（生物医学工程专业论文）叶绿体与蓝藻代谢网络的比较分析及进化研究.pdf

上海交通大学博士学位论文 基于超图模型对i f 绿体和多种蓝藻代谢网络的拓扑特征进行分析， 发现都具有无标度网络和小f _ | = 界特征。不同蓝藻的拓扑特征非常相似， 而叶绿体的全网络连接比较稀疏，并且与卡尔文循环相关的子网络连接 得更加紧密，表明叶绿体在光合作用方面更具专一性。也证实了光能的 吸收和转换在光合细菌t j 已经比较高效，因此高等植物光合作用效率的 改进主要在于代谢网络特征的变化。 通过综合比较已有的网络模块化方法，选定模拟退火聚类算法对酶 连接网络进行模块化分析，并按照k e g g 的通路分类进行功能匹配，将 叶绿体网络分解成1 2 个模块，其中有7 个模块都有5 0 以上的酶对应于一 类代谢过程，并且有两个模块分别完全对应于脂类代谢和维生素代谢， 另外有两个模块分别有9 0 军h 8 0 的酶属于次级代谢和激素代谢。而各个 光合细菌基本得到6 8 个模块，其中只有2 3 个模块有5 0 以e 的酶对 应于一类代鲥，并且没有一个模块完全匹配到一类代谢过程。所以叶绿 体比光合细菌具有更显著的模块化结构，这是叶绿体具有高效的光合作 用性能的先决条件，说明其全局代谢组与专门化功能之间具有更好的协 同作用。叶绿体中不存在多糖类代谢和异源物质的生物降解，其生物学 意义可能在于减少能量消耗，更好地提高光合作用效率。 网络整体模块化结构的相似性分析表明不同光合细菌呈现相似的模 块化结构，而叶绿体则具有明显差别。但是发现叶绿体与光合细菌之问 有非常保守的五个模块，其中三个对应于氨基酸代谢，另外两个分别对 应核苷酸代谢和糖代谢。说明叶绿体核心的基础类代谢是通过水平基因 转移从蓝藻获得的，而后来改变或增加的主要是辅助因子和维生素代谢 以及次级代谢等。 上海交通大学博士学位论文 对叶绿体、蓝藻、大肠杆菌、拟南芥和红藻的代谢网络中酶的拓扑 连接和功能之间的关联进行分析，发现不同代谢过程和不同性质分类的 酶具有不同的连接度，并且叶绿体与蓝藻中各类酶的连接度都非常接近， 说明结构与功能的关联在亲缘关系较近的物种之间具有一定的相似性。 另外还分析了叶绿体与蓝藻各模块的平均连接度，水平转移酶的连接度 和位置分布，以及同工酶的连接度，说明叶绿体代谢网络的进化是 p a t c h w o r k j 批模型和偏好性依附机制共同决定的，为“内共生学说”提 供了更清晰的解释。 关键词叶绿体，内共生，代谢网络，超图，模块化分解，网络进化 上海交通大学博士学位论文 c o m p i a r 棚v ea n a l y s i sa n de v o l u t i o n s i g n i f i c a n c eo fm e t a b o u cn e t w o r k s b e t w e e nc h l o r o p l a s ta n dc y a n o b a c t e r i a a b s t r a c t c h l o r o p l a s ti sa no r g a n e l l es p e c i a l i z e df o rc a r r y i n go u tp h o t o s y n t h e s i si n p l a n t s a n dd e s c e n d e df r o m c y a n o b a c t e r i aa c c o r d i n g t o e n d o s y m b i o s i s d u r i n ge a r l ye v o l u t i o ni n e a r t hh i s t o r y , t h ea n c e s t r a lc y a n o b a c t e r i aw e r e a n n e x e db ye a r l yp r i m i t i v ee u k a r y o t e sa n dg r a d u a l l ye v o l v e di n t oc h l o r o p l a s t t h r o u g hs y m b i o s i s a l t h o u g hi t sg e n o m ei sv e r yd i f f e r e n tf r o mc y a n o b a c t e r i a d u et og e n el o s sa n dt r a n s f e r r i n gm a n yg e n e st on u c l e a r ，c h l o r o p l a s ts t i l l r e t a i n e dm a n yf e a t u r e so f c a y n o b a c t e r i a s t u d i e s o nt h ee v o l u t i o no f p h o t o s y n t h e s i sb ym o l e c u l a rb i o l o g y h a v ep r o v i d e ds o m es u p p o r t sf o r e n d o s y m b i o s i s h o w e v e r , m o s to f t h e p r e v i o u ss t u d i e sf o c u s e d o nt h e e v o l u t i o n a r yp r o c e s so fi n d i v i d u a lp r o t e i n so re n z y m e s ，t h e r eh a v en o tb e e n m u c hs t u d yo fc h l o r o p l a s te v o l u t i o nb yn e t w o r kc o m p a r i s o nf r o ms y s t e m b i o l o g ya n g l e d u r i n ge n d o s y m b i o s i s ，m a n yg e n e so fc y a n o b a c t e r i aw e r et r a n s f e r r e dt o t h en u c l e a rg e n o m eo fp l a n t s ，t r a n s l a t e di nc y t o s o l ，a n dt h e ni m p o r t e di n t o c h l o r o p l a s t s u c hm a s s i v et r a n s p o r t a t i o no fp r o t e i n sr e q u i r e sal a r g ea m o u n t o fe n e r g ya n ds o p h i s t i c a t e dr e g u l a t i o nf r o mp l a n tc e l l s s i n c et h em e t a b o l i c n e t w o r k si nc h l o r o p l a s t sa r em o s t l yc o n s t r u c t e dw i t hp r o t e i n se n c o d e di n n u c l e a rg e n o m e ，d ot h en e t w o r k se x h i b i ts o m eu n i q u ep r o p e r t i e sa n d 4 上海交通大学博士学位论文 c h a r a c t e r i s t i c st h a td e v i a t ef r o mt h ea n c e s t o r s 7 m e t a b o l i cn e t w o r k s ? l nt h i s t h e s i s ，w ec o m p a r e dm e t a b o l i cn e t w o r kp r o p e r t i e so fc h l o r o p l a s ta n dn i n e p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ( i n c l u d i n ge i g h tc y a n o b a c t e r i a ) ，b a s e do nm e t a b o l i c m a p sd e r i v e df r o mm e t a b o l i cd a t a b a s e sa n dl i t e r a t u r et oi d e n t i f ys i m i l a ra n d d i f f e r e n tf e a t u r e si ns t r u c t u r ea n df u n c t i o nb e t w e e n c h l o r o p l a s t a n d c y a n o b a c t e r i a b yt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i s ，w ec a ne x p l o r et h ee v o l u t i o n m e c h a n i s mo fc h l o r o p l a s tm e t a b o l i cn e t w o r k w ef i n dt h a tt h ec h a n g e so f c h l o r o p l a s tm e t a b o l i cn e t w o r km a k ei t m o r ee f f e c t i v ef o rp h o t o s y n t h e s i s ， w h i c hm a yp r o v i d es t r o n gs u p p o r t sf o re n d o s y m b i o s i sf r o ms y s t e ma n g l e i n a d d i t i o n ，t h ei d e aa n dm e t h o dc a na l s ob eu s e dt oa n a l y z et h ee v o l u t i o no f m i t o c h o n d r i a lm e t a b o l i cn e t w o r k ，w h i c hi sv e r ys i g n i f i c a n tf o rs t u d yo n s p e c i e se v o l u t i o na ts y s t e mb i o l o g yl e v e l t h ep r o p e r t i e so ft h ee n t i r em e t a b o l i cn e t w o r ka n dt h es u b n e t w o r kt h a t c o n s i s t so fr e a c t i o n sd i r e c t l yc o n n e c t e dt ot h ec a l v i nc y c l eh a v e b e e n a n a l y z e du s i n gh y p e r g r a p hr e p r e s e n t a t i o n r e s u l t ss h o w e dt h a t t h ew h o l e m e t a b o l i cn e t w o r k si nc h l o r o p l a s ta n dc y a n o b a c t e r i ab o t hp o s s e s ss c a l e - f r e e a n ds m a l l - w o r l dn e t w o r kp r o p e r t i e s t h ec h l o r o p l a s t sm e t a b o l i cn e t w o r kh a s l o n g e ra v e r a g ep a t hl e n g t h ，al a r g e rd i a m e t e r ，a n di sc a l v i nc y c l e - c e n t e r e d ， i n d i c a t i n ga no v e r a l ll e s s d e n s en e t w o r ks t r u c t u r ew i t hs p e c i f i ca n dl o c a lh i g h d e n s i t ya r e a si nc h l o r o p l a s t t h ed i f f e r e n c e si nm e t a b o l i cn e t w o r kp r o p e r t i e s m a yr e f l e c tt h ee v o l u t i o n a r yc h a n g e sd u r i n ge n d o s y m b i o s i st h a tl e dt ot h e i m p r o v e m e n to ft h ep h o t o s y n t h e s i se f f i c i e n c yi nh i g h e rp l a n t s o u rf i n d i n g s a r ec o n s i s t e n tw i t ht h en o t i o nt h a ts i n c et h el i g h te n e r g ya b s o r p t i o n ，t r a n s f e r a n dc o n v e r s i o ni sh i g h l ye f f i c i e n te v e ni np h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a , t h ef u r t h e r i m p r o v e m e n t si np h o t o s y n t h e t i ce f f i c i e n c yi nh i g h e rp l a n t sm a yr e l y o n c h a n g e s i nm e t a b o l i cn e t w o r k p r o p e r t i e s 5 上海交通大学博士学位论文 b yc o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o no fn e t w o r km o d u l a r i z a t i o nm e t h o d s ，w e c h o s es i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h mt om o d u l a r i z et h ee n z y m en e t w o r ka n d m a p p e dt h em o d u l e sa c c o r d i n gt ok e g gp a t h w a yc l a s s i f i c a t i o n o u rr e s u l t s s h o w e dt h a ts e v e no ft h ec h l o r o p l a s t1 2m o d u l e sa r ev e r yp a t h w a y s p e c i f i ci n t h a tm o r et h a n5 0 o ft h ee n z y m e si nt h em o d u l eb e l o n gt oo n ep a t h w a y , s u c ha sa m i n oa c i ds y n t h e s i s ，o rc a r b o h y d r a t em e t a b o l i s m i nc o n t r a s t ，o ft h e 6 - 8m o d u l e sd e t e c t e di np h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ，o n l y2 - 3m o d u l e ss h o ws u c h p a t h w a y - s p e c i f i c i t y m o r e o v e r ，t w om o d u l e si nc h l o r o p l a s t sa r ec o m p o s e do f e n z y m e so ft w op a t h w a y se x c l u s i v e l y , l i p i dm e t a b o l i s ma n dt h em e t a b o l i s m o fc o f a c t o r sa n dv i t a m i n s t h e r ea r eo t h e rt w om o d u l e sw i t hn e a d y9 0 a n d 8 0 e n z y m e sr e s p e c t i v e l yr e l a t e dt ob i o s y n t h e s i so fs e c o n d a r ym e t a b o l i t e s a n dh o r m o n em e t a b o l i s mi n c h l o r o p l a s t a l l t h e s ed e m o n s t r a t et h a t c h l o r o p l a s te x h i b i t sm o r eh i g h l y m o d u l a rs t r u c t u r et h a n p h o t o s y n t h e t i c b a c t e r i a ，w h i c hc a nr e s p o n s et oe n v i r o n m e n t a lo ri n t e r n a lc h a n g e si nam o r e c o o r d i n a t e da n dr o b u s tw a y i na d d i t i o n ，a l lo ft h en i n ek e g g p a t h w a y se x i s t i n p h o t o s y n t h e t i c b a c t e r i aw h i l et w oo ft h e m ，g l y c a n b i o s y n t h e s i s a n d b i o d e g r a d a t i o no fx e n o b i o t i c s ，a r ea b s e n ti nc h l o r o p l a s t t h e s et w op a t h w a y s r e q u i r es u b s t a n t i a le n e r g yi n p u ti fr e s i d ei nc h l o r o p l a s t ，c o n s e q u e n t l yt h e i r a b s e n c ec a nb e n e f i tf o rh i g h e re f f i c i e n c yo fp h o t o s y n t h e s i si nc h l o r o p l a s t c l e a r l y ，a l lp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i ap o s s e s s v e r y s i m i l a rm o d u l a r s t r u c t u r e ，w h i l ec h l o r o p l a s tm e t a b o l i cn e t w o r ke x h i b i t sv e r yd i f f e r e n t l y d e s p i t e t h ed i f f e r e n c e s ，s o m eo ft h em o d u l e sa r ec o n s e r v e db e t w e e n c h l o r o p l a s t sa n dp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a w en o t i c e dt h a tf w em o d u l e sa r e c o m m o nb e t w e e nt h e m ，w h i c hf o r mac o r eo fm e t a b o l i s mi n c l u d i n gt h r e e m o d u l e sc o r r e s p o n d i n gt oa m i n oa c i dm e t a b o l i s m ，a n dt h eo t h e rt w om o u l e s c o r r e s p o n d i n g t o c a r b o h y d r a t e m e t a b o l i s ma n dn u c l e o t i d e sm e t a b o l i s m 6 上海交通大学博士学位论文 r e s p e c t i v e l y t h i sr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ec o r em e t a b o l i s m so fc h l o r o p l a s t s a r ed e r i v e df r o m c y n o b a c t e r i ab y h o r i z o n t a l g e n et r a n s f e r , w h i l e t h e d i f f e r e n c e sl i eo nt h es p e c i a l i z e dp a t h w a y s ，s u c ha sm e t a b o l i s mo fc o f a c t o r s a n dv i t a m i n s ，a n db i o s y n t h e s i so fs e c o n d a r ym e t a b o l i t e s w ef u r t h e ra n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne n z y m el i n k a g e sa n d f u n c t i o n si nm e t a b o l i cn e t w o r k so fc h l o r o p l a s t ，s y n e c h o c o c c u ss p w h 8 1 0 2 ( s y w ) ，e c o l i ，a r a b i d o p s i st h a l i a n aa n dc y a n i d i o s c h y z o nm e r o l a e t h e a v e r a g ec o n n e c t i v i t y o fd i f f e r e n tf u n c t i o n a l p a t h w a y s a n d e n z y m e c l a s s i f i c a t i o n si sd i f f e r e n t m o r e o v e rt h ea v e r a g ec o n n e c t i v i t yo fe n z y m e si n e a c hf u n c t i o n a lc l a s s i f i c a t i o ni sv e r ys i m i l a rb e t w e e nc h l o r o p l a s ta n ds y w , w h i c hi n d i c a t et h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt o p o l o g ya n df u n c t i o n se x h i b i t s s i m i l a r i t yb e t w e e ne v o l u t i o n a r i l yc l o s er e l a t e do r g a n i s m s i na d d i t i o n ，w e a n a l y z e d t h e a v e r a g ec o n n e c t i v i t yo fe a c hm o d u l ei nc h l o r o p l a s t a n d c y a n o b a c t e r i a ，a n dt h ec o n n e c t i v i t yo fh o r i z o n t a lt r a n s f e r r e de n z y m e sa n d i s o z y m e s w ef o u n dt h a tp a t c h w o r kt h e o r ya n dp r e f e r e n t i a la t t a c h m e n td r i v e t h ep a t h w a ye v o l u t i o na n dn e t w o r ke v o l u t i o ni nc h l o r o p l a s tr e s p e c t i v e l ya t d i f f e r e n tl e v e l s t h eh i g h e rc o n n e c t i v i t yo fh g t e n z y m e sd e m o n s t r a t et h a t h o r i z o n t a l l yt r a n s f e r r e dg e n e sa r ei n t r o d u c e da n dr e t a i n e dp r e f e r e n t i a l l ya t c e n t r a lp o s i t i o n so ft h em e t a b o l i s mo fc h l o r o p l a s t ，w h i c hc a nm o r ed e a r l y e l u c i d a t et h ep r o c e s so fe n d o s y m b i o s i s k e y w o r d sc h l o r o p l a s t ，e n d o s y m b i o s i s ，m e t a b o l i cn e t w o r k ，h y p e r g r a p h ， m o d u l a r i z a t i o n ，n e t w o r ke v o l u t i o n 7 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：工 日期：如，6 年7 月万e t 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用奉授权书。 本学位论文属于 t 不保密曰。 ( 请在以上方框内打“”) n 彩r 日 谚r 一 砂 m 岔 n审， 承 年 签 旬 隧 脚 教 卧 歇 嘲 卧 日 占 f 工 硼 昏 月 签 7 者 年 储 癣 则 b 戗 瓤 学 巨 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 生物信息学与计算生物学 传统的生物学是以观察和实验为主的科学。但近年来随着以测序为代表的多种 高通量、自动化实验方法的广泛应用，实验数据海量生成，已不能用传统的办法来 分析理解，急需结合数学、信息科学、计算机科学等理论和技术方法来更好地分析 理解这些数据，更深入地理解生命现象。因此，上世纪8 0 年代末期以来，生物信息 学应运而生。生物信息学( b i o i n f o r m a t i c s ) ；是- - f - 交叉科学，它包含了生物信息的获取、 处理、存储、分发、分析和解释等在内的所有方面，它综合运用数学、计算机科学 和生物学知识理解和揭示海量数据所包含的生物学意义“。生物学是生物信息学的核 心和灵魂，数学与计算机技术则是它的基本工具。 生物信息学不仅是- - f l 科学学科，也是一种重要的研究开发工具。从科学的角 度来讲，它是- - i 1 研究生物和生物相关系统中信息内容和信息流向的综合系统科学， 只有通过生物信息学的计算处理，我们才能从众多分散的生物学观测数据中获得对 生命运行机制的详细和系统的理解。从工具的角度来讲，它几乎是今后进行所有生 物医药研究开发所必需的动力机。诺贝尔获得者g i l b e r t1 9 9 1 年在自然周刊中针 对生物学研究范式的变化指出：“今后生物学研究项目的起点将是理论的。一位科学 家将从理论猜测开始，然后才转向实验去继续或检验该假设。1 。”只有基于生物信息 学对大量已有数据资料进行分析处理，提供理论指导，我们才能选择正确的研发方 向，同样，只有选择正确的生物信息学分析方法和手段，我们才能正确处理和评价 新的观测数据并得到准确的结论。 生物系统是一个复杂系统，但它与通常意义下的复杂系统有着本质的差别。一 般复杂系统多是由大量的简单元件相互作用而产生复杂的功能和行为，而生物系统 则是由大量的功能各异且常常又是多功能的元件在选择性和非线性的相互作用下产 上海交通大学博士学位论文 生复杂且相干的功能和行为，对计算科学而占这无疑是一个新的挑战。计算生物学 可分为知识发现和基于模拟分析两个分支“1 。知识发现也称为数据挖掘，是从生物学 各实验平台产生的大量数据和信息中抽取隐含其内的规律并形成假说。基于模拟的 分析是用计算机验证所形成的假说，并对拟进行的体内、体外生物学实验进行预测。 知识发现已在生物信息学中广泛应用，如根据核酸序列预测内含子、外显子、所编 码蛋白质的立体结构，由基因表达谱推导基因调控网络等。这些研究是基于启发式 的、统计学差异的分析方法。而模拟分析是致力于系统动力学的预测，大量高通量 平台的定量数据的产生和积累为基于模拟的研究提供了颦实的基础。计算机建模和 分析已提供了有用的生物学提示和预测，如细胞周期的分叉分析、代谢分析、生物 振荡回路稳态的比较研究等。药物研发也是计算生物学的一个应用热点，虚拟筛选 和药物分子设计，药物吸收、分布、代谢、排泄和毒性的计算机建模已成为新药研 发的重要工具。 1 2 系统生物学的产生和内涵 1 2 1 系统生物学的产生 系统生物学倡导利用系统论的思想，从整体的高度分析、研究生命的复杂特性。 事实上，这种观点并非刚刚才提出，早在上世纪3 0 年代，奥地利生物学家b e r t a l a n f f y 就提出了一般系统论思想，但直到1 9 4 8 年一般系统论才正式被承认“1 。然而，由于 当时生物学知识还不十分丰富，人们对生命现象的认识还很不够，导致这方面的研 究没有取得太大的进展。另一方面，在上个世纪，众多的生物学家通过多个层面的 深入研究使人们对生命本质的认识和理解逐步精确和全面，例如：从物种的分类到 生物体内结构和功能的研究，再到分子层次的相互作用研究，甚至于分子内部原子 间的相互作用研究。尤其是1 9 5 3 年年轻的英国科学家弗朗西斯克里克和詹姆斯沃 森发现了d n a 双螺旋结构，这一重大发现不仅标志着分子生物学的诞生，而且标志 着信息化从此被引入了生物学研究”1 。 总的来说在这一阶段，生物学家采用的研究方法是还原论的方法。生物学家们 2 上海交通大学博士学位论文 力图将复杂的生物体分解成若干简单的部分，直至分解的结果对研究条件来说已经 足够简单了，再对那些相对简单的生物体组成都分进行研究。例如，在研究蛋白质 的性质和功能时，人们使用生物或化学方法将要研究的目标蛋白质从生物体内提取 出来，通过各种化学或物理试验来研究其特性。但是，这样获得的实验数据是该蛋 白质在脱离了生物体环境和脱离了与其他蛋白质相互作用，而仅仅在特定实验条件 下表现出的部分性质。所以，从很大程度上来讲这样获得的生物信息是局部的、片 面的，同时也是零散的。 到了上个世纪9 0 年代，随着高通量实验技术的发展和人类基因组计划的启动， 生命科学从基因组到蛋白质组各个层次都积累了海量的生物数据。同时，随着生物 信息学的兴起，人们从这些海量的生物数据中不断提取有意义的生物信息。虽然， 生物信息学家在挖掘这些海量生物数据方面做了大量的工作，积累了大量有用信息。 然而，想要研究生物体的内在机理并造福人类，这些已有的知识还是远远不够的。 因为生物体本身是一个具有高度复杂性的系统，根据目前局部的、片面的、零散的 生物信息我们无法获得生物体作为一个复杂系统应有的性质和功能。从而，人们认 识到目前采用的还原论方法可能无法满足科学研究的需要。于是，一些走在该领域 前沿的科学家们认识到，有必要将目前己掌握的生物信息整合起来，站在生物系统 整体的高度考察生物体作为一个复杂系统应具有的性质和功能，也就是整合论的研 究观点慨”。生物学研究由分解转向了整合，研究的构架也由单一的生物学实验室转 变为大科学工程与传统生物学实验室相结合的模式。生物学与数学、物理、计算机 科学将更紧密地交叉，使生物学由描述性科学发展为定量预测的科学。在人类基因 组计划带动下出现的一系列组学( o m i c s ，主要有基因组学、转录组学、蛋白质组学、 代谢组学、相互作用组学和表型组学等) ，逐步把分子生物学时代推向系统生物学 时代m 。 在2 0 0 0 年，由日本科学家k i t a n o 和美国科学家h o o d 教授共同发起在日本东京 召开了第一届国际系统生物学大会。这次会议的召开标志着系统生物学的诞生。从 此，系统生物学的思想得到了生物学界的广泛认同，包括哈佛大学在内的很多知名 大学、研究机构纷纷成立了系统生物学系或研究小组，开展系统生物学研究”1 。诸如 s c i e n c e 和n a t u r eb i o t e c h n o l o g y 等世界权威学术刊物也对系统生物学的发展十分关 注，其中s c i e n c e 在2 0 0 2 年3 月刊出了一期系统生物学专刊，该专集导论中的第一 3 上海交通大学博士学位论文 句话这样写道：“如果对当前流行的关键词进行一番统计分析，那么人们会发现，系 统一词高居在排行榜榜首”。 1 2 2 系统生物学的内涵和意义 生物体是一个复杂系统，只有通过各种分子机制、途径和网络的整合才能全面、 系统地阐明复杂的生物学现象。系统生物学是在细胞、组织、器官和生物体整体水 平上研究结构和功能各异的生物分子及其相互作用，并通过计算生物学来定量阐明 和预测生物功能、表型和行为”。系统生物学概念的提出者之一h o o d 指出应把系 统生物学看成- - f l 信息科学，一门在复杂系统理论指导下、利用信息科学提供的工 具对生物复杂系统进行研究的i i 沿交叉科学。图i - i 描述了系统生物学的研究层次和 内容。一般说来，生物信息以这样的方向进行流动：d n a m r n a 一蛋白质一代谢 产物一细胞一器官一个体一群体。这里要注意的是，每个层次信息都对理解生命系 统的运行提供有用的视角。因此，系统生物学的重要任务就是要尽可能地获得每个 层次的信息并将它们进行整合。系统生物学的发展预计需要一个世纪或更长时期， 因此常把系统生物学称为2 1 世纪的生物学。系统生物学是后基因组研究最具挑战性 的一个研究领域，该领域以实验生物学和生物信息学提供的海量生物信息为数据基 础，以探索和揭示生物系统复杂性为研究目标，强调从整体的高度把握生物系统的 功能和特性。研究系统生物学需要系统科学的理论指导，需要生命科学的数据支撑 和实验支持，需要计算机科学提供建模及分析工具。 如图1 2 所示，系统生物学的基本工作流程有四个阶段。首先是对选定的某一生 物系统的所有组分进行了解和确定，描绘出该系统的结构，包括基因相互作用网络 和代谢途径，以及细胞内和细胞问的作用机理，以此构造出一个初步的系统模型。 第二步是系统地改变被研究对象的内部组成成分( 如基因突变) 或外部生长条件， 然后观测在这些情况下系统组分或结构所发生的相应变化，包括基因表达、蛋白质 表达和相互作用、代谢途径等的变化，并把得到的有关信息进行整合。第三步是把 通过实验得到的数据与根据模型预测的情况进行比较，并对初始模型进行修订。第 四阶段是根据修正后的模型的预测或假设，设定和实施新的改变系统状态的实验， 4 上海交通大学博士学位论文 重复第二步和第三步，不断地通过实验数据对模型进行修订和精练。系统生物学的 目标就是要得到一个理想的模型，使其理论预测能够反映出生物系统的真实性。整 合是系统生物学的灵魂，信息是系统生物学的基础，干涉是系统生物学的钥匙啪。 d n a + 一基因蛆_ 一基因组学 、 l 弘”鲫“” t e 鼽一转录蛆一转录蛆学 i t r a n s c r i p t o l e t r a n s c r i p t o n i c $ l 蛋白质一蛋白质蛆- 一蛋白质组学 p r o t e i n p z o t e o - ep z o t e o n l c e 代谢产物一代谢组_ 一代谢组字 l e t a b o l i t e n e t a b o l o l e l e t a b o l o i c e l 细胞 c e l l l 组织 t i s s u e l 器官 o r g a n j 个体 i n d i v i d u a l l 表现塑 。 图1 - 1 系统生物学的研究层次和内容 f i g 1 - 1t h eh i e r a r c h i c a lc o n t e n t so fs y s t e mb i o l o g y 5 上海交通大学博士学位论文 厣8 e p e r i m e n t s t ov e r i f yo rr e j e c t |lt d e v e l o p m e n t o fe d er i m e n t a i 煌 o l o g i c a la n dp h y s i o l o g i c a l k n o w l e d g ea n d d a t a - - - - - - 卜 _ - - - - - e x p e r i m e n t a ld e s i g n t ot e s th y p o t h e s e s m o d e l so fg e n e r e g u l a t i o n ，b i o c h e m i c a n e t w o r k s ，c e l l sa n d o r g a n s ( i n c l u d i n g p h y s i o m ea n dv i r t u a l h u m a n ) 圳i c o m p u t a t i o n a i d r y e p e r i m e n t s a n da n a l y s i s t os c r e e n 图1 - 2 系统生物学的研究思路和流程1 6 l f i g 1 - 2t h ei d e aa n dp i p e l i n eo fr e s e a r c ho ns y s t e mb i o l o g y 嗍 虽然系统生物学在国际科学界中尚处于萌芽阶段，但由于其在新药研制、疾病 防治、优良物种资源培育等方面广阔的应用前景，正越来越受到各国科学家的重视。 系统生物学将不仅使我们全息地了解复杂生命系统中所有成分以及它们之间的动态 关系，还可以用来预测系统受到刺激或干扰后未来的系统行为，从而据此寻找综合性 的治疗方案，以取代针对单独靶点的治疗措施。可以预计，未来的系统生物学不仅 将推动生命科学和生物实验技术的发展，而且必将对整个国民经济、社会和人类本 身产生重大和深远的影响。 6 上海交通大学博士学位论文 1 3 代谢网络的研究内容和现状 1 3 1 代谢网络的研究内容和前景 代谢组学是一门对某一生物或细胞所有低分子量代谢产物进行定性和定量分析， 以监测活细胞中化学变化的科学”“。代谢处于生命活动调控的末端，因此代谢组学 比基因组学、蛋白质组学更接近生物体的表型。基因组学、蛋白质组学研究一般是 发现和鉴别潜在的可能性，而代谢组学研究则是发现和鉴别真实的变化。代谢组学 作为基因型与表型之间的桥梁，将基因产物和基因关联起来，实现基因功能的鉴定， 成为功能基因组学研究的有力工具。代谢组指纹图谱已成功地用于冠心病和肿瘤的 预警与诊断以及药物毒性和疗效的评估，还可用于代谢相关基因沉默突变的发现。 代谢组学技术可以定量细胞的代谢，弄清代谢网络