微生物功能基因組學(xué)

1、微生物功能基因組學(xué)微生物功能基因組學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院陳陳 玲玲 玲玲1一、微生物基因組數(shù)據(jù)產(chǎn)生及存儲一、微生物基因組數(shù)據(jù)產(chǎn)生及存儲二、微生物基因組注釋及比較基因組學(xué)二、微生物基因組注釋及比較基因組學(xué)三、微生物網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及分析三、微生物網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及分析- -藥物靶標預(yù)測藥物靶標預(yù)測23451995 第一個自由生物體流感嗜血菌(H. inf)的全基因組測序完成1996 啟動模式生物基因組計劃H.Inf全基因組Saccharomyces cerevisiae釀酒酵母Caenorhabditis elegans秀麗線蟲模式生物與微生物基因組計劃一、微生物基因組數(shù)據(jù)產(chǎn)生、存儲一、微生物基因組

2、數(shù)據(jù)產(chǎn)生、存儲6humanArabidopsis(擬南芥擬南芥)Thermotoga maritima(嗜熱菌嗜熱菌 )Escherichia coli(大腸桿菌大腸桿菌)Buchnerasp. APSRickettsia prowazekii(普氏立克次普氏立克次體體 )Ureaplasma.urealyticum（分解尿素支原體（分解尿素支原體 ）Bacillus subtilis(枯草桿菌枯草桿菌 )Drosophila melanogasterThermoplasma acidophilum(嗜酸熱原體嗜酸熱原體 )Plasmodium falciparum(瘧原蟲瘧原蟲 )Helic

3、obacter.pylori(幽門螺旋桿菌幽門螺旋桿菌 )mouseCaenorhabitis elegansRatBorrelia burgorferi(伯氏伯氏疏螺旋菌疏螺旋菌 )Borrelia burgorferiZebrafish Neisseria.meningitidis (腦膜炎雙球菌腦膜炎雙球菌 )Mycobacterium.tuberculosis (肺結(jié)核分枝桿菌肺結(jié)核分枝桿菌 )7種類種類數(shù)目數(shù)目備注備注古細菌(Archaea)137/118真細菌(Bacteria)2109/1691其中有的測定了2個以上的菌株真核生物(Eukaryo)166/144酵母、線蟲、果蠅、

4、蚊子、擬南芥、人等病毒(Virus)2977/2592包括不同亞類或不同株系類病毒(Viroid)56/55包括不同亞類或不同株系噬菌體(Phage)1089/792包括不同亞類或不同株系細胞器(Organelle)3674/3062包括線粒體和葉綠體質(zhì)粒(Plasmid)1035/1001（引自 ， 2012.10/2011.10） 8NCBIGenBank /genbank/genomes/Bacteria/RefSeq /genomes/Bacteria/ (NC_*)TPA TPA: B

5、K008582-BK008596*.fna *.ptt *.faa *.ffnEBI TIGR Comprehensive Microbial Resource (CMR) 9二、微生物基因組注釋及比較基因組學(xué)二、微生物基因組注釋及比較基因組學(xué)10二、微生物基因組注釋及比較基因組學(xué)二、微生物基因組注釋及比較基因組學(xué)1112二、微生物基因組注釋及比較基因組學(xué)二、微生物基因組注釋及比較基因組學(xué)13 ORPHEUS =fgenesb&group=programs&subgroup=gfindbFgeneSB ProdigalProdigal二、微生物基因組注釋及比較基因組學(xué)二、微生物

6、基因組注釋及比較基因組學(xué)14DNA序列的Z 曲線理論the Z curve theory of DNA sequence 提出人:張春霆 院士四種堿基四種堿基三種分布三種分布一條曲線一條曲線N32N1645N78N9NH2AN12N3465NH2OCN32N1645N78N9OHNH2GN12N3465OHOCH3T 嘌呤/嘧啶 R / Y氨基/酮基 M / K弱氫鍵/強氫鍵 W / S 15v3v2v1(x3,y3,z3)(x2,y2,z2)(x1,y1,z1)CodingNoncodingv2(x2,y2,z2)v3(x3,y3,z3)v1(x1,y1,z1)16NoncodingCodi

7、ng. 2).()(, 1,1, 1,),()(),()(iiiiiiiiiiiiiiiiiicgtazizyxtgcaytcgax.31,23, 2).XC()XG()XT()XA(1, TG,C,A,X),XT()XG()XC()XA(),XT()XC()XG()XA(kkkkkXkkkkkXkkkkkXppppzkppppyppppx1.1.三周期性；三周期性；2.2.三個密碼子位堿基使用不均衡。三個密碼子位堿基使用不均衡。17-0.8-0.40.00.40.8-0.8-0.40.00.40.8TCGAY1X 1-0.8-0.40.00.40.8-0.8-0.40.00.40.8TCGA

8、Y2X 2正負樣本堿基分布點圖正樣本NGR-0.8-0.40.00.40.8-0.8-0.40.00.40.8CTGAY1X 1負樣本NNN1819地衣芽孢桿菌WX-02菌株與ATCC 14580基因組的整體相似性為94.8%.20二、微生物基因組注釋及比較基因組學(xué)二、微生物基因組注釋及比較基因組學(xué)21二、微生物基因組注釋及比較基因組學(xué)二、微生物基因組注釋及比較基因組學(xué)22二、微生物基因組注釋及比較基因組學(xué)二、微生物基因組注釋及比較基因組學(xué)23二、微生物基因組注釋及比較基因組學(xué)二、微生物基因組注釋及比較基因組學(xué)24二、微生物基因組注釋及比較基因組學(xué)二、微生物基因組注釋及比較基因組學(xué)25二、微生

9、物基因組注釋及比較基因組學(xué)二、微生物基因組注釋及比較基因組學(xué)26二、微生物基因組注釋及比較基因組學(xué)二、微生物基因組注釋及比較基因組學(xué)2728FgeneSB(4496)Glimmer(4627)Prodigal(4375)215844134633261045329Metabolism Carbohydrate Metabolism Energy Metabolism Lipid Metabolism Nucleotide Metabolism Amino Acid Metabolism Metabolism of Other Amino Acids Glycan Biosynthesis and

10、 Metabolism Metabolism of Cofactors and Vitamins Metabolism of Terpenoids and Polyketides Biosynthesis of Other Secondary Metabolites Xenobiotics Biodegradation and Metabolism Overview KEGG Pathways: 30Genetic Information Processing Transcription 03020 RNA polymerase 03022 Basal transcription factor

11、s 03040 Spliceosome Translation 03010 Ribosome 00970 Aminoacyl-tRNA biosynthesis 03013 RNA transport 03015 mRNA surveillance pathway 03008 Ribosome biogenesis in eukaryotes Folding, Sorting and Degradation 03060 Protein export 04141 Protein processing in endoplasmic reticulum 04130 SNARE interaction

12、s in vesicular transport 04120 Ubiquitin mediated proteolysis 04122 Sulfur relay system 03050 Proteasome 03018 RNA degradation Replication and Repair 03030 DNA replication 03410 Base excision repair 03420 Nucleotide excision repair 03430 Mismatch repair 03440 Homologous recombination 03450 Non-homol

13、ogous end-joining 31Environmental Information Processing Membrane Transport 02010 ABC transporters 02060 Phosphotransferase system (PTS) 03070 Bacterial secretion system Signal Transduction 02020 Two-component system 04010 MAPK signaling pathway 04013 MAPK signaling pathway fly 04011 MAPK signaling

14、pathway yeast 04012 ErbB signaling pathway 04310 Wnt signaling pathway 04330 Notch signaling pathway 04340 Hedgehog signaling pathway 04350 TGF-beta signaling pathway 04370 VEGF signaling pathway 04630 Jak-STAT signaling pathway 04020 Calcium signaling pathway 04070 Phosphatidylinositol signaling sy

15、stem 04150 mTOR signaling pathway 04075 Plant hormone signal transduction Signaling Molecules and Interaction 04080 Neuroactive ligand-receptor interaction 04060 Cytokine-cytokine receptor interaction 04512 ECM-receptor interaction 04514 Cell adhesion molecules (CAMs) 32Pathways: Two-component syste

16、m, including salt stress, oxogen stress, nitrogen metabolism et al. 333435363701054 Nonribosomal peptide structures3801053 Biosynthesis of siderophore group nonribosomal peptides3901055 Biosynthesis of vancomycin group antibiotics40Protein export4142Protein export43444546-2-1012-6-4-20246 Positive s

17、ample Negative sample Non-coding ORFsThe second principal component (PCA2)The first principal component (PCA1)Agrobacterium tumefaciens strain C58 The RT-PCR results of the re-annotated no-coding ORFs. 23/29 （79%）were verified.47Agrobacterium tumefaciens strain C58 The RT-PCR results of the newly pr

18、edicted protein-coding genes. 15/19 （79%）were verified.三三. . 微生物代謝網(wǎng)絡(luò)、蛋白互作網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及藥物靶標預(yù)測微生物代謝網(wǎng)絡(luò)、蛋白互作網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及藥物靶標預(yù)測48Xanthomonas oryzae pv.oryzae PXO99A metabolic networkXanthomonas oryzae pv.oryzae PXO99A PPI network代代 謝謝 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 構(gòu)構(gòu) 建：建：A. 獲取基因獲取基因-蛋白蛋白-反應(yīng)反應(yīng)(Gene-Protein-Reaction) ；B. 精簡精簡GPR列表；列表；C. 去除網(wǎng)絡(luò)中的孤

19、立節(jié)點；去除網(wǎng)絡(luò)中的孤立節(jié)點；D. 計算網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)參數(shù)，進行代謝通量分析計算網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)參數(shù)，進行代謝通量分析（FBA）。）。 49the basic flow of the metabolic network reconstruction50For examples51Gene-Protein-reaction associations52添加一系列基因組注釋無法提供的生化反應(yīng)以降低 dead-end 代謝物的數(shù)量 53轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型 SBML toolbox COBRA toolbox matlab等等 限制性約束條件模擬網(wǎng)絡(luò)：如FBA, Gene essentiality analys

20、is評估代謝網(wǎng)絡(luò) 結(jié)合各種實驗數(shù)據(jù)評估并修正代謝網(wǎng)絡(luò) Phenotype Microarray Adaptive evolution Growth rate and substrate uptake rate54How to fill gapsHow should I fill this gaps?based on physiological data55biomass objective function (BOF)biomass reactions包含有在一個給定的環(huán)境中，能維持細胞生長繁殖所必需的包含有在一個給定的環(huán)境中，能維持細胞生長繁殖所必需的 所有的生物前體物質(zhì)，及其含量分布。所有

21、的生物前體物質(zhì)，及其含量分布。用于模擬細胞的生長和分裂，對模型進行生長速率用于模擬細胞的生長和分裂，對模型進行生長速率 模擬計算有著直接的影響模擬計算有著直接的影響B(tài)iomass reaction的產(chǎn)物的產(chǎn)物one gram of biomassBOF一般要包括一般要包括DNA、RNA、protein、liplid content、lipoteichoic acid、 cell wall、cofactors等等 公式來源于公式來源于bibliome survey & macromolecular composition data56BOF的測定contentcontentMethodM

22、ethodProteinRobinson-hogden biuret method(雙縮脲法)RNAKOH-UV method or Orcinol method(地衣酚法)DNABurton method (diphenylamine二苯胺法)LipidSulfo-phospho-vanillin method(磺基-磷酸香蘭素法)Lipoteichoic acid用 alanine Glucose N-acetylated-glucose 替代Cell wall Componentsthe cell wall was assumed to consist of peptidoglycan

23、and teichoic acid, assuming an average chain length of 30 units Total carbohydratePhenol method(硫酸水解苯酚比色法)Ion and metabolit測定條件：葡萄糖最小培養(yǎng)基（測定條件：葡萄糖最小培養(yǎng)基（M9 minimal medium with 0.2% glucose）57Phenotype Microassays（PM）表型芯片技術(shù)在96孔微孔板的每個孔里固定一種干化的細胞培養(yǎng)基質(zhì)和顯色物質(zhì)加入微生物細胞懸液通過顏色變化得知細胞的表型陽性陰性無色的氧化態(tài)紫色的還原態(tài)顯色劑無色的氧化態(tài)無色的

24、氧化態(tài) PM可直接或間接測定細胞大部分 已知的表型或功能：細胞表面結(jié)構(gòu)與運轉(zhuǎn)功能碳、氮、磷、硫的代謝小分子生物合成大分子合成及細胞器功能細胞呼吸功能細胞應(yīng)力和修復(fù)功能其它細胞特性58Work flow of the metabolic network reconstruction processStep Step BasisBasisEnd productEnd productDraft generation Sequence similarity analysisDraft reconstructionManual curation Literature surveys and online databases (e.g：COG, KEGG)Curated reconstructionIn silico modeling Biomass objective function (biomass composition andmaintenance verification) and phenotype screen (Biolog)Genome-scale reconstruction modelValidationAdaptive evolution and quan