細(xì)菌必需基因團簇模型及最小基因集構(gòu)建.pdf

1、必需基因是生物體維持基本生命活動所不可缺少的基因。近來，細(xì)菌的必需基因集已經(jīng)成為微生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、基因組學(xué)、生物信息學(xué)等學(xué)科的研究熱點。由于必需基因的重要性，必需基因已成為合成生物學(xué)的基礎(chǔ)，同時必需基因能成為抗菌藥物設(shè)計的潛在靶標(biāo)，且有助于理解生命的最早共同祖先。
　　本學(xué)位論文，以必需基因為研究對象，提出了必需基因團簇模型，并構(gòu)建了第一個必需基因團簇數(shù)據(jù)庫（Database of cluster of essential gene

2、, CEG）。基于必需基因團簇數(shù)據(jù)庫，發(fā)展了必需基因算法和軟件的實現(xiàn)（CEG_Match），并描繪了一個細(xì)菌的最小基因集藍(lán)圖和重構(gòu)了最小代謝網(wǎng)絡(luò)。以必需基因團簇數(shù)據(jù)庫的物種為參考集，計算了2186個細(xì)菌的基因適應(yīng)度，并構(gòu)建了第一個細(xì)菌基因適應(yīng)度數(shù)據(jù)庫（IFIM）。具體如下：
　?。?）我們首次提出必需基因團簇模型來存儲必需基因，而不是像已有的必需基因數(shù)據(jù)庫用單個基因形式存儲。并構(gòu)建了第一個必需基因團簇數(shù)據(jù)庫，該模型（數(shù)據(jù)庫）包含同

3、源的必需基因簇。模型以實驗確定了必需基因的16個菌株（15個物種）為對象，把在這些物種中具有相同功能的基因作為一個團簇，獲得了932個包含2個必需基因以上的真實必需基因團簇，以及1929個只有1個必需基因的偽團簇。與現(xiàn)有的以單個基因模式存儲必需基因的數(shù)據(jù)庫不同，必需基因團簇數(shù)據(jù)庫以團簇為單位存儲必需基因。這將大大方便研究人員的使用，例如：基于模型（數(shù)據(jù)庫）中的每個團簇的團簇大小信息，用戶可以很方便地確定一個必需基因是多細(xì)菌物種中保守還是

4、物種特異的。該模型（數(shù)據(jù)庫）還收錄了每個必需基因團簇基因（蛋白）與人類的保守性結(jié)果。利用必需基因數(shù)據(jù)庫的必需基因團簇大小、與人類保守性等重要信息，研究人員可以進(jìn)行進(jìn)化和藥物設(shè)計的相關(guān)研究。
　　（2）基于提出的必需基因團簇模型，我們發(fā)展了一個必需基因預(yù)測的K-value算法并形成軟件（CEG_Match）。該軟件基于基因的功能同源性而不是基于序列的同源性。因此不需要對基因進(jìn)行測序，只需要通過簡單的實驗確定功能就能預(yù)測基因必需與否。

5、該軟件使用簡單，相比BLAST的同源搜索比對方法具有更低的偽正率，同時保持不低的準(zhǔn)確度，且在運行時間上遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于BLAST的同源搜索。
　?。?）理解生物體的生存適應(yīng)度對完整地理解微生物遺傳和有效的藥物設(shè)計十分重要。目前存在的必需基因數(shù)據(jù)庫都僅提供實驗確定的二進(jìn)制必需性數(shù)據(jù)。我們集成了必需基因團簇數(shù)據(jù)中（CEG）的細(xì)菌的實驗數(shù)據(jù)，并結(jié)合理論預(yù)測數(shù)據(jù)，提出了用連續(xù)性的數(shù)值來反映基因的必需性，構(gòu)建了第一個微生物基因適應(yīng)度數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫

6、涵蓋了在CEG數(shù)據(jù)庫中通過由單基因敲除和轉(zhuǎn)座突變實驗確定的11個細(xì)菌的基因適應(yīng)度、1個酵母的實驗基因適應(yīng)度和2186個理論預(yù)測的基因適應(yīng)度數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)理論預(yù)測的基因適應(yīng)度與實驗的基因適應(yīng)度有顯著的相關(guān)性，這說明理論預(yù)測的基因適應(yīng)度與實驗的基因適應(yīng)度一樣具有可靠性。并且用戶可以友好地訪問和瀏覽基因適應(yīng)度數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。基因適應(yīng)度數(shù)據(jù)庫作為第一個存儲微生物基因適應(yīng)度資源的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫有助于研究人員更好地理解微生物遺傳和開發(fā)抗菌藥物以降

7、低致病菌的耐藥性，特別針對缺少實驗確定的基因適應(yīng)度的物種。
　?。?）最后，基于必需基因團簇數(shù)據(jù)庫CEG，描繪了一個細(xì)菌最小基因集藍(lán)圖和重構(gòu)了最小代謝網(wǎng)絡(luò)。最小基因集對組裝最小人工細(xì)胞非常重要，盡管有一些細(xì)菌的最小基因集已經(jīng)被報道出來，但是這些被發(fā)表的最小基因集只滿足自復(fù)制（繁殖）系統(tǒng)，或者局限的引入了代謝相關(guān)基因。為了獲得一個更加可靠和完整的細(xì)菌最小基因集，相比傳統(tǒng)的確定最小基因集策略，我們有以下系統(tǒng)的創(chuàng)新：以必需基因團簇數(shù)據(jù)庫

8、為基礎(chǔ)，從實驗確定的必需基因出發(fā)，提出一個半數(shù)保留法來確定保守基因，同時引入最小代謝網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)以補全最小基因集。最終獲得一個包含315個必需基因的最小基因集，其中157個基因參與最小代謝網(wǎng)絡(luò)，涉及431個代謝反應(yīng)。我們首次獲得了一個同時滿足自復(fù)制（繁殖）和自維持（代謝）兩種系統(tǒng)的最小基因集。通過最小代謝網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，除了確認(rèn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的20個關(guān)鍵代謝物外，我們新確定了5個關(guān)鍵代謝物。此外，發(fā)現(xiàn)在最小代謝網(wǎng)絡(luò)中，高必需性基因更趨向于把其涉及的代謝

9、物分配到多個反應(yīng)中，預(yù)示著細(xì)菌在一個反應(yīng)遭到破壞時，能保留更多的代謝物正常進(jìn)行來降低致死風(fēng)險。最后，本文討論了最小基因集的應(yīng)用領(lǐng)域：基于最小基因集，能夠擴充現(xiàn)有的藥物靶標(biāo)數(shù)據(jù)庫來發(fā)展新藥物以降低細(xì)菌耐藥性；提出了一個半從頭合成策略來幫助設(shè)計合成一個具有廣泛生物學(xué)應(yīng)用的底盤細(xì)胞。
　　綜上所述，本文對細(xì)菌必需基因、最小基因集的研究做了一個較全面的探索，并應(yīng)用于必需基因預(yù)測、藥物靶標(biāo)基因發(fā)現(xiàn)、合成生物學(xué)等研究上。本研究取得了一定進(jìn)展，