[發(fā)明專利]生物分子網(wǎng)絡(luò)展示分析系統(tǒng)及其分析方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110100630.2
• 申請日: 2011-04-21
• 公開（公告）號: CN102142064A
• 公開（公告）日: 2011-08-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 石鐵流;李鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 華東師范大學(xué)
• 主分類號: G06F19/12
• 分類號: G06F19/12
• 代理公司: 上海麥其知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31257
• 代理人: 董紅曼

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及生物分子網(wǎng)絡(luò)展示分析領(lǐng)域，尤其涉及一種生物分子網(wǎng)絡(luò)展示分析系統(tǒng)及其分析方法。

背景技術(shù)

生物網(wǎng)絡(luò)是生物體內(nèi)各種分子通過相互作用來完成各種復(fù)雜的生物功能的一個體系。網(wǎng)絡(luò)水平的研究，有助于從整體上理解生物體內(nèi)各種復(fù)雜事件發(fā)生的內(nèi)在機制。細胞的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、代謝網(wǎng)絡(luò)或信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)是最常見的生物分子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這些網(wǎng)絡(luò)通常由許多不同的生物分子“元件”組成，其中最重要的成分是基因和蛋白質(zhì)。但對“系統(tǒng)”而言，關(guān)鍵不是組分，而是組成元件之間的關(guān)系，以及原件的狀態(tài)特性信息。從生物分子的角度來看，關(guān)系可以是分子與分子的相互作用，也可是某種化學(xué)反應(yīng)。

目前生物網(wǎng)絡(luò)研究的重點主要集中在蛋白質(zhì)功能網(wǎng)絡(luò)模塊、轉(zhuǎn)錄調(diào)控模塊、代謝反應(yīng)模塊等領(lǐng)域，由于分子生物學(xué)研究技術(shù)和研究領(lǐng)域的不斷深入，通過數(shù)據(jù)的搜集和整合，大量模式生物的整體蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架被搭建。然而在多數(shù)情況下，這種網(wǎng)絡(luò)被處理成了無方向無權(quán)重的簡單關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，這與蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)的生物實際相差甚遠。在生物體內(nèi)不同種類的蛋白相互作用如組成蛋白復(fù)合體，磷酸化過程,免疫識別等都有其特定的功能和限定條件，將這些特征忽視自然也使得應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)信息進行的相關(guān)分析結(jié)果遠離生物實際。

隨著現(xiàn)代生物學(xué)研究技術(shù)的不斷進步和模式生物分子網(wǎng)絡(luò)相關(guān)領(lǐng)域研究的不斷深入，大量關(guān)于生物蛋白質(zhì)、基因的各個角度的研究信息被發(fā)布在相關(guān)的生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫中，其中包括如蛋白亞細胞定位，三維結(jié)構(gòu)，蛋白功能注釋，蛋白組織特異性表達等，同時隨著功能基因組學(xué)的研究深入，大量基因突變體在研究文獻中被報道，結(jié)合這一部分文獻資源和部分生物突變體資源數(shù)據(jù)以及NCBI提供的遺傳疾病基因關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，我們將表型信息進行整理分類后，對應(yīng)到蛋白編碼基因上，用以作為一種蛋白功能注釋展現(xiàn)給研究人員。這部分分子注釋信息對于我們?nèi)嬲J識相關(guān)的蛋白質(zhì)提供了很好的特征參考。同時隨著相關(guān)的發(fā)育，疾病，形態(tài)建成等功能機制領(lǐng)域的研究深入，很多新的蛋白相互作用信息被發(fā)現(xiàn)或者被進一步細化。針對某一生化反應(yīng)過程的規(guī)模化的高通量的研究數(shù)據(jù)被發(fā)表，如蛋白磷酸化，蛋白復(fù)合體形成等。加之如信號傳遞,轉(zhuǎn)錄調(diào)控相關(guān)領(lǐng)域的研究進展,使得很多生物分子間作用的方向性和功能被近一步闡明.通過對以上數(shù)據(jù)的有效收集和整合,使得我們得以從增加節(jié)點注釋信息和連線方向性,連線類型等角度對生物分子網(wǎng)絡(luò)進行重新注釋和描述,使得它更加符合生物學(xué)實際。

針對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析的研究由來已久，以數(shù)學(xué)和拓撲學(xué)為基礎(chǔ)各種網(wǎng)絡(luò)拓撲模型被構(gòu)建。上世紀(jì)六十年代，匈牙利數(shù)學(xué)家艾爾德（P.Erdǒs）和萊利（A.Rényi）提出用隨機作圖理論來分析網(wǎng)絡(luò)的拓撲復(fù)雜性。他們的這一理論后來成為分析網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)典數(shù)學(xué)方法，被稱為“ER理論”，其研究的網(wǎng)絡(luò)則被稱為“ER模型”。ER模型建立在隨機過程上，即一定數(shù)量的節(jié)點彼此完全隨機地連接在一起，每個節(jié)點具有相同數(shù)量的連接。因此，這種模型在統(tǒng)計意義上是一種均一性網(wǎng)絡(luò)。

近年來，隨著針對互聯(lián)網(wǎng)、物流網(wǎng)、人際網(wǎng)等領(lǐng)域研究的不斷深入，以及高性能計算資源下的模擬運算，人們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實世界中的多數(shù)網(wǎng)絡(luò)與ER模型相差甚遠。這些真實的網(wǎng)絡(luò)既不是概率為零的絕對規(guī)則連接的網(wǎng)絡(luò)，也不是概率為1的完全隨機連接的網(wǎng)絡(luò)，而介于這兩者之間。科學(xué)家把這種類型的網(wǎng)絡(luò)稱為“小世界網(wǎng)絡(luò)”。在小世界網(wǎng)絡(luò)中，任意一個節(jié)點可以和其相鄰的最近的兩個節(jié)點相連接。研究者發(fā)現(xiàn)，線蟲的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是一種典型的小世界網(wǎng)絡(luò)。

生物分子網(wǎng)絡(luò)通常被認為滿足小世界網(wǎng)絡(luò)模型，同時由于其中少數(shù)節(jié)點的連接數(shù)遠高于平均的節(jié)點連接數(shù)，而被進一步注釋為“無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)”，屬于高度非均一性的網(wǎng)絡(luò)。它具有真實網(wǎng)絡(luò)中最常見的兩個特性：增長和偏好連接。第一個特點表明無尺度網(wǎng)絡(luò)可以不斷地擴張。第二個特點則意味著兩個節(jié)點連接能力的差異可以隨著網(wǎng)絡(luò)的擴張而增大；最初連接較多的節(jié)點可以形成更多的連接，即“富者愈富”。研究者利用基因組數(shù)據(jù)庫，對動物、植物、微生物三大類型中的43種生物體的代謝網(wǎng)絡(luò)進行了分析，發(fā)現(xiàn)這些代謝網(wǎng)絡(luò)均遵循著無尺度網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計原則。

本發(fā)明提供一種生物分子網(wǎng)絡(luò)展示分析系統(tǒng)及其分析方法，以無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)模型，結(jié)合生物分子網(wǎng)絡(luò)特征，細化節(jié)點和關(guān)系類型，更符合生物學(xué)實際的研究。

發(fā)明內(nèi)容