基于代谢网络的产甲烷菌的耐热性研究

【摘要】：由于嗜热菌对高温环境有很强的适应性,近几年来嗜热菌在基因工程、蛋白质工程、发酵工程及矿产资源的开发利用上均有很大的应用价值。为了从系统水平上阐明嗜热菌的耐热机制,并指导嗜热菌在工业生产上的进一步应用,本文以产甲烷菌的代谢网络作为研究对象,从研究代谢网络的拓扑结构以及模块化出发,探索常温产甲烷菌Methanosarcina acetivorans (M. acetivorans)和嗜热产甲烷菌Methanopyrus kandleri (M. kandleri)之间的代谢网络的耐热性的差异。 论文首先基于日本京都基因和基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, KEGG)数据库重构了常温的产甲烷菌M. acetivorans和嗜热的产甲烷菌M. kandleri的代谢网络,并进一步验证了代谢网络具有小世界、无标度网络等特征。 根据全局代谢网络的比较,发现途径00010(糖酵解/葡糖异生)、00020(柠檬酸循环)以及00250(丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢)是常温产甲烷菌M. acetivorans与嗜热产甲烷菌M. kandleri的重要途径,它们的度也是整个网络最高的,这说明它们是在进化过程中是较早出现的途径。同时基于全局代谢网络考察了代谢网络中酶的性质分类与连接度之间的关联,发现常温产甲烷菌M. acetivorans与嗜热产甲烷菌M. kandleri的代谢网络中合成酶类的连接度最低,而连接度最高的是氧化还原酶类与转移酶类。为了比较分析网络拓扑结构与耐热性之间的关联,计算了代谢网络的度、度的中心性、介数中心性、聚集系数以及直径等参数值,发现常温产甲烷菌M. acetivorans和嗜热产甲烷菌M. kandleri的代谢网络的聚集系数远高于同样规模及拓扑结构的随机网络的聚集系数,表明这两个菌具有较高的模块化结构。常温产甲烷菌M. acetivorans的代谢网络比嗜热产甲烷菌M. kandleri有更长的平均路径长度,更大的直径,这表明常温产甲烷菌M. acetivorans的总体结构是相对低密度、松散的网络结构。 对于大规模的网络而言,高度紧密的子网络能反映网络的全局特征,并且是比较不同生物体代谢网络的重要因素。发现常温产甲烷菌M. acetivorans最紧密的9-核和嗜热产甲烷菌M. kandleri最紧密的7-核分别包含27和19个酶。其中嗜热产甲烷菌M. kandleri网络中最紧密的7-核分成两个小网络,一个子网中酶是两个产甲烷菌所共有的酶,而另一个子网络中的酶是嗜热产甲烷菌M. kandleri7-核所特有的酶,这些特有的酶全部与酪氨酸的合成有关,推测嗜热产甲烷菌M. kandleri的耐热性可能受到胞内酪氨酸的影响。 代谢网络与其他复杂网络系统相类似,也具备一定的模块化组织结构,有效识别并提取代谢网络中的功能模块有助于把握其中蕴含的功能信息。因此在代谢网络全局研究的基础上,从系统水平上分析这些特征蕴含的功能意义,采用了Girvan和Newman提出的GN模块识别算法以及模拟退火算法(Simulated Annealing, SA)分析这两个产甲烷菌的功能模块。采用GN算法后,常温产甲烷菌M. acetivorans的代谢网络由39个模块组成,而嗜热产甲烷菌M. kandleri的代谢网络被划分了30个模块,其中常温产甲烷菌M. acetivorans的代谢网络中模块1、15、16以及模块4,较其它模块来说节点更多,连接也更紧密,所以这四个模块是整个代谢网络中的hub模块。而嗜热产甲烷菌M. kandleri的代谢网络的模块1和11是hub模块。模块化后,识别了具有一定功能意义的网络模块,发现常温产甲烷菌M. acetivorans中有4个模块属于碳水化合物,1个模块属于次级代谢的生物合成,而嗜热产甲烷菌M. kandleri中有2个模块属于碳水化合物代谢。用SA算法对代谢网络模块化后,发现常温产甲烷菌M. acetivorans有39个模块,包括25个与其它模块之间没有连接的独立模块。独立模块中,有15个模块是纯功能模块。而嗜热产甲烷菌M. kandleri有30个模块,其中20个是独立模块。独立模块中14个模块是纯功能模块。同时发现hub模块是核苷酸代谢、氨基酸代谢以及碳水化合物代谢。Hub模块间的酶的度也远高于整个网络的平均度,尤其是酶EC2.6.1.1, EC1.2.1.3,这表明度高的酶是更重要的。 生物网络比对是生物体的结构、功能和进化分析的重要研究手段。最后采用MI-GRAAL算法对两个产甲烷菌的整体代谢网络以及模块化后的hub模块进行比对,发现嗜热的产甲烷菌M. kandleri的hub模块K-1,K-11所特有的酶都包含在高度紧密的子网络k-核中,因此对不同物种的代谢网络的比较研究可分别从高度紧密子网络、模块化以及网络比对等几方面进行。 【关键词】：代谢网络 网络拓扑 网络功能 模块化 产甲烷菌
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：Q939.9
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-27
• 1.1 产甲烷菌10-18
• 1.1.1 产甲烷菌的系统分类10-11
• 1.1.2 产甲烷菌的形态11
• 1.1.3 产甲烷菌的生理学特性11-13
• 1.1.4 产甲烷高温菌的生态13-14
• 1.1.5 产甲烷高温菌的研究14
• 1.1.6 产甲烷菌的甲烷生成途径14-16
• 1.1.7 研究对象16-18
• 1.2 微生物耐热性的研究方法18-21
• 1.2.1 基因工程18-19
• 1.2.2 生物信息学19-20
• 1.2.3 分子模拟技术20
• 1.2.4 分子进化20-21
• 1.2.5 蛋白质工程21
• 1.3 产甲烷菌代谢网络耐热性研究意义21-22
• 1.4 复杂网络理论22-26
• 1.4.1 代谢网络理论23-24
• 1.4.2 代谢网络拓扑结构的研究24
• 1.4.3 代谢网络社团结构的研究24-26
• 1.5 本文主要工作及结构安排26-27
• 第二章 产甲烷菌代谢网络的重构27-39
• 2.1 引言27
• 2.2 代谢网络数据库27-33
• 2.2.1 KEGG数据库27-29
• 2.2.2 BioCyc数据库29-32
• 2.2.3 PUMA2数据库32
• 2.2.4 BiGG数据库32
• 2.2.5 UM-BBD数据库32
• 2.2.6 Pathguide数据库32-33
• 2.3 通过KEGG的注释基因功能分析代谢途径33
• 2.4 代谢网络的表示33-35
• 2.5 产甲烷菌代谢网络的重构35-37
• 2.6 本章小结37-39
• 第三章 产甲烷菌代谢网络的拓扑特征与其耐热性关系39-56
• 3.1 引言39
• 3.2 拓扑参数计算39-41
• 3.2.1 度39
• 3.2.2 度分布39-40
• 3.2.3 度的中心性40
• 3.2.4 聚集系数40
• 3.2.5 平均路径长度40
• 3.2.6 网络直径40-41
• 3.2.7 网络凝聚密度41
• 3.2.8 节点介数41
• 3.2.9 介数中心性41
• 3.2.10 紧密度中心性41
• 3.3 结果与讨论41-53
• 3.3.1 以途径为节点的代谢网络的拓扑特征分析42-48
• 3.3.2 以酶为节点的代谢网络的拓扑特征分析48-53
• 3.4 本章小结53-56
• 第四章 产甲烷菌代谢网络的高度紧密的子网络56-62
• 4.1 引言56
• 4.2 方法56-57
• 4.2.1 NetDraw软件56-57
• 4.2.2 高度紧密的子网络k-核心网络57
• 4.3 结果与分析57-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第五章 产甲烷菌的代谢网络的模块化算法应用与分析62-71
• 5.1 引言62
• 5.2 代谢网络模块化识别算法62-64
• 5.2.1 Girvan-Newman算法63
• 5.2.2 模拟退火算法63-64
• 5.3 实验结果与分析64-69
• 5.3.1 基于Girvan-Newman算法的产甲烷菌代谢网络的模块化64-69
• 5.3.2 基于模拟退火算法的产甲烷菌代谢网络的模块化69
• 5.4 本章小结69-71
• 第六章 产甲烷菌的代谢网络的hub模块的比较研究71-84
• 6.1 引言71
• 6.2 基于Girvan-Newman算法的hub模块分析71-75
• 6.2.1 Hub模块之间71-74
• 6.2.2 Hub模块与非hub模块之间74-75
• 6.3 基于模拟退火算法的hub模块分析75-82
• 6.3.1 Hub模块之间的连接分析75-81
• 6.3.2 Hub模块之间酶分析81-82
• 6.4 本章小结82-84
• 第七章 产甲烷菌的代谢网络的网络比对研究84-91
• 7.1 引言84-85
• 7.2 方法85
• 7.3 结果与讨论85-89
• 7.3.1 网络的全局比对85-87
• 7.3.2 Hub模块网络的比对87-89
• 7.4 本章小结89-91
• 结束语91-93
• 致谢93-94
• 参考文献94-101
• 附录1：作者在攻读博士学位期间发表的论文101-102
• 附录2：产甲烷菌代谢网络的基因功能注释102-106
• 附录3：常温产甲烷菌M.acetivorans和嗜热产甲烷菌M.kandleri的代谢网络的拓扑特征值106-117
• 附录4：酶所催化的完整的反应以及KEGG中的所属类别117-122

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