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生物途径数字化策略及其在共生固氮网络数据库中的实现

甘泉  
【摘要】:途径是遗传上有一定距离,但是功能上相关的生物分子组成的反应序列。在功能基因组研究中,揭示生物途径是寻找功能基因的最佳手段。在系统生物学研究中,揭示途径的网络特征是在细胞或分子水平上阐明生物机制的重要前提。途径数据库是研究途径不可缺少的工具。各种途径数据库的建立和发展已经极大地推动了功能基因组学和系统生物学的发展。但是它也面临着挑战。一个重要的挑战就是途径的统一描述。目前,不同的途径数据库对途径的描述有着不同的模型和概念。即使是在同一数据库中,也存在着对不同种类的途径有着不同的的描述模型的现象,无法实现不同层次数据之间的交叉搜索和可视化,不同来源、不同功能的数据整合等。 如何统一描述不同性质和不同层次的生物途径,迄今为止尚未见有系统的论述。本文分析了KEGG,BioCyc,PID等目前几个大型途径数据库的途径描述策略,总结了这些途径数据库的途径描述策略的优缺点。提出了一个统一描述不同性质和不同层次的途径的数字化方法。该方法定义途径为一系列相互衔接的具有生物学意义的关系的集合;关系则是对象之间的有规律的联系;将对象的定义泛化,把光、温度等物理量也定义为对象的一种;并特别强调了对象位置的重要性。用这个方法对豆科植物-根瘤菌共生固氮网络进行了数字化描述。结果表明该方法可以实现对跨物种、跨类型的途径的综合描述,实现对不同种类的途径之间的交叉搜索。特别是当研究的问题涉及代谢、信号转导、基因表达调控等多个方面或多个层次,该方法可以使研究者同时获取有关的途径数据,进行水平的或纵向的研究。 豆科植物-根瘤菌共生固氮机制是非常重要的生命科学问题和有重大经济意义的农业研究课题。共生固氮体系跨越物种、跨越细胞,固氮过程包括不同种属细胞间的物质交换途径,代谢途径和信号转导途径,受到复杂的调控。要实现人类对共生固氮作用的更有效利用,需要对共生固氮体系进行综合研究。建立共生固氮网络数据库是实现其综合研究的必要基础性工作。迄今为止,对共生固氮机制所涉及的途径的描述分散在不同的文献或数据库中,尚缺乏共生固氮体系的整体描述和相应的网络数据库。本文的共生固氮途径的数字化描述可用于构建共生固氮网络数据库。为此,开发了一套从对象管理到途径编辑、途径搜索、途径可视化的软件和函数,使得该途径描述方法能更加有效地用于该数据库的建立。开发了共生固氮途径研究方法数据库,根据途径的定义,确定数据库的数据内容以蛋白质相互作用研究方法为主。搜集并分析了近200篇原始文献,建立了能满足研究者查询和进行实验设计的数据分类体系。数据库提供了实验编辑器,将常用的实验步骤模块化。用户可以通过该编辑器进行实验设计,并将结果打印成图形结果,以方便实验中参考。采用AJAX、PHP和XML技术,开发了实验编辑器的网络版,用户可以通过网页,在线进行实验设计。


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