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山羊氨基酸代谢网络的重构与关键代谢基因的解析

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家畜生态学报 2023年第5期44卷 14-22页

作者：吕琦李望娇刘沛昊彭渝景献金武小璐苏蕊内蒙古农业大学动物科学学院内蒙古自治区呼和浩特010018 农业农村部肉羊遗传育种重点实验室内蒙古自治区呼和浩特010018 动物遗传育种与繁殖自治区重点实验室内蒙古自治区呼和浩特010018

氨基酸是参与生物体生命活动的基本物质之一,其代谢对山羊的诸多经济性状(如羊肉品质、山羊绒)有重要影响。随着生物信息学的快速发展,系统生物学方法被广泛用来研究生物体内代谢机制。为了阐明山羊体内氨基酸的代谢机制,本文通过构建... 详细信息

氨基酸是参与生物体生命活动的基本物质之一,其代谢对山羊的诸多经济性状(如羊肉品质、山羊绒)有重要影响。随着生物信息学的快速发展,系统生物学方法被广泛用来研究生物体内代谢机制。为了阐明山羊体内氨基酸的代谢机制,本文通过构建代谢网络解析山羊氨基酸代谢机制,并通过网络分析发现关键代谢基因。研究首先使用山羊氨基酸代谢基因重新构建山羊氨基酸代谢网络,其次采用Cytoscape软件对该网络进行可视化,并利用R语言中的igraph程序包对氨基酸代谢网络的聚类系数、接近中心度、网络直径及密度等网络参数进行计算和分析。结果发现,山羊氨基酸代谢网络直径为13,密度为0.03,说明该代谢网络的拓扑结构表现出直径较大、密度较小、整个氨基酸代谢网络较复杂等特征。在该代谢网络中,发现10个相互没有联系的子网络模块,根据子网络的基因个数由多到少及其各自的主要功能将它们分别定义为谷胱甘肽转移酶模块、甲基转移酶模块、硒复合代谢模块、赖氨酸降解模块等。山羊氨基酸代谢网络的结构特点与氨基酸的生理功能是相辅相成的,这是山羊长期进化适应环境的结果。此外,本文从网络拓扑结构的角度确定13个对维持整个山羊氨基酸代谢网络具有重要意义的关键代谢基因,例如ABAT,AGXT2,ALDH3B1等。上述结果发现的代谢网络模块及关键代谢基因有助于从遗传层面进一步完善山羊氨基酸代谢的分子机制,可以为全面深入解析山羊与氨基酸代谢相关的经济性状的形成机制奠定了基础,同时也可以为改良相关的重要经济性状、品种培育提供了新的理论参考。

关键词：山羊氨基酸代谢网络关键基因

铁死亡中的代谢调控网络及其与肺相关疾病的联系

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生理学报 2020年第5期72卷 566-574页

作者：成海鹏冯丹丹岳少杰罗自强中南大学湘雅医学院生理学系长沙410078 中南大学湘雅医院儿科长沙410078

铁死亡(ferroptosis)是新近发现的一种铁依赖性的脂质过氧化驱动的非凋亡形式的调节性细胞死亡方式。目前的研究表明,铁死亡会影响体内许多代谢过程和稳态平衡,并且它与许多肺疾病有关,包括急性肺损伤、慢性阻塞性肺疾病和肺纤维化等。... 详细信息

铁死亡(ferroptosis)是新近发现的一种铁依赖性的脂质过氧化驱动的非凋亡形式的调节性细胞死亡方式。目前的研究表明,铁死亡会影响体内许多代谢过程和稳态平衡,并且它与许多肺疾病有关,包括急性肺损伤、慢性阻塞性肺疾病和肺纤维化等。目前,关于铁死亡的研究尚处于起始阶段,现有研究已确认铁死亡受多种基因调控,主要涉及铁稳态和脂质过氧化代谢等方面的基因改变,且机制复杂。本综述基于先前的研究,总结了部分与铁死亡有关的代谢调控网络,并讨论了铁死亡在诸多肺相关疾病病理生理学过程中的作用,期望为此类疾病的研究和治疗提供新的思路和借鉴。

关键词：铁死亡代谢网络急性肺损伤慢性阻塞性肺疾病肺纤维化

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代谢网络优化模拟

代谢网络优化模拟

作者：朱颖北京化工大学

学位级别：硕士

可持续生产化学品仍然是二十一世纪人类面临的重大的全球性挑战,目前利用生物法进行的生产活动没有充分实现资源和环境的可持续发展,所以促使我们思考人为的干涉代谢反应进行调控、分析和设计反应途径,进而指导实验以实现最优调控。本... 详细信息

可持续生产化学品仍然是二十一世纪人类面临的重大的全球性挑战,目前利用生物法进行的生产活动没有充分实现资源和环境的可持续发展,所以促使我们思考人为的干涉代谢反应进行调控、分析和设计反应途径,进而指导实验以实现最优调控。本文的主要工作着眼于利用数学建模和计算机技术对代谢网络进行研究,主要成果如下:（1）提出了一种基于流量平衡分析的代谢路径预测算法,该算法可以在满足物质守恒、反应速率约束、13C数据约束和生长速率约束的条件下,自动搜索外源反应插入宿主菌模型,求解次优路径。模拟结果表明,在大肠杆菌模型中对1,3-丁二醇合成路径进行模拟,得出9条代谢路径。在谷氨酸棒状杆菌模型中对己二酸合成路径进行模拟,得出8条代谢路径。在大肠杆菌模型中对乙二醇合成路径进行模拟,得出4条代谢路径。（2）对代谢路径进行分析与评价。根据代谢物的吉布斯自由能和环境信息,分析代谢路径热力学可行性。随后通过调节代谢网络模型,分析比生长速率、氧气、NADH和NADPH对底物到产品碳转化率的影响。（3）提出了新的菌株优化算法,命名为OptBUCT。与其他菌株优化算法相比,该算法能给出反应通量上调、下调和敲除建议,同时给出较少的反应操作数目。模拟结果表明,大肠杆菌合成1,3-丁二醇的代谢路径A中DERA反应通量需要上调97.54%,CS反应通量需要下调21.87%。大肠杆菌合成己二酸的代谢路径A中3OXCOAT反应通量需要上调119.08%,PPC反应通量需要上调175.26%,ACONTa反应通量需要下调23.59%,SUCDi反应需要敲除。大肠杆菌合成乙二醇的代谢路径B中ETHACL反应通量需要上调20.34%,ACONTa反应通量需要下调71.87%,SUCDi反应需要敲除。

关键词：代谢网络代谢路径预测模拟菌株设计混合整数线性规划最大流最小割

基于代谢网络预测菌种基因改造靶点方法的研究进展

同方学位论文库评论

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同方学位论文库

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生物工程学报 2016年第1期32卷 1-13页

作者：李培顺马红武赵学明陈涛天津大学化工学院生物工程系天津300072 天津大学教育部系统生物工程重点实验室天津300072 中国科学院天津工业生物技术研究所中国科学院系统微生物技术重点实验室天津300308

高产特定产品的人工细胞工厂的构建需要对野生菌株进行大量的基因工程改造,近年来随着大量基因组尺度代谢网络模型的构建,人们提出了多种基于代谢网络分析预测基因改造靶点以使某一目标化合物合成最优的方法。这些方法利用基因组尺度代... 详细信息

高产特定产品的人工细胞工厂的构建需要对野生菌株进行大量的基因工程改造,近年来随着大量基因组尺度代谢网络模型的构建,人们提出了多种基于代谢网络分析预测基因改造靶点以使某一目标化合物合成最优的方法。这些方法利用基因组尺度代谢网络模型中的反应计量关系约束和反应不可逆性约束等,通过约束优化的方法预测可使产物合成最大化的改造靶点,避免了传统的通过相关途径的直观分析确定靶点的方法的局限性和主观性,为细胞工厂的理性设计提供了新的思路。以下结合作者的实际研究经验,对这些菌种优化方法的原理、优缺点及适用性等进行详细介绍,并讨论了目前存在的主要问题和未来的研究方向,为人们针对不同目标产品选择合适的方法及预测结果的可靠性评估提供了指导。

关键词：基因组尺度代谢网络菌种优化系统生物学代谢工程

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代谢网络结构特征的生物信息学研究

国防科技大学学报 2010年第1期32卷 107-111页

作者：王正华周婷婷国防科技大学并行与分布处理国家重点实验室湖南长沙410073

作为生物信息学的重要研究内容,近年来代谢网络结构特征方面的研究取得了许多成果。回顾了代谢网络的重构和表示方法,重点综述了代谢网络宏观结构特征所蕴含的生物学意义,以及拓扑特征所揭示的网络演化过程和网络稳健性信息,提出了目前... 详细信息

作为生物信息学的重要研究内容,近年来代谢网络结构特征方面的研究取得了许多成果。回顾了代谢网络的重构和表示方法,重点综述了代谢网络宏观结构特征所蕴含的生物学意义,以及拓扑特征所揭示的网络演化过程和网络稳健性信息,提出了目前研究中仍然存在的问题及可能的解决思路,并对将来的研究趋势进行了阐述。

关键词：生物信息学代谢网络网络重构宏观结构拓扑特征网络演化网络稳健性

代谢网络的全局结构特征和反应中心性(英文)

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计算机与应用化学 2013年第7期30卷 827-830页

作者：丁德武池州学院数学与计算机科学系安徽池州247000

图(或复杂网络)是大规模代谢网络研究的重要工具。传统上,主要使用代谢物图研究代谢网络,特别是人类的代谢网络。本文则使用反应图来研究人类的代谢网络,即:如果反应x的某个代谢产物是反应Y的某个代谢底物,则将反应x链接到反应Y。首先,... 详细信息

图(或复杂网络)是大规模代谢网络研究的重要工具。传统上,主要使用代谢物图研究代谢网络,特别是人类的代谢网络。本文则使用反应图来研究人类的代谢网络,即:如果反应x的某个代谢产物是反应Y的某个代谢底物,则将反应x链接到反应Y。首先,从公开发表的文献获取了人类的反应网络,它包含了1099个节点和5208个弧。然后,根据"蝴蝶结"的结构分解方法,提取了人类的反应网络巨强组成部分,它包含了682个节点和4119弧。此外,研究了人类代谢网络反应图巨强组成部分的全局结构特性,结果表明它是一个"小世界","无尺度"和"自相似"网络。最后,依据10种不同的中心化分析方法(度,偏心率,紧密度,发散性,质心值,最短路径介数,.Katz状态,交易,网页排名和HITS中心),我们将另一研究重心放在了人类代谢网络反应图巨强组成部分的反应中心性分析方面,并确定了前15个关键反应(R00351b,R00256a,R00220a,R00253a,R00352b,R01177b,R00181a,R00344a,R00355b,R00485b,R03778b,R03858b,R03991b,R04742b和.R04747b)。

关键词：中心化代谢网络无尺度自相似小世界

基于属性图的双聚类分析及其在代谢网络流数据分析中的应用

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基于属性图的双聚类分析及其在代谢网络流数据分析中的应用

作者：费梦圆吉林大学

学位级别：硕士

随着高维数据的迅速增长,聚类已成为越来越流行的数据分析方法。在各种聚类方法中,图聚类、属性图聚类和双聚类已经成为不同类型数据分析问题的有效技术。代谢是存在于所有生物有机体中的一种基本生物过程。研究代谢网络的通量分布对理... 详细信息

随着高维数据的迅速增长,聚类已成为越来越流行的数据分析方法。在各种聚类方法中,图聚类、属性图聚类和双聚类已经成为不同类型数据分析问题的有效技术。代谢是存在于所有生物有机体中的一种基本生物过程。研究代谢网络的通量分布对理解代谢网络的结构和功能至关重要。代谢网络上的通量分布可以看作是属性图的一种特殊情况。在一个子网中有一致变化的样本表明在一个样本组中发生了潜在的代谢变化。为了检测这种模式,需要考虑网络上属性的子空间结构以及网络结构,即双聚类和属性图聚类的综合任务。本文提出了一种基于属性图聚类(Attributed Graph Biclustering,AGBC)的高维代谢通量数据聚类算法。该算法将网络结构信息整合到聚类过程中,识别出流量持续增加的子网络。AGBC算法结合了属性图聚类和聚类方法的优点,首先构建表征代谢通量数据的属性图,然后采用布尔矩阵分解方法嵌入属性图的结构信息,同时对属性图边的属性进行聚类。采用双向增长算法和弱信号检测算法对具有相同性质的子矩阵进行迭代定位。为了验证AGBC算法的有效性和效率,在模拟数据集和真实的人类核心代谢网络数据(M171网络)进行了实验。使用基于消息传递优化算法的流生成模型生成模拟数据,在模拟数据集上与其他双聚类算法进行对比试验。结果显示,AGBC算法在重建损失和效率方面优于其他的双聚类算法。在真实数据集上,首先构建代谢网络因子图,再进行流分布估计,在聚类前对结果进行离散化。结果表明,AGBC算法在识别具有相同属性的子网络时具有较高的精度,在计算时间方面也更高效。AGBC算法可以高精度、高效率地处理大规模代谢网络流数据。实验表明,AGBC算法在代谢网络上的性能优于其他双聚类算法。首先,AGBC算法在识别具有相同属性的子网络方面更准确。其次,AGBC算法在计算时间方面更高效。第三,AGBC算法可以高精度高效地处理大规模的代谢网络流数据。AGBC算法对于未来的人类核心代谢网络研究具有重要意义。虽然AGBC算法在实验中结果较好,但仍存在一些局限性和挑战。如参数选择、结果密度以及离散数据的方法等仍需要进一步优化。在未来的工作中,该算法需要结合其他流量数据的特点进行改进,如交通网络流量,在其他流量数据上呈现良好的聚类结果,便于进一步分析。目前是基于广泛的实验数据。不准确的模型或有噪声的数据可能导致不准确的结果。此外,AGBC算法计算量大,将其应用于大规模代谢网络可能具有挑战性。综上所述,AGBC算法是一种很有前途的高维代谢网络流数据聚类方法。通过将结构信息整合到聚类过程中,可以准确识别具有相同属性的子网络,并有效地处理大规模代谢网络流数据。AGBC算法可以为理解代谢途径和疾病做出重大贡献,为分析代谢网络流数据提供了强大的工具。未来的研究可能集中于开发自动参数选择方法和探索不同的数据离散化方法,以解决AGBC算法的局限性。

关键词：属性图聚类双聚类代谢网络高维数据

同方学位论文库评论

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代谢网络结构与功能的复杂网络分析

计算机与应用化学 2011年第3期28卷 377-380页

作者：丁德武黄海生陆克中何小青计博婧池州学院数学与计算机科学系安徽池州247000 池州学院环境科学系安徽池州247000

细胞的新陈代谢过程可以抽象地描述成交互的复杂网络,越来越多的证据表明这种描述和分析有助于理解代谢网络的结构和功能。本文首先对高质量金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)代谢网络数据进行整理,构建了该网络中的所有代谢反应... 详细信息

细胞的新陈代谢过程可以抽象地描述成交互的复杂网络,越来越多的证据表明这种描述和分析有助于理解代谢网络的结构和功能。本文首先对高质量金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)代谢网络数据进行整理,构建了该网络中的所有代谢反应列表。随后用代谢物图(即节点表示代谢物,连线表示代谢反应)来表示这些反应,形成的网络包含了855个节点和1353条连线。最后用复杂网络理论分析了该网络的全局结构特征、巨强连通体的功能模块和关键节点等,并深入分析了网络的蝴蝶结结构,得到的功能模块以及关键节点的生物学功能意义。

关键词：代谢网络复杂网络社团结构中心化

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代谢网络流分析方法概述

生物学杂志 2016年第4期33卷 97-102页

作者：庞建刘占英郝敏内蒙古工业大学化工学院呼和浩特010051 内蒙古工业大学煤炭转化与循环经济研究所呼和浩特010051

生物体代谢网络模型是系统生物学的重要研究内容之一,代谢网络流分析方法在代谢网络分析中具有重要意义。了解代谢网络流量分析方法有助于理解代谢网络结构和功能的关系,代谢流量与基因表达的关系,在分析疾病,识别药物靶标,制药工程和... 详细信息

生物体代谢网络模型是系统生物学的重要研究内容之一,代谢网络流分析方法在代谢网络分析中具有重要意义。了解代谢网络流量分析方法有助于理解代谢网络结构和功能的关系,代谢流量与基因表达的关系,在分析疾病,识别药物靶标,制药工程和基因改造方面具有重要现实意义。综述了几种常用代谢网络流分析方法:流平衡分析(FBA)、代谢调节最小化分析(MOMA)、调节开关最小化分析(ROOM)、含有二次线性规划的动态流平衡分析方法(DFBA-LQR)、流量范围分析(FVA)、双层规划策略识别基因敲除(Opt Knock)、基因表达上调下调(OptReg)和重新设计生产系统的计算框架(Opt Strain)等,以期为代谢网络流分析提供参考,并进一步为实验研究提供指导。

关键词：代谢网络系统生物学流分析方法