在两种细胞中表达量上有显著变化（Ｐ＜０．０１）．两种细胞蛋白质组表达反映在差异表达谱上．双向电泳重复性分析表明 ＩＥＦ方向平均位置偏差为０．７３ ｍｍ, ＳＤＳ－ＰＡＧＥ方向为０．４４ｍｍ,量的变异为１７．６％一１９．２％．双向电泳的重复性已适合于蛋白质组差异表达的研究,蛋白质组差异表达谱可成为疾病诊断、药物作用分析和生命过程等研究的有用工具．     

代谢网络的蝴蝶结结构特征及其功能意义

研究全基因组代谢网络的结构拓扑对于了解结构与功能间的联系是必不可少的. 而可视化有助于获取网络组织结构的直观信息. 从网络拓扑的角度考察了75个物种的全基因组代谢网络. 提出了一个展开蝴蝶结模型, 实现了对代谢网络的蝴蝶结结构的清晰的可视化. 展开蝴蝶结所揭示的代谢网络的结构特征, 有助于我们设计高效的且更能反应代谢网络自身特点的网络算法. 同时, 这个粗粒化的网络模型还可实现对网络中脆弱连接的可视化, 因此对于疾病研究和药靶发现都有潜在意义. 通过对蝴蝶结中心部分的双向连接及主核的研究表明, 代谢网络的蝴蝶结结构有其内在的、有意义的拓扑特征, 而这些特征是随机网络所不具备的.