整合表達(dá)數(shù)據(jù)分析代謝網(wǎng)絡(luò)的方法研究及應(yīng)用.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial fuel cell，MFC)作為一種新型的能源廣受關(guān)注，但是目前的MFC由于其產(chǎn)電效率低下而未能得到實(shí)際應(yīng)用。影響MFC產(chǎn)電效率的因素很多，涉及產(chǎn)電和胞外電子傳遞等過(guò)程的代謝機(jī)制對(duì)于MFC的研究具有重要意義。全基因組代謝網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)對(duì)于模擬細(xì)胞內(nèi)代謝活動(dòng)具有重要意義，整合各類組學(xué)數(shù)據(jù)分析代謝網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)并系統(tǒng)研究細(xì)胞代謝活動(dòng)是微生物系統(tǒng)生物學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。本文研究整合轉(zhuǎn)錄組學(xué)的代謝網(wǎng)絡(luò)流量平衡分析方法

2、，并應(yīng)用于產(chǎn)電菌Shewanella oneidensis MR-1的產(chǎn)電相關(guān)代謝反應(yīng)的研究，在代謝反應(yīng)水平上探索其產(chǎn)電機(jī)制和胞外電子傳遞機(jī)制。
　　本文實(shí)現(xiàn)了兩類整合表達(dá)數(shù)據(jù)的代謝流量平衡分析方法，將基因表達(dá)狀態(tài)值整合進(jìn)代謝網(wǎng)絡(luò)流量平衡分析(Flux Balance Analysis，F(xiàn)BA)中，并進(jìn)行了比較。實(shí)現(xiàn)了相對(duì)閾值法和函數(shù)法整合表達(dá)數(shù)據(jù)的分析流程，使用兩種方法對(duì)大腸桿菌(E.coli)的基因表達(dá)數(shù)據(jù)和代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析并

3、比較了方法的準(zhǔn)確性。應(yīng)用相對(duì)閾值法分析了大腸桿菌表達(dá)數(shù)據(jù)GSE1121，計(jì)算有氧條件下基因的表達(dá)狀態(tài)值，發(fā)現(xiàn)該方法的準(zhǔn)確率相對(duì)較低。將函數(shù)法應(yīng)用于E.coli基因表達(dá)狀態(tài)值的計(jì)算，相同條件下得到較高的準(zhǔn)確率。在相對(duì)閾值法中，由于計(jì)算基因的表達(dá)狀態(tài)值存在誤差，一些生長(zhǎng)必需的代謝反應(yīng)被刪除，使得FBA的分析結(jié)果為0。使用函數(shù)法整合分析代謝網(wǎng)絡(luò)并發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子arcA、arcAfnr和fnr對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)中基因表達(dá)的調(diào)控關(guān)系復(fù)雜，刪除這些轉(zhuǎn)錄調(diào)

4、控因子對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)的影響巨大。綜合比較后，函數(shù)法優(yōu)于相對(duì)閾值法，將用于希瓦氏菌的代謝網(wǎng)絡(luò)分析。
　　使用函數(shù)法對(duì)希瓦氏菌S.oneidensis MR-1表達(dá)數(shù)據(jù)集GSE20379和GSE25821進(jìn)行分析，并對(duì)S.oneidensis MR-1的代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行條件適應(yīng)性的分析，深入研究了S.oneidensis MR-1產(chǎn)電相關(guān)代謝反應(yīng)在不同條件下的表現(xiàn)。分析發(fā)現(xiàn)在GSE20379數(shù)據(jù)集中，當(dāng)以電極為電子受體時(shí)，兩種細(xì)胞色素C氧化酶

5、類型cbb3類型和A類型的相關(guān)基因表達(dá)程度不同，正常培養(yǎng)條件下以電極為電子受體會(huì)促進(jìn)cbb3類型的細(xì)胞色素C氧化酶的相關(guān)亞基合成。但是不同的電子受體對(duì)整體的電子傳遞相關(guān)的代謝過(guò)程影響不明顯。分析G SE25821數(shù)據(jù)集，發(fā)現(xiàn)了在乳酸培養(yǎng)條件下S.oneidensis MR-1代謝網(wǎng)絡(luò)中跟電子傳遞相關(guān)的代謝反應(yīng)的活動(dòng)規(guī)律。首先這些反應(yīng)相關(guān)的基因的表達(dá)狀態(tài)值與乳酸的吸收和轉(zhuǎn)化的相關(guān)基因表達(dá)曲線正相關(guān)，并且函數(shù)法分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)與直接電子傳遞相關(guān)

6、的基因表達(dá)趨勢(shì)與氮源吸收相關(guān)基因表達(dá)量正相關(guān)，均在30小時(shí)左右氮源耗盡時(shí)出現(xiàn)峰值，研究發(fā)現(xiàn)可能與細(xì)胞應(yīng)激行為有關(guān)。將GSE25821的基因表達(dá)狀態(tài)值整合進(jìn)入代謝網(wǎng)絡(luò)，模擬流量分析結(jié)果顯示S.oneidensis MR-1的生長(zhǎng)量曲線類似于對(duì)數(shù)曲線，該結(jié)果與文獻(xiàn)中一致，并且模擬發(fā)現(xiàn)了在后對(duì)數(shù)時(shí)期，由于乳酸的缺乏，導(dǎo)致生長(zhǎng)量比預(yù)定值稍低。
　　基于Python和COBRA平臺(tái)開發(fā)了相應(yīng)算法包，形成了使用函數(shù)法分析和整合表達(dá)數(shù)據(jù)和代謝網(wǎng)