基因組規(guī)模重建代謝模型是一種包含了某種特定生物或者是細胞基因組范圍代謝反應(yīng),及其酶及基因關(guān)聯(lián)的數(shù)學模型。這種新型的模型在過去十多年中已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到了代謝工程方面的研究中,用于幫助和指導研究者們對代謝工程菌株的理性改造。不僅如此,近年來研究者們還開始了對其在其他生物技術(shù)及系統(tǒng)醫(yī)藥學方面的應(yīng)用嘗試。但是,目前基因組規(guī)模重建代謝模型仍存在一些問題,例如仿真計算時較高的計算時間、過于粗糙的基因-蛋白-反應(yīng)之間的數(shù)學關(guān)聯(lián)以及缺乏信號轉(zhuǎn)導與轉(zhuǎn)錄調(diào)控方面的信息等。這些問題一定程度上限制了基因組規(guī)模重建代謝模型更廣泛的應(yīng)用。通過新型仿真代謝工程方法IdealKnock的開發(fā),極大地提高了仿真代謝工程的計算效率,使得原本在基因組規(guī)模重建代謝模型中計算困難的高水平反應(yīng)敲除策略的預測變得十分高效。通過IdealKnock模擬預測得到的敲除策略不會受到具體敲除數(shù)目的影響,并且運算時間僅僅為數(shù)分鐘。不僅如此,IdealKnock仿真得到的目標菌株所擁有的比生長速率和產(chǎn)量都相比于傳統(tǒng)方法有了較大提高。另外,通過對部分敲除策略的可視化,深入解讀了敲除策略背后的原理,發(fā)現(xiàn)了將目標產(chǎn)物與菌體生長偶聯(lián)起來的關(guān)鍵代謝途徑以及目標產(chǎn)物的競爭產(chǎn)物,對進一步理性改造工程菌株提供了指導。通過開發(fā)對基因組規(guī)模重建代謝模型的邏輯變換方法,對模型中所包含的基因-反應(yīng)關(guān)聯(lián)矩陣進行了分解與重組,將具體控制代謝反應(yīng)的多個基因之間的邏輯關(guān)系整合到了變換后的基因-反應(yīng)關(guān)聯(lián)矩陣中,而同時又保留了與初始基因組規(guī)模重建代謝模型等價的化學計量關(guān)系。在模型邏輯變換的基礎(chǔ)上,將兩個傳統(tǒng)的基于反應(yīng)的方法OptKnock和FastSL進行了基因水平的拓展,得到了OptGeneKnock和FastGeneSL。對這兩種基因水平仿真方法的檢測發(fā)現(xiàn)兩者都要優(yōu)于傳統(tǒng)的方法,證明了模型的邏輯變換能夠拓展基因組規(guī)模重建代謝模型在基因水平的應(yīng)用能力。根據(jù)米氏方程酶動力學的原理,通過搜集整理公開網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中已有的相關(guān)數(shù)據(jù),在傳統(tǒng)的釀酒酵母基因組規(guī)模重建代謝模型的基礎(chǔ)上加入了基因組范圍的酶水平的限制條件。加入了酶學限制后的模型能夠準確預測Crabtree效應(yīng),并且較為精準地預測了釀酒酵母以不同碳源為底物時的最大生長速率。這些充分說明了對基因組規(guī)模重建代謝模型加入酶學限制后能夠大大提高它們的仿真預測能力。根據(jù)公開數(shù)據(jù)庫中的信息,對釀酒酵母菌株轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)以及蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)進行了重建。系統(tǒng)研究了轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)對基因之間的共表達關(guān)系。結(jié)果表明,當一對基因在轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)中都被相似“調(diào)控子”調(diào)控時,它們更傾向于共表達。本研究的結(jié)果顯示了微生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)之間在調(diào)節(jié)靶標基因表達量這一功能上很可能存在合作關(guān)系。這一發(fā)現(xiàn)為今后將轉(zhuǎn)錄調(diào)控與蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)水平信息整合到基因組規(guī)模重建代謝模型中提供了線索。綜上,本研究從不同角度嘗試了對基因組規(guī)模重建代謝模型的應(yīng)用與拓展,顯示了基因組規(guī)模重建代謝模型的應(yīng)用潛力。同時,本研究對基因共表達與共調(diào)控關(guān)系的探索也為基因組規(guī)模重建代謝模型在調(diào)控層面的進一步拓展作了必要準備。本研究的工作能夠推廣與促進基因組規(guī)模重建代謝模型在代謝工程、生物信息及系統(tǒng)醫(yī)藥學等方面的應(yīng)用。
【學位單位】：華東理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2016
【中圖分類】：Q78
【部分圖文】：

模擬的基因組規(guī)模代謝模型都是經(jīng)過修飾（反應(yīng)填充及代謝死路的去除）后的代謝模型。逡逑基因組規(guī)模代謝模型最關(guān)鍵的部分是化學計量矩陣（Ｓ矩陣），它反應(yīng)了所有代謝物逡逑在反應(yīng)中的計量關(guān)系（見圖１．１）。在這個矩陣中，每一行代表一個代謝物，每一列代表逡逑一個反應(yīng)。Ｓ矩陣與由所有反應(yīng)的流量所組成的向量（Ｖ）相乘，則可＾＾１得到所有代謝逡逑物的消耗或者累積。一般在基因組規(guī)模代謝模型的應(yīng)用中，都采用假設(shè)生物處于擬穩(wěn)態(tài)。逡逑擬穩(wěn)態(tài)是指除了某些特定的交換代謝物之外，生物內(nèi)部沒有代謝物的凈消耗或者積累，逡逑處于一種穩(wěn)定的狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，化學計量矩陣與反應(yīng)流量向量的乘積應(yīng)該為０，逡逑即邋Ｓ＊ｖ＝０。逡逑除開化學計量矩陣么外，基因組規(guī)模代謝模型還包含有基因－蛋白－反應(yīng)逡逑（Ｇｅｎｅ－Ｐｒｏｔｅｉｎ－Ｒｅａｃｔｉｏｎ，ＧＰＲ）的關(guān)聯(lián)信息。模型中ＧＰＲ的關(guān)聯(lián)信息是二元定性的，逡逑而且通常在基因組規(guī)模重建代謝模型中，ＧＰＲ關(guān)聯(lián)矩陣被簡化成了基因與反應(yīng)逡逑（Ｇｅｎｅ－Ｒｅａｃｔｉｏｎ

對于一個沒有受限制的基因組規(guī)模代謝模型，其反應(yīng)流量的解空間是無窮的，這也逡逑同樣是沒有意義的。為了使模型中的反應(yīng)流量能夠合理的反應(yīng)實際情況，必需對模型的逡逑解空間做出適當?shù)南拗啤Ｒ话銇碚f，會根據(jù)實驗的數(shù)據(jù)對模型進行限制。｜＾圖１．１中的逡逑模型為例，如果實驗測得該生物攝取底物Ａ的速率為１０，那么在模型中，該反應(yīng)的速逡逑率就被鎖定為１０，從而根據(jù)Ｓ＊ｖ＝０可得出所有反應(yīng)的流量均為１０。實際上來說，還可逡逑Ｗ根據(jù)很多其他的實驗數(shù)據(jù)來限制模型使得模型仿真的結(jié)果更加真實，如ｉ３Ｃ標記的流逡逑量數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)，蛋白表達數(shù)據(jù)等。逡逑在圖１．１示意模型的例子中，通過僅僅加入一個流量數(shù)據(jù)就確實的獲得了所有流量逡逑的解，送是因為在這個模型中，代謝物的數(shù)量為３，反應(yīng)的數(shù)量為４，即這是一個方程逡逑數(shù)為３未知數(shù)為４的多元１次線性方程組。送個方程組構(gòu)成了一個自由度為４－３＝１的未逡逑定系統(tǒng)，因而只要加入一個實驗數(shù)據(jù)就能得到逸組方程狙的定解。實際上在一個基因組逡逑規(guī)模代謝模型中

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本文編號：2830469