微生物代谢网络结构分析及可视化工具设计

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新陈代谢是生物体的核心功能之一,同时也是一个十分复杂的过程,对其进行分析理解是系统生物学研究的一个重要领域。将代谢网络抽象为图可以方便地进行计算,是常用的研究手段,对这些网络的结构特征进行分析有助于我们理解生物的代谢过程,具有重要的研究意义。   虽然目前对代谢网络结构特征的研究已经得出了许多重要的成果,如网络的无标度性、模块性和鲁棒性等,但还有一些不很清楚地问题,如这些结构特征相互间的关系、结构特征与环境间的关系等,本文对这些方面做了探索,主要有以下几点:(1)分析了现已有全基因组序列的1000多种原核生物代谢网络的模块化性质,结果表明这些网络的模块度明显地高于度序列相同的模拟随机网络,而其紧密度低于这些随机网络;(2)将从代谢网络中提取的seedset作为模拟环境,分析代谢网络和这些模拟环境间的交互情况,结果表明生活环境变化性大的物种在模拟条件下的环境鲁棒性也较高。环境鲁棒性好的物种,在其自身环境下的网络鲁棒性相对较差;(3)构建了300多个元基因组的代谢网络,对元基因组代谢网络和单基因组代谢网络的拓扑性质进行了比较,发现元基因组代谢网络的代谢物数和反应数比单基因组的情况高,但前者中seed物质所占比例相比后者来说却显著地偏低,而二者在模块度和紧密度方面则没有明显的区别。   在进行代谢网络结构分析的过程中,我们发现可视化是促进我们对代谢网络结构理解和进行结果展示的重要手段,而目前的工具并不能完全满足要求。我们开发了一个基于web的代谢网络可视化工具NetVis,该工具内提供了1000多个来自KEGG的微生物物种的代谢网络,支持用户上传KGML,SBML等常用格式的代谢网络文件,可自动进行网络分割,支持多种网络显示和结点选择方法。我们以幽门螺杆菌的代谢网络为例,介绍了操作流程,给出了简单的分析结果。
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