古细菌代谢网络的模块化研究

古细菌代谢网络的模块化研究

1网络结构的研究随着大规模分子相互作用数据的不断涌现，生物群落越来越受到重视。作为目前众多生化网络中研究最为广泛的一种,代谢网络受到众多研究者们的关注。代谢网络是生物体真实代谢系统的抽象,由代谢物和催化这些代谢物发生转化的酶所组成的。自2000年Jeong等在Nature上发表利用复杂网络理论研究代谢网络的结构组成的论文以来,许多学者引用该文献并对代谢网络的拓扑结构进行了深入的研究。这些研究不仅提供了代谢网络的结构组成信息,而且提出了生物体代谢网络的演化过程和生命进化的猜想。研究代谢网络不仅能帮助人们认识代谢系统的发展演化和物种的系统发育过程,也直接或间接指导着细胞代谢功能的分析和药物靶标的选择。网络的模块化是指模块内的边连接密集,而模块之间的边连接稀疏的网络拓扑结构性质。人们发现,许多真实世界的网络,包括社会网络、技术网络、以及生物学网络都能很自然地划分为社团或模块。大多数社会网络具有“社团结构”(communitystructure),即网络的顶点可划分子集合,使得同一集合内的顶点间连接稠密,而不同集合之间的顶点连接稀疏。类似地,在生物学系统中,细胞以一种模块化方式执行其功能,同时人们发现生物学模块与生物学网络中稠密连接的子网络相对应。模块化应所使所得模块内部连接尽可能地多,而模块间的连接尽可能地少。文献利用Newman的社团结构发现方法,研究了古细菌代谢网络的模块性与生长条件的关系,说明古细菌中网络的模块性和栖息地变化之间没有关系,而与生长条件、营养要求、最佳生长温度有关。文献也利用了Newman的算法,研究了细菌代谢网络的环境变化与模块化的关系,根据它们的自然栖息地变化程度将117个细菌进行分类,发现环境变化大的生物体的代谢网络呈现出比生存条件稳定的生物体网络更大的模块化。侯静等使用马尔可夫聚类算法和模块退火算法对叶绿体和蓝细菌的代谢网络进行了聚类,挖掘了其保守的功能模块,并对其网络结构进行了比较分析。赵静,陶林等从网络拓扑结构的角度分析了75个物种的全基因组代谢网络,提出了展开蝴蝶结模型,通过对蝴蝶结的强连通体部分的可逆性参数和主核的研究,发现其呈模块化,而随机网络不具有模块化的特征.王卓等通过叶绿体和蓝藻的代谢网络的研究,发现它们之间存在保守模块,且叶绿体与其祖先蓝藻的拓扑结构与功能之间非常相似。王正华等综述了代谢网络宏观结构特征所蕴含的生物学意义,以及拓扑特征所揭示的网络演化过程和网络稳健性信息。产甲烷菌是水生古细菌门中一类可将无机或有机化合物经厌氧发酵转化成甲烷和二氧化碳的严格厌氧的原核微生物,是有机物甲烷化作用中食物链的最后一组成员,其独特的厌氧代谢机制使其在自然界物质循环中起着重要作用。本文通过重构产甲烷的常温古细菌M.acetivorans和嗜热古细菌M.kandleri的代谢网络,首先对2个网络的拓扑结构进行了比较,从全局上对这2个物种的代谢网络进行比较。然后对其代谢网络进行模块化分析,找出网络中的Hub模块,从而从系统水平上来研究这2个代谢网络之间的差异,并分析这2个生物体的功能模块。2材料和方法2.1具有生长温度和ph值节点就是一个古细菌M.acetivorans与古细菌M.kandleri是2种产甲烷的古细菌,其中M.acetivorans是甲烷八叠菌属,属常温菌,适合生长温度是35至40摄氏度之间,50℃以上不能生长,pH值范围是6.5-7。而M.kandleri是甲烷嗜热菌属,是从海底火山口分离到的,以氢为电子供体营化能自养生活的超高温菌,其生长温度是84℃~110℃之间,最适合生长的温度是98摄氏度,pH值范围是5.5至7,最适合的pH值是6.5。本文根据KEGG数据库中的数据,重构了它们关于酶的代谢网络。2.2代谢网络的构建采用酶为节点的图(enzyme-centricgraph)来表示代谢网络,其中节点代表酶,边代表通过化合物建立的酶之间的关联。若酶E1催化了一个反应,产生产物C和D,而C和D又是酶E2催化的反应的底物,那么存在一条有向边,从E1指向E2。2.3计算嵌入参数的参数(1)邻节点内边数目的确定无向图中,一个顶点ni的度D(ni)是与ni相连接的边的数目。其中,L是网络的所有边数。L(ni)是与节点ni相连的邻节点的边的条数。平均度即是网络中所有节点的度的平均值。(2)平均路径长度averpathlength平均路径长度是连接任何2个点之间最短路径的平均长度,是测量网络整体性质的一种测度。(3)直径还要网络的直径即网络中的所有的最短路径中的最大值。(4)近邻之间的联系越紧密。请看聚集系数反映该顶点的一级近邻之间的集团性质,近邻之间联系越紧密,该顶点的聚集系数越高。其中,ni表示节点i与它的相邻节点之间的边的数目,d(ni)表示节点ni的度。2.4k-网络网络如果一个子图中的全部点都至少与该子图中的k个其他点邻接,则称这样的子图为k-核,该网络为k-核心网络。对于大规模网络而言,寻找其连接高度紧密的子网络是非常重要的,它能反映网络的全局特征,并且是比较不同网络的重要因素之一。2.5gn算法的基本流程GN算法是一种分裂方法,它的基本思想是不断地从网络中移除介数(betweenness)最大的边。边介数定义为网络中经过每条边的最短路径的数目,如果某一节点与网络中的其它节点之间有更多的路径,说明该节点越是重要的节点。GN算法的基本流程如下:(1)计算网络中所有边的介数;(2)找到介数最高的边并将它从网络中移除;(3)重复步骤(2)直到每个退化的社团为止。3结果3.1mt.阿托多元回归系数的平均度的计算常温古细菌M.acetivorans与嗜热古细菌M.kandleri的酶网络的构成和拓扑特征如表1所示。平均路径长度是连接任何2个点之间最短途径的平均长度,是测量网络整体性质的一种测度。从表1看出,显然M.acetivorans的平均路径较长,直径较大,所以该网络较为稀疏。平均度即是网络中所有节点的度的平均值。常温古细菌M.acetivorans与嗜热古细菌M.kandleri中所有的酶的平均度分别为4.83和3.51。聚集系数反映网络的局部集团化程度,常温古细菌M.acetivorans与嗜热古细菌M.kandleri的聚集系数分别为0.48和0.44,此值远远高于同样规模及拓扑结构的随机网络的聚集系数0.003和0.004,表明这2个物种具有较高的模块化结构。3.2网络上每一个细胞的平均连接度用UCINET软件比较2个网络中高度紧密的核core,如图1,图2所示,M.acetivorans与M.kandleri网络中最紧密的k核分别包含27和19个酶,其中10个酶是2个核共有的。在M.acetivorans最紧密的核中,每个酶都至少有9个邻节点在这个核中,而在M.kandleri最紧密的核中,每个酶都至少有7个邻节点在这个核中。这2个最紧密的核的平均连接度分别为12.48和18.21,远远高于网络中其余部分的连接度,说明这2个核是网络中最紧密的部分。这2个物种最紧密的核网络中共有的酶有10个,分别是1.2.4.1、2.3.1.12、1.8.1.4、1.2.1.51、2.3.1.9、2.3.1.16、2.3.1.85、2.3.1.86、2.3.1.38,它们中碳水化合物代谢(CarbohydrateMetabolism)占40%、脂代谢(LipidMetabolism)占23%、氨基酸代谢(AminoAcidMetabolism)占20%、萜类和聚酮代谢(MetabolismofTerpenoidsandPolyketides)占5.7%、异源物质的生物降解(XenobioticsBiodegradationandMetabolism)占8.5%、能量代谢(EnergyMetabolism)占2.8%。这说明它们的共有部分非常保守且高度连接。3.3温暖古细菌m.和嗜热古细菌m.kanderi不同性质分类的酶连接考察了代谢网络中酶的性质分类与连接度之间的关联,如表2所示,2个物种中合成酶的连接度最低,连接度最高的分别是氧化还原酶类与转移酶。3.4hub模块与m.两组模块的连接利用GN算法将M.acetivorans与M.kandleri的酶网络分别划分为46和31个模块,将与其余节点没有任何连接的孤立节点排除在外,如图3所示。M.acetivorans网络46个模块中有25个独立模块(也就是与其它模块间没有联系),其中15个模块是纯功能模块。M.kandleri网络中有20个独立模块,其中14个是纯功能模块。饼图中每个扇形代表一个模块。扇形的大小取决于每个模块中酶的个数。M.acetivorans的模块1用A-1表示,同样,M.kandleri模块1用K-1表示。Hub模块通常是整个网络的中心,它与大多数模块有连接。如果部分Hub模块被敲除或破坏,网络有可能成为零散的碎片甚至瘫痪。Hub模块间紧密连接并执行基础代谢功能,而外周模块只与极少的模块连接并完成相对独立和专一的功能。M.acetivorans的代谢网络中Hub模块有2个,分别是A-1、A-16,而M.kandleri的代谢网络中的Hub模块有2个,分别是K-1和K-11。M.acetivorans模块A-1中有42个酶,其中43%的酶与M.kandleri模块K-1中的酶对应,因此M.acetivorans模块A-1对应至M.kandleri模块K-1.同样M.acetivorans的模块A-16中有78%的酶一一对应至M.kandleri的模块K-11,所以M.acetivorans模块A-16与M.kandleri模块K-11相对应。M.acetivorans模块的A-1、A-16和M.kandleri的K-1和K-11,也称之为保守模块。将模块化后的Hub模块与对应的KEGG数据库中代谢途径作比较,如图4中所示。从图中可看出,M.acetivorans模块A-1属于碳水化合物代谢,模块A-16属于氨基酸代谢。而M.kandleri的模块K-1属于碳水化合物代谢,K-11属于氨基酸代谢。模块化后的网络中大多数途径均可对应于KEGG中的代谢途径,这一结果表明模块化后的网络具有一定的功能意义,可用于代谢网络的分析。4m.阿斯塔纳的合同结构及代谢网络的模块化通过从KEGG数据库获得的数据,重构了产甲烷的常温古细菌M.acetivorans与嗜热古细菌M.kandleri的酶的代谢网络,并比较了它们的代谢网络的属性,包括酶的总数、边数、平均度、平均路径长度、网络直径以及聚集系数等,根据这些不同的网络属性的特征,来分析这些特征可能存在的功能意义。通过比较发现,常温古细菌M.acetivorans的代谢网络比嗜热古细菌M.kandleri有更长的平均路径长度,更大的直径,这表明常温古细菌M.acetivorans总体结构是低密度、松散的网络结构。另外这2个物种的聚集系数也远远高于同样拓扑结构的随机网络,表明代谢网络具有很好的模块化结构。代谢网络与社会网络等其他复杂网络系统相类似,也具备一定的模块化组织结构,有效识别并提取代谢网络中的功能模块有助于把握其中蕴含的功能信息。本文采用GN算法把常温古细菌M.acetivorans及嗜热古细菌M.kandleri的代谢网络进行模块化,识别了具有一定功能意义的网络模块,发现2个物种的H