基因组规模代谢网络的重构进展及其在中医药研究中的应用前景展望

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1、基因组规模代谢网络的重构进展及其在中医药研究中的应用前景展望郑媛嘉作者简介：郑媛嘉，女，硕士研究生，研究方向：基因组代谢网络模型的研究与应用。，郭文峰郭文峰，男，硕士生导师，副教授。工作单位：广州中医药大学脾胃研究所通讯地址：广东省广州市机场路12号广州中医药大学实验楼脾胃研究所。邮政编码：510000联系电话：020-36585080电子邮箱：330483077@qq.com摘要：系统生物学是从一个整体水平入手研究生物系统的一门新兴科学，其方法较多的是利用建立网络的方法来诠释生命系统各组分的关系，而另一方面，随着全基因组测序

2、技术的迅速发展和基因注释工作的完成，生命科学研究迎来后基因时代，所以，从基因注释出发建立的基因组尺度代谢网络因其跨学科地综合了生化和生物信息技术，又具备了稳定性及其可运算性，使其成为当前研究最广泛而深入的研究项目，并且在代谢疾病研究、基因预测研究、生物工程等方面得到了广泛应用。而当前中医药也处于继承与发展的关键时代，中医辨证思维和个性化医疗的传承和探究是中医药继承者一项大课题，基因组代谢网络恰好为中医药现代化提供了研究新思路和技术平台，其前景广阔而影响深远。如何结合现代生物信息技术，剖析中医本质内涵，是现代中医研究的大课题。基

3、因组代谢网络以其整体性和网络可联系性，与中医辨证观和整体观相通，这为用生物信息语言解读中医中药提供可能。本文将概述基因组规模代谢网络进展，并对其在中医药方面可能的应用进行分析展望。关键词：基因组尺度，代谢网络，中医药证候研究，中药复方研究从20世纪70年代系统理论开始发展以来，系统生物学研究越来越成为后基因时代生命科学研究的研究热点，其研究不同于以往仅针对基因、蛋白等生物分子，而是在于研究所有的基因、所有的蛋白质、组分间的相互关系，即高强度的整合物种内的所有生物信息，而它的实现方式和目标就是建立一个尽可能接近真正生物系统的理论

4、模型。网络模型构建过程渗透于系统生物学研究的每一阶段，故也越来越成为生物学研究热点，基因组代谢网络（Genome-ScaleMetabolicNetwork，简称GSMN）就是这种理论模型体系中的一个分支。当前基因测序技术、高通量实验技术、生物工程理论基础的发展和完善也促进了模型重构的发展，本文将概述GSMN进展，并对其在中医药方面可能的应用进行分析展望。1．基因组代谢网络概念GSMN指从基因组序列出发，结合各种代谢数据库和实验数据，将生物体中与代谢活动相关的基因、酶和代谢物进行鉴别、分类，并研究各个组分之间的相互关系，然后把

5、生物体体内大量的代谢生化反应，以代谢物为节点，结合形成网络拓扑结构，成为解读生物体代谢过程的入门图谱。如今，很多学者在此网络的基础上对其蛋白调控、代谢调控、各蛋白组相互作用等方面进行更深入的分析研究，在对蛋白质合成、定位、功能及其表型进行准确的预测后，其也被广泛应用于可以用于菌种改进、发现药物靶点、代谢工程操作靶点识别、生长表型预测等多方面用途。[1][2]2．技术及其应用进展2.1技术方法如今GSMN的研究已较为深入，其构建方法也日趋完善，简单来说该工作可分为四个部分：代谢相关数据收集、关系模型建立、数据整理修正和转化为数学

6、模型[3]，Palsson团队又将其细化成：体内代谢生化反应草图的构建、代谢物数据的补充修正、转化为计量模型、验证模型四大部分共96个步骤[4]。数据收集方面，目前已有多个数据库可免费获得各种生物信息（如BiGG、KEGG、pathwaytool等）。在各数据库中需要收集提取的是目标物种特异的基因、蛋白质、反应和代谢物信息等数据。由于每一个代谢反应都有特定的蛋白酶催化介导，而这些特定的蛋白信息有相应的基因编码，代谢物之间通过代谢反应也形成一定的关系，利用这些联系，可把代谢物关联在一起而初步形成网络。完成了这个初步网络只是重建工

7、作的一小部分，GSMN重建工作关键在于对生物信息的校正校对，校正工作的必要性和繁重性主要表现在以下几个方面：（1）不同数据库的生物信息可能存在如酶号信息，基因编号信息不同，需要反复校验，查阅资料等以确保信息正确；（2）对于拟研究的特定生物体，有些特定代谢反应是不存在的，但数据库里的信息不能完全自动识别，必须由人工发现并剔除；（3）代谢反应的方向，辅酶的确定，电荷配平，反应量等信息也是数据库没有完全提供的，需要人工通过各种方法进行完善；（4）在提取的生物信息中会发现某些代谢物没有生成来源，或者没有代谢下去的路径，我们称这些网络断

8、口为终末代谢物（deadends）。这种情况有可能属于“隐匿反应”（sinkreaction），即它的代谢过程不在生物体中，但它的物质却是整个代谢网络所必须的，比如该代谢物是通过异化扩散，胞吞胞吐等方式进入细胞并参与代谢反应。所以通常在验证整个网络时，需要添加这些必须底物，以