基于小波变换的代谢网络比较方法

针对集合论的全网络比较方法仅考虑节点本身的特性这一缺陷,提出了一种新的代谢网络比较方法,能同时考虑到节点在网络拓扑结构属性方面的差异.该方法综合了7种代谢网络拓扑中心性,应用主成分分析方法选取主成分,设计了主成分分量的序列化方法,运用小波变换来研究代谢网络结构特征曲线,建立模糊函数比较不同物种的代谢网络.该方法能定量地分析代谢网络拓扑结构的相似度.通过对相似度数据分析,揭示了代谢网络的物种特异性;发现了同一进化阶段物种的代谢网络相似度远高于不同进化阶段物种之间的相似度,为代谢网络进化研究提供了数学基础.     

基于质谱的代谢组学数据分析技术研究进展

代谢组学是系统生物学研究的重要组成部分,是一种对特定条件下生物体内所有内源性小分子代 谢物进行全面定性和定量分析的技术。质谱和核磁共振系统的不断更新迭代推进了代谢组学技术的迅猛发展, 其中质谱技术因其能同时检测出数千个生物流体、细胞和组织中的代谢物,且所需前处理步骤简单,已发展为 当前代谢组学研究中应用最广泛的技术,开发基于质谱的代谢组学数据分析方法也因此成为过去 10 年代谢组学 研究的热点领域。对基于 GC-MS 和 LC-MS 的代谢组学数据预处理、代谢组学数据统计分析、代谢途径富集分析, 以及未知代谢物鉴定 4 个方向取得的研究进展进行系统总结,详细介绍常用的数据分析策略和分析软件;并重 点综述了包括基于数据库、分子网络算法、人工智能算法等未知代谢物鉴定的前沿方法,最后展望了基于质谱 的代谢组学数据分析的未来发展方向,在已知生化反应和分子网络分析的基础上再整合代谢物合成的遗传位点 等信息,有望进一步提高代谢物的鉴定数量和准确度。全面综述基于质谱的代谢组学数据分析技术,将为开发 新的代谢组学分析方法和挖掘代谢组学数据的生物学意义提供重要的参考和思路。     

谷子12种黄酮类代谢物合成通路分析

[目的]谷子营养丰富,其保健功能也日益受到消费者的重视。黄酮类次生代谢物多数具有抗炎、镇痛等药理活性,谷子中的黄酮类物质可能与胃功效有关。然而,谷子中黄酮类物质代谢途径缺乏研究,不利于发掘谷子特色功能成分及相关基因。[方法]本研究采用液相色谱-质谱联用广泛靶向代谢组技术,测定谷子不同品种成熟后籽粒黄酮类代谢组。通过phytozome数据库检索谷子黄酮代谢物上一步合成的关键酶基因,对不同品种、不同时期转录组数据及代谢组数据进行通路热图分析。[结果]通过对黄酮类代谢分析,揭示了其在谷子不同品种籽粒中的积累差异。本研究对12种黄酮类代谢物的合成通路进行分析,发现不同谷子品种间黄酮代谢物的差异基本上与其上游合成酶的表达差异一致,初步确定了15个关键基因;柚皮苷查尔酮和柚皮苷是含量最高的黄酮代谢物。[结论]本研究结果为深入探索谷子籽粒黄酮生物合成途径奠定了基础。     

基于EST序列的茶代谢网络的构建

茶树体内的生化反应所生成的各种功能性化合物是茶叶具有营养和健康功能的物质基础,也是茶叶品质的决定因素。这些生化反应由茶树基因编码的酶催化并组成复杂的代谢网络。首先通过开源工具包jsoup开发异步数据采集程序,从布伦瑞克酶数据库(braunschweig enzyme database,简称BRENDA)和美国国立生物技术信息中心(NCBI)网站上获取酶序列及其催化反应、GI号、EC编码对应关系等相关信息,建立本地酶数据库;其次从NCBI上下载FASTA格式的茶树表达序列标签(expressed sequence tag,简称EST)序列数据,通过GI号查询本地酶数据库,得到酶催化反应信息,继而基于超图思想利用Cytoscape Web API重构茶代谢网络;最后对EST序列信息进行统计分析,并从多个维度对构造的代谢网络进行拓扑特性、KEGG路径、生物意义的深入分析,对茶树内生化反应的理解、新功能基因的挖掘、茶叶品质的提升、新茶产品的开发具有重要意义。     

不同发育时期核桃内果皮的差异代谢物分析

为探明核桃内果皮发育过程中代谢物的变化和木质化发育规律,以不同发育期的‘赞美’核桃内果皮为材料进行了代谢物测定,同时结合转录组信息,研究不同发育时期核桃内果皮中代谢物质的变化及相关基因的转录与表达。结果表明:不同发育期核桃内果皮中代谢物具有显著差异。通过高效液相色谱-质谱联用(UPLC-MS)对样品进行检测分析共鉴定出7 837个代谢物,对其进行筛选后,共得到2 633个差异代谢物,包括核苷酸及其衍生物、脂质、酚酸、氨基酸及其衍生物、生物碱、糖苷、有机酸、木脂素、黄酮类等,被注释到35个代谢通路中,其中玉米素生物合成、组氨酸代谢、核黄素代谢、硫胺素代谢、苯丙氨酸和酪氨酸及色氨酸生物合成通路最显著;硫代葡萄糖苷生物合成、嘌呤代谢、卟啉和叶绿素代谢和苯丙烷类生物合成通路富集到最多差异代谢物。花后45 d时,大部分的差异代谢物的含量较花后20 d时降低。转录组与代谢组联合分析发现,二者具有22个相同的代谢通路,包括玉米素生物合成通路等;激素代谢相关通路和苯丙烷生物合成相关通路中差异代谢物变化与酶编码基因的表达情况一致。核桃内果皮代谢物分析为揭示内果皮发育规律,提高其利用价值提供了理论依据。     

奶牛临床和亚临床酮病的血浆代谢组学研究

【目的】基于代谢组学的气相色谱(GC)/质谱(MS)联用技术分析临床酮病、亚临床酮病和健康的奶牛血浆代谢谱,观察奶牛体内代谢产物的变化,寻找内源性代谢分子标记物,用于发现奶牛临床和亚临床酮病的早期诊断及病情进展的特征生物标志物,并阐明该病发病机制。【方法】收集临床酮病奶牛血样24例,亚临床酮病奶牛33例,健康对照组奶牛23例,静脉采集试验奶牛血液,分离血浆,检测其β-羟丁酸、血糖等生化指标。将血浆样品预处理后,运用GC/MS联用技术检测各组奶牛血浆代谢产物,利用质谱数据库对其进行鉴定。采用主成分分析（principal component analysis, PCA）和偏最小二乘判别分析法（partial least squares discriminant analysis, PLS-DA）等多元统计方法对临床酮病组、亚临床酮病组和健康对照组奶牛检测数据进行模式识别分析。通过PLS-DA方法建立疾病诊断模型后,筛选潜在的疾病生物标记物。【结果】 以80例奶牛血浆样品为分析对象,研究建立了内源性代谢物谱的GC/MS分析方法,并利用NIST（2008）商业质谱数据库对检测到的代谢物进行快速鉴定,共检测出267个变量。将代谢组数据导入SIMCA-P软件进行主成分分析和偏最小二乘法判别分析,代谢组数据可将患病组与健康组分别聚类区分,并且寻找到组间种类无差别代谢物为40种。结果显示与对照组相比,临床和亚临床酮病的差异代谢物均为32个,临床酮病与亚临床酮病组相比有13个差异代谢物。通过查找KEGG数据库,对代谢物进行分析,这些代谢物主要与氨基酸代谢、脂肪代谢和碳水化合物代谢等能量代谢途径相关。【结论】基于代谢组学的GC/MS技术对酮病奶牛血浆进行检测,并结合多元统计分析,共在临床、亚临床酮病和健康组之间发现40种代谢物（主要为脂肪酸,氨基酸和碳水化合物等物质）。证明奶牛血浆样品的GC/MS代谢谱可以有效地对临床酮病组、亚临床酮病组与健康对照组进行区分。该结果也进一步证明了利用代谢组学技术,在一定程度上可以揭示奶牛临床和亚临床酮病的发生和发展变化,而这些对组间分类有贡献的差异代谢物可能是奶牛酮病诊断的潜在代谢标记物和客观指标。通过研究可以发现奶牛临床和亚临床酮病的发生和发展过程中,其血浆内的部分代谢物的代谢模式和代谢途径发生了改变。此外,新的潜在的代谢物也为奶牛酮病的诊断和预防提供了一定的新思路。     

盐胁迫下冰菜盐囊泡细胞的比较代谢组学分析

为了研究盐胁迫下冰菜(Mesembryanthemum crystallinum)盐囊泡中代谢物的变化,通过液相色谱串联质谱（LC-MS/MS）技术对对照以及盐处理下冰菜的盐囊泡中的代谢物进行了鉴定及分析,共在冰菜盐囊泡中确定了356个已知代谢物。对差异代谢物的筛选结果表明,有37种代谢物的含量在盐处理后的盐囊泡中发生了显著变化。基于KEGG数据库对差异代谢物进行的代谢通路富集分析表明,KEGG中定义的植物激素信号传导、玉米素生物合成及嘌呤代谢等6条生化途径存在显著扰动。以上结果显示,盐处理能造成冰菜盐囊泡中的代谢物发生显著变化。     

羊耳菊活性部位在大鼠循环肠灌流液中的代谢产物研究

[目的]采用超高效液相色谱-四极杆-飞行时间质谱(UHPLC-Q-TOF/MS)研究羊耳菊提取物在大鼠循环肠灌流液中的代谢产物。[方法]收集健康SD大鼠循环肠灌流液,分别用甲酸水溶液和正丁醇处理样品后,UHPLC-Q-TOF/MS分析其代谢产物。结合对照品、质谱碎片信息和相关文献,初步推测代谢产物的结构。[结果]大鼠循环肠灌流液中的代谢物较少,初步鉴定出3个代谢产物,主要存在二咖啡酰基奎宁酸酯基位置异构和甲基化代谢物。[结论]该方法初步探究了羊耳菊提取物主要成分在大鼠循环肠灌流液中的代谢特征,为阐释羊耳菊药材的药效物质基础提供理论依据。     

植物代谢工程研究进展

植物代谢工程是采用分子生物学、生物化学、功能基因组学、蛋白组学和代谢组学方法阐明植物复杂的代谢途径和代谢网络的分子机理,通过遗传工程技术在分子水平上调控代谢途径,以提高目标代谢物产量或降低有害代谢物的积累。本文综述了植物代谢工程,包括次生代谢关键酶基因工程、转录因子或调节基因的基因工程等方面的研究进展,以及系统生物学在植物代谢工程研究方面的应用。     

短短芽胞杆菌代谢物组测定中代谢终止方式的优化

微生物代谢组学是定性和定量研究分析细胞内外所有低分子量代谢产物,在发酵控制分析、代谢物控制分析及其他组学联用进行菌种改良等方面得到了应用。胞内代谢物种类和浓度变化非常迅速,因此快速冻结代谢反应是非常重要的,所以必须有效率高和可靠的代谢终止方式,减少代谢物的流失。本研究以短短芽胞杆菌JK-2为研究对象,以LC-MS测定为评价标准,考察了5种代谢终止方式对胞内代谢物保留程度。结果表明,冷甲醇/水(含HEPES)代谢终止方式能够保留的代谢物最多,效率最高及其重现性好,在LC-MS正离子模式下,能够提取出3 000多种胞内代谢物。同时也考察了样品在正负模式下测试情况,结果表明正离子模式下能够检测到的代谢物的数目远远超过负离子模式下检测的数目。     

Specificity and stability in topology of protein networks

Molecular networks guide the biochemistry of a living cell on multiple levels: Its metabolic and signaling pathways are shaped by the network of interacting proteins, whose production, in turn, is controlled by the genetic regulatory network. To address topological properties of these two networks, we quantified correlations between connectivities of interacting nodes and compared them to a null model of a network, in which all links were randomly rewired. We found that for both interaction and regulatory networks, links between highly connected proteins are systematically suppressed, whereas those between a highly connected and low-connected pairs of proteins are favored. This effect decreases the likelihood of cross talk between different functional modules of the cell and increases the overall robustness of a network by localizing effects of deleterious perturbations.     

基于OMNeT++的ASON网状网保护恢复仿真

在构建了OXC光交换机结点结构的基础上,仿真实现了8个结点组成的ASON全网状网,分别对单节点、链路失效情况和多条链路同时失效情况下采用四种不同保护机制时网络的恢复情况进行了仿真比较,分析了各结点和链路对网络优化的影响,为ASON的演进提供了科学的参考依据。     

Multiple high-throughput analyses monitor the response of E. coli to perturbations

Analysis of cellular components at multiple levels of biological information can provide valuable functional insights. We performed multiple high-throughput measurements to study the response of Escherichia coli cells to genetic and environmental perturbations. Analysis of metabolic enzyme gene disruptants revealed unexpectedly small changes in messenger RNA and proteins for most disruptants. Overall, metabolite levels were also stable, reflecting the rerouting of fluxes in the metabolic network. In contrast, E. coli actively regulated enzyme levels to maintain a stable metabolic state in response to changes in growth rate. E. coli thus seems to use complementary strategies that result in a metabolic network robust against perturbations.     

无尺度网络理论与旅游产业集群的构建

网络理论及其方法在产业集群研究中得到广泛应用,但随机网络理论很难完美解释复杂的产业集群网络。无尺度网络具有集散节点、结构洞、社团结构、强弱连结4个方面的结构特点。旅游产业集群是典型的无尺度网络。笔者说明了可根据无尺度网络结构特点在旅游产业集群建设中,通过填补结构洞、控制强弱连结、打破社团结构和加强集散节点建设4种手段,提升旅游产业集群的活力,促进其健康发展。     

农业大棚分布式无线测温网络的设计

针对农业大棚室内温度测量问题,提出了一种分布式无线测温网络的设计方案。网络主要由分布测温节点、大棚中继节点和监测主节点构成,基于ZigBee技术实现无线互连。分布测温节点的设计中选用DS18B20作温度传感器、AT89C51作控制核心;大棚中继节点采用嵌入式微控制器P89LPC913作主控MCU;ZigBee射频芯片选用CC2480。结果表明,该方案稳定可靠、科学可行,能够实现对大棚内温度参数的全方位监测。     

Network context and selection in the evolution to enzyme specificity

Enzymes are thought to have evolved highly specific catalytic activities from promiscuous ancestral proteins. By analyzing a genome-scale model of Escherichia coli metabolism, we found that 37% of its enzymes act on a variety of substrates and catalyze 65% of the known metabolic reactions. However, it is not apparent why these generalist enzymes remain. Here, we show that there are marked differences between generalist enzymes and specialist enzymes, known to catalyze a single chemical reaction on one particular substrate in vivo. Specialist enzymes (i) are frequently essential, (ii) maintain higher metabolic flux, and (iii) require more regulation of enzyme activity to control metabolic flux in dynamic environments than do generalist enzymes. Furthermore, these properties are conserved in Archaea and Eukarya. Thus, the metabolic network context and environmental conditions influence enzyme evolution toward high specificity.     

一种改进的移动Ad Hoc网络分时路由协议研究

在Ad hoc网络里,移动节点通过多跳无线链路实现相互间的通信,开发一种能有效地找到节点间路由的动态路由协议就成为Ad hoc网络设计的关键。针对Ad hoc网络的特点,分析了现有的Ad hoc路由协议及其存在的不足,给出了对典型路由协议的改进方法,提出了一种分时路由协议,并且仿真实现。     

基于集合覆盖模型的农产品冷链网络布局

针对农产品产地"最先一公里"冷链网络布局问题,采用集合覆盖模型求解不同辐射半径和网点容量组合下的网络节点个数及布局方式,分析网络节点的辐射半径、容量与个数3者之间的关系,通过TOPSIS算法找出最优布局方案。结果表明:1)单一辐射半径下,随着网络节点容量的增加,网络节点个数逐渐减小,最终趋于稳定;2)网络节点个数首次出现最小值时对应的节点容量为该辐射半径下的最佳容量;3)每个网络节点辐射半径都对应1种最佳布局方式。本研究运用集合覆盖模型对某区域农产品基地进行网络布局,分析得出网络节点的辐射半径为10km、容量为15万t时的布局方案为最优,与理论分析相符,本研究提出的模型有效且可行。     

一种自适应的无线传感器网络流量控制机制

随着科技的发展和社会的进步,无线传感器网络在人们生活中的应用越来越广泛。然而,随着传感器网络负荷的增加,拥塞将会导致网络性能的大幅下降。采用基于自适应的无线传感器网络流量控制机制,通过对拥塞节点的虚拟代价进行计算和判断,并实时地将虚拟代价发送到发送节点,然后对发送节点进行流量控制,将能在很大程度上改善网络性能,提高网络服务质量。