基因组尺度集成细胞网络模型研究进展

细胞网络研究是系统生物学的一个研究热点,通过结合计算机模型和实验技术,从系统角度分析复杂的生物系统,可以为生物实验提供指导和预测。近十年来,国内外许多研究团队致力于基因组规模代谢网络、基因调控网络和信号转导网络模型的构建和分析,并取得了一定成果。而不同类型网络的集成和分析是当前生物网络研究中一个新的方向,并带来了诸多新的挑战。在本文中,主要对基因组尺度集成细胞网络模型的研究进展,特别是对代谢网络和转录网络的集成进行了详细论述,着重于集成网络的构建和分析方法,最后对该领域研究前景进行了展望。     

谷氨酸棒杆菌耐受胁迫机制及工业鲁棒性合成生物学研究进展

谷氨酸棒杆菌Corynebacterium glutamicum作为一般被认为具有生物安全性的一种模式工业微生物,不仅在发酵工业中成功用于大规模生产氨基酸,而且具有合成多种新型化学品的潜力。谷氨酸棒杆菌菌株在生产化合物时,经常会受到各种逆境条件的胁迫,从而降低细胞活力和生产性能。合成生物学的发展为提高谷氨酸棒杆菌的鲁棒性提供了新的技术手段。本文总结了谷氨酸棒杆菌应对发酵过程中各种胁迫的耐受机制。同时,重点介绍提高谷氨酸棒杆菌底盘细胞鲁棒性和耐受性的合成生物学新策略,包括挖掘新的抗逆元件、改造转录调控因子、利用适应性进化策略挖掘抗逆功能模块等。最后,从生物传感器、转录调控因子的筛选和设计、多种调控元件利用等方面对提高谷氨酸棒杆菌底盘细胞鲁棒性进行了展望。     

谷氨酸棒杆菌的代谢工程使能技术研究进展

谷氨酸棒杆菌Corynebacterium glutamicum是重要的工业微生物,尤其是在氨基酸工业中,每年用于600余万t氨基酸的生物制造。近年来,谷氨酸棒杆菌代谢工程使能技术正在不断完善,不仅加快了细胞工厂的创建和优化,拓展了底物谱和产物谱,也推动了谷氨酸棒杆菌的基础研究,使谷氨酸棒杆菌成为代谢工程的理想底盘细胞。文中综述了近期针对谷氨酸棒杆菌开发的代谢工程使能技术,着重介绍了基于CRISPR的基因组编辑、基因表达调控、适应性进化和生物传感器等技术的开发和应用。     

基元模式分析在生物网络和途径分析中的应用

基元模式分析是应用最广泛的代谢途径分析方法。基元模式分析的研究对象从代谢网络发展到信号传导网络;研究尺度从细胞到生物反应器,甚至生态系统;数学描述从稳态分解到动态解析;研究领域从微生物代谢到人类疾病。以下综述了基元模式分析的算法和软件开发现状,以及其在代谢途径与鲁棒性、代谢通量分解、稳态代谢通量分析、动态模型与生物过程模拟、网络结构与调控、菌株设计和信号传导网络等方面的应用。开发新的算法解决组合爆炸问题,探索基元模式与代谢调控的关系以及提高菌株设计算法效率是今后基元模式的重要发展方向。     

茉莉素介导的长春花生物碱次生代谢转录调控机制

萜类吲哚生物碱（terpeniod indole alkaloids, TIAs）是植物中产生的一类具有药理活性的次生代谢产物.药用植物长春花（Catharanthus roseus）因含有长春碱和长春新碱等重要的抗肿瘤萜类吲哚生物碱而成为研究TIAs次生代谢的主要模式植物.应用正、反向遗传学和各种代谢组学技术对长春花TIAs次生代谢途径及其调控进行了较深入的研究,相继鉴定了参与TIAs代谢途径调控的CrORCAs、CrMYCs、CrZCTs和CrWRKYs等转录因子,特别是发现茉莉素（jasmonates, JAs）介导TIAs生物合成的转录调控网络. 本文以长春花TIAs生物合成途径为模式,重点论述其代谢途径中的关键酶、参与调节的转录因子,尤其是茉莉素介导的调控网络及机制,解析植物中这些天然抗癌生物碱合成积累水平低的制约因素和组织细胞特异性,讨论基于这些新知识的长春花抗肿瘤TIAs代谢工程策略和工厂化绿色生产前景.     

固醇调节元件结合蛋白1及其靶基因网络

固醇调节元件结合蛋白1(Sterol regulatory element-binding protein 1, SREBP-1)是重要的核转录因子之一, 能调控内源性胆固醇、脂肪酸、甘油三酯和磷脂合成所需酶的表达, 以维持血脂动态平衡。研究表明, SREBP-1及其靶基因网络的异常可引起胰岛素抵抗、Ⅱ型糖尿病、心功能紊乱、血管并发症和肝脂肪变等一系列代谢性疾病。近年高通量组学技术的发展极大扩展了对SREBP-1靶基因及其转录调控模式的了解。文章对SREBP-1蛋白结构、活化过程、DNA结合位点及其调控的靶基因等方面的研究进展进行了综述, 并着重介绍了基于组学数据的转录调控网络的构建, 这将有助于更好的认识SREBP-1在脂类代谢中的作用, 为深入探讨脂质代谢性疾病的治疗提供新线索。     

植物对非生物逆境响应的转录调控和代谢谱分析的研究进展

非生物逆境严重影响植物的生长发育,植物响应非生物逆境是通过复杂的转录调控网络和代谢网络实现的。植物转录组学和代谢组学的技术方法有助于研究植物对非生物逆境的应答机制。本文对植物非生物逆境响应中的转录调控和代谢谱分析的研究进展进行了综述。     

真菌次级代谢转录调控研究进展

真菌次级代谢产物具有多样复杂的结构和良好的生物活性,广泛应用于工业、农业、医疗等领域。次级代谢产物的产生受多个层级的调控,尤其是转录水平的调控至关重要。文中首先介绍了在真菌转录调控过程中参与次级代谢的代表性转录因子和蛋白质复合体,进而举例说明了转录调控在挖掘真菌新颖次级代谢产物领域的重要作用;期望相关研究者全面认识真菌次级代谢产物的生物合成及转录调控,为发现新的具有良好生物活性的天然产物提供思路。     

基因调控网络的模块化组织研究

基因调控网络表现的是大量基因受到转录因子的调控而最终转录翻译为蛋白质进而实现生物功能的复杂信息, 是人们理解生物过程和基因功能的重要内容。为了理解基因调控网络中的调控机理, 网络的拓扑结构及其组织方式是极其重要的研究内容之一。它不仅能说明网络的局部特征, 并且能揭示调控网络的构造方法, 同时还能对调控信号通路进行全面系统的分析。调控网络可分为4层结构: 调控元件、Motif、模块和整个网络。当前, 这种层次结构受到人们越来越多的认可。文中重点讨论motif和模块两层, 比较分析了近年来对网络组织结构的多方面研究内容, 阐述了各个研究结果与结论具有的生物学意义, 并指出了其中存在的问题。在此基础上, 文中还针对这些问题提出了可能存在的研究方向, 并展望了基因调控网络模块化组织的研究前景。     

大数据-模型混合驱动下生物过程优化与放大的新机遇与挑战

当前,生物制造技术和产业是世界关注的热点。然而,生物过程优化与放大过程中普遍面临以下几个难题,包括:过程检测手段缺乏,难以满足关键指标参数的监控;细胞代谢认知匮乏,无法理性实现过程最优化调控;反应器环境差异大,导致逐级放大效率低下。文中针对以上亟待解决的关键问题,通过案例分析介绍发酵过程实时检测-动态调控-理性放大全链条关键技术创新。在未来,生物过程设计将以集成细胞生理学(时空多尺度细胞代谢模型)和流体动力学(CFD模型)的全生命周期模型为指导,推进计算机辅助设计与开发,加速生物过程实现大规模智能化生产,开启绿色生物制造新时代。     

工业微生物代谢网络模型的研究进展及应用

基因组规模代谢网络(Genome-scale metabolic network model,GSMM)是工业微生物菌株定向改造过程中一种极为重要的指导性工具,有助于研究者快速获取特定性状的工业微生物,因此越来越受到人们的关注。文中回顾了GSMM的发展历程,总结并评述了GSMM的构建方法,以4种重要工业微生物(枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis、大肠杆菌Escherichia coli、谷氨酸棒杆菌Corynebacterium glutamicum和酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae)为例,阐述了GSMM在工业微生物中的发展与应用。此外,还对GSMM未来的发展趋势进行了展望。     

Ammonium assimilation and nitrogen control in Corynebacterium glutamicum and its relatives: an example for new regulatory mechanisms in actinomycetes

Nitrogen is an essential component of nearly all complex macromolecules in a bacterial cell, such as proteins, nucleic acids and cell wall components. Accordingly, most prokaryotes have developed elaborate control mechanisms to provide an optimal supply of nitrogen for cellular metabolism and to cope with situations of nitrogen limitation. In this review, recent advances in our knowledge of ammonium uptake, its assimilation, and related regulatory systems in Corynebacterium glutamicum, a Gram-positive soil bacterium used for the industrial production of amino acids, are summarized and discussed with respect to the situation in the bacterial model organisms, Escherichia coli and Bacillus subtilis, and in comparison to the situation in other actinomycetes, namely in mycobacteria and streptomycetes. The regulatory network of nitrogen control in C. glutamicum seems to be a patchwork of different elements. It includes proteins similar to the UTase/GlnK pathway of E. coli and expression regulation by a repressor protein as in B. subtilis, but it lacks an NtrB/NtrC two-component signal transduction system. Furthermore, the C. glutamicum regulation network has unique features, such as a new sensing mechanism. Based on its extremely well-investigated central metabolism, well-established molecular biology tools, a public genome sequence and a newly-established proteome project, C. glutamicum seems to be a suitable model organism for other corynebacteria, such as Corynebacterium diphtheriae and Corynebacterium efficiens.     

谷氨酸棒杆菌中氨基酸分泌转运蛋白及其代谢改造研究进展

氨基酸是一类在食品、医药及化工等领域具有广泛应用的重要化合物。谷氨酸棒杆菌Corynebacterium glutamicum是生物合成氨基酸最重要的微生物菌株,其年产各类氨基酸超过百万吨。谷氨酸棒杆菌高产氨基酸除具有强大的合成代谢能力外,高效的分泌转运能力也是不可忽略的分子基础。文中综述了近年来谷氨酸棒杆菌中氨基酸分泌转运蛋白及其代谢改造的研究进展,并展望了未来发展方向,为进一步改造提升其发酵生产氨基酸的能力提供了可资借鉴的资料。     

L-缬氨酸合成的代谢流量分析

分别测定谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）AS1-495及其3个逐个叠加不同遗传标记的突变株AA361、AAT231和AATV341在特定培养时段（26～28h）L缬氨酸等代谢物的胞外浓度,由此计算这一时段这些代谢物在发酵液中积累（或消耗）的速率,分别做出这4株菌在拟稳态下的代谢流量分布图,进而研究育种过程中不同遗传标记的叠加对代谢网络中L-缬氨酸合成流量分布的影响。结果表明遗传标记的引入使流量分配发生了重大变化,节点处的流量分配朝着有利于L缬氨酸合成的方向改变。6-磷酸葡萄糖节点处流入EMP途径和HMP途径的流量分配由17.0∶83.0变为24.3∶75.7;丙酮酸节点处流入L-缬氨酸合成途径和其他途径的流量分配由15.8∶842变为76.7∶23.3/L-缬氨酸合成的分支途径上的流量由最初的5.37增大为37.3,乳酸合成途径的流量从11.1最后降为1.16,L-缬氨酸产量由4g/L提高到24.5 g/L。代谢流量分布的变化趋势与L缬氨酸产量的变化趋势是互相吻合的。以2-噻唑丙氨酸抗性突变（2TAr）和L天冬氨酸氧肟酸盐超敏性突变（LAAHss）有效地进行代谢流遗传导向的事实,在代谢流量分析的层面上,证明结构类似物抗性突变和结构类似物超敏性突变是代谢流导向和设计育种的十分有效的手段,代谢流量分析会成为设计育种的校正方法。