[發明專利]一種基于多組學數據整合的植物全基因組多層次生物網絡重建方法

在審

• 申請號: 201710952881.0
• 申請日: 2017-10-13
• 公開（公告）號: CN107862176A
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 陳銘;劉麗麗;梅茜;張子鈞;俞振濘;孫天昊;薛繼統;張霈婧;胡大輝
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F19/16
• 分類號: G06F19/16;G06F19/18;G06F19/22;G06F19/28
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司33224
• 代理人: 王琛

技術領域

本發明屬于生物網絡構建技術領域，具體涉及一種基于多組學數據整合的植物全基因組多層次生物網絡重建方法。

背景技術

分子生物學研究表明基因型到表型發生的過程涉及到細胞內多種組分間的多層次的時空調控以及代謝產物在不同細胞器或組織中的分布，這些調控過程基本上呈現一個逐步細化的級聯層次方式：基因組到轉錄組、轉錄組到蛋白質組、蛋白質組到代謝組、代謝組到表型，而中間各個過程又相互關聯、密不可分。生物體在不同的生物過程中都對應著多層次網絡的動態調控，包括基因調控網絡(GRNs)、蛋白質互作網絡(PPIs)和代謝網絡(GSMN)等。目前已有上千個公共生物學數據庫匯集了海量的基因組學、蛋白質組學和代謝組學的數據，使得預測基因、蛋白質間的調控關系和重建代謝途徑變得可能。然而，生物過程背后的分子網絡是個極其復雜的系統，其相應的屬性和規律目前仍然是個需要深入研究的領域。我們必須在獲得生物網絡結構的基礎上研究其動態屬性，然后才能系統地分析其功能并預測未知的功能基因、蛋白和反應。所以最重要的一步就是如何有效挖掘和整合現有的分子生物學數據，構建組學尺度的生物網絡，包括基因調控網絡、蛋白質互作網絡、代謝網絡以及通過網絡間的整合構建多層次的調控網絡。

隨著測序技術的不斷發展，物種全基因組測序工作的相繼完成引領基因組尺度代謝網絡的構建研究進入了一個嶄新的時代。基因組尺度代謝網絡的構建是從基因組序列出發，通過構建基因-蛋白質-反應的相互作用關系，結合計算機模型和實驗數據，從系統的角度分析復雜的生物系統，定量研究生命體的代謝過程的一個必不可少的工具，它對于生命活動的理論研究和物種改良都具有重要的理論和實踐意義。植物基因組尺度代謝網絡模型，是在網絡水平上研究植物代謝和指導植物代謝工程必不可少的工具。然而，由于植物自身的復雜性和基因組注釋信息的不完整，植物代謝網絡構建方面的研究仍面臨著重大的挑戰。目前，僅有擬南芥和玉米的基因組尺度的代謝網絡模型被初步構建，其中de Oliveira Dal'Molin等人通過構建擬南芥代謝網絡模型(AraGEM,a Genome-Scale Reconstruction of the Primary Metabolic Network in Arabidopsis.Plant Physiology 152(2):579-589.2010)，鑒定了呼吸循環所需的最少反應，強調了光合代謝和非光合代謝的顯著差異；Poolman等人利用擬南芥代謝網絡揭示了維持和生產擬南芥細胞中生物組分所需的最少ATP(三磷酸腺苷)量(A Genome-Scale Metabolic Model ofArabidopsis and Some of Its Properties.Plant Physiol 151(3):1570-1581.2009)。

另外Grafahrend-Belau等人和Dal'Molin等人構建了特定生理條件和特定組織類型的植物代謝網絡，前者構建了大麥種子的代謝網絡，對不同生理條件下谷物產量和流分布進行了模擬預測；后者構建了C4GEM模型，主要針對C4植物，研究了C4光合作用過程中葉肉和維管束鞘細胞的代謝流的分布。目前，植物代謝網絡的研究還只要停留在模型構建和特定條件或組織下代謝流的分析，如何利用植物代謝網絡模型來指導植物代謝工程和品種改良，仍是一個需要研究人員攻克的重要難題。然而，水稻作為全世界最重要的糧食作物之一和禾本科植物的模式生物，其網絡水平上的全基因組尺度代謝網絡研究還處于空白階段。