数字细胞模型的研究及应用

组学分析技术的发展推动生物学逐渐成为一门以数据分析为中心的科学。依托生物数据在细胞整体系统水平建立数字细胞模型,对于理解细胞系统组织原理和生命产生进化规律,预测各种环境和基因扰动对细胞功能的影响并指导设计人工生命具有重要意义,因此数字细胞的构建模拟设计已成为合成生物学的核心研究内容与底层支撑技术。本文重点对天津工业生物技术研究所创立十年来在数字细胞研究方面的进展进行回顾介绍,重点包括基因组尺度代谢网络模型的构建、质控以及其在途径设计和指导菌种代谢工程改造方面的应用,进一步结合近年来细胞模型研究的前沿趋势,对整合多种约束的模型的构建和分析研究方面的最新成果进行了介绍,最后对数字细胞研究的未来发展方向进行展望。数字细胞技术将与基因组测序、合成和编辑等合成生物学前沿技术一起提升人们对生命进行读写改创的能力。     

丛枝菌根网络介导的植物间信号交流研究进展及展望

丛枝菌根(arbuscular mycorrhizal, AM)真菌是一类能够与绝大多数陆地植物形成共生关系的土壤真菌, 其根外菌丝可以侵染不同植物根系且可以进行菌丝融合, 从而形成丛枝菌根网络(arbuscular mycorrhizal networks, AMNs)。AMNs可以在植物之间转运水分及营养元素如碳(C)、氮(N)、磷(P)等, 最近研究表明AMNs还可以在植物遭受环境胁迫时向邻近植物传递防御信号, 对周围植物起到“预警”作用。目前, 关于环境胁迫条件下AMNs介导的信号物质传递研究仍处于起步阶段, 许多问题亟待回答。该文首先回顾了目前有关AMNs介导的信号物质传递研究进展, 继而梳理了这一研究领域值得进一步探究的科学问题, 包括AMNs在植物间传递防御信号的可能途径及相关机制, AMNs介导的信号传递对菌根共生体系的可能影响, 以及AMNs研究中常用的技术及其发展, 最后讨论了AMNs介导的信号物质传递在作物保护等方面的可能应用。     

用文献计量法分析我国昆虫资源学的研究现状和发展趋势

【目的】通过研究文献了解我国昆虫资源学的研究现状和发展趋势。【方法】基于中国知网(CNKI)和WebofScience两个在线数据库,检索有关昆虫资源研究的文献。利用文献题录信息统计分析工具SATI 3.2、Ucinet 6.671、NetDraw 2.166等对所获得的数据进行分析,从文献计量的角度揭示我国昆虫资源学的发展现状。【结果】检出文献的主体发表单位都是大学。研究热点集中于食用昆虫和药用昆虫的开发利用,蝗虫、家蝇、黄粉虫、紫胶虫、蚂蚁等种类提到较多,研究内容侧重于分类、活性物质如蛋白质和壳聚糖等的开发。【结论】昆虫资源是宝贵的生物资源,我国许多学者正在从事昆虫资源的研究与利用,但研究水平仍有较大的提升空间,研究投入也有待加强。     

电刺激右后背海马诱导双侧前背海马网络癫痫

目的 :急性强直电刺激右侧后背HPC诱导双侧HPC癫痫电网络形成的细胞机制。方法 :强直电刺激 (6 0Hz,2s,0 .4～ 0 .6mA)大鼠右后背HPCCA1基树突区 ,每隔 10min刺激一次 ,施加 10个刺激串。结果 :①分别抑制双侧CA1神经元单位放电频率 ,对侧的抑制效应更明显 (对侧 :6 2 .94 %± 3.6 8% ;同侧 :36 .6 1%± 3.14 % ,P <0 .0 1) ,出现抑制后爆发式放电。随着刺激串数的增加 ,抑制作用逐渐减弱。②同步原发性网络和单位后放电 ,以同侧CA1多见 (P<0 .0 1)。③ 90Hz或 12 0Hz原发性或继发性网络后放电仅仅累及同侧CA1。④对侧CA3基树突区网络与下托神经元单位放电出现同步继发性后放电 ,反复发作 ,持续约数小时。结论 :电刺激诱导的对侧HPC抑制后爆发式放电和长时程、反复发作的网络与单个神经元同步继发性后放电可能是跨半球癫痫网络形成的重要表现形式。     

The Chloroplast Kinase Network： New Insights from Large-Scale Phosphoproteome Profiling

Protein phosphorylation is one of the most important posttranslational modifications in eukaryotic cells and affects almost all basic cellular processes. The chloroplast as plant-specific cell organelle with important metabolic functions is integrated into the cellular signaling and phosphorylation network. Recent large-scale chloroplast phosphoproteome analyses in Arabidopsis have provided new information about phosphorylation targets and expanded the list of chloroplast metabolic and regulatory functions that are potentially controlled by protein phosphorylation. Phosphorylated peptides identified from chloroplast proteins provide new insights into phosphorylation motifs, protein kinase activities, and substrate utilization. Phosphorylation sites in protein kinases can reveal chloroplast phosphorylation cascades that may network different functions by integrating signaling chains. Our review provides a meta-analysis of currently available chloroplast phosphoproteome information and discusses biological insights from large-scale chloroplast phosphoprotein profiling as well as technological constraints of kinase network analysis.     

拟南芥花粉管与柱头互作的乙醇代谢耦合模型

依据拟南芥公开的代谢途径数据库,构建了基于酶与酶的拟南芥代谢网络模型。利用拟南芥花粉管与柱头互作过程中的转录组数据,挖掘出花粉管与柱头在互作过程中的特异表达基因,进一步将特异表达的酶基因匹配到已构建的拟南芥代谢网络中,根据网络拓扑模型中的节点(酶)之间的共表达关联性,最后给出了一个拟南芥花粉管与柱头互作的乙醇代谢耦合模型。     

细胞信号网络功能鲁棒的简并性拓扑特征

细胞信号网络对于外界环境的干扰表现出优良的鲁棒性,但是其维持功能鲁棒的内在机制尚未明确,本文研究了细胞信号网络功能鲁棒性的拓扑特征。选择布尔网络模型模拟细胞网络的动态行为,利用网络节点状态的扰动模拟外界环境干扰。基于演化策略探寻不同网络拓扑的功能并分析其在干扰环境下的鲁棒性,采用埃德尔曼提出的基于信息论的计算方法评估网络拓扑的简并度、冗余度和复杂度等拓扑属性,对比分析它们与功能鲁棒度的相关性及作用机理。结果显示,在网络模型的演化过程中,其拓扑简并度与功能鲁棒度显著正相关,相关性水平高于拓扑冗余度与鲁棒度的相关性。并且,随着鲁棒度的提升,网络的节点数和复杂度也随之升高,同样简并度与网络的节点数和复杂度的相关性高于拓扑冗余度与网络的节点数和复杂度的相关性。这说明增加的网络节点以简并的方式同时提高了网络拓扑的鲁棒度和复杂度。因此,细胞网络功能鲁棒性的拓扑特征是简并而不是冗余,简并为解决生物系统的复杂问题提供了有效手段,为人工系统的可靠性设计提供有益的借鉴。     

proC及putP基因的敲除对钝齿棒杆菌产L-精氨酸生理代谢的影响

为了选育精氨酸高产菌株,基于谷氨酸棒杆菌的基因组尺度代谢网络模型的指导,以钝齿棒杆菌(Corynebacterium crenatum)MT-M4为出发菌株,通过基因敲除技术构建了pro C和put P敲除菌株。摇瓶发酵结果表明,pro C敲除菌株精氨酸产量达到9.94g/L,较出发菌株提高了15.90%,葡萄糖转化率提高了26.02%。由于其生长受到明显抑制,因此在发酵液中外源添加24mmol/L的脯氨酸,结果发现其精氨酸产量达到12.22g/L,且菌株恢复生长。put P敲除菌株精氨酸产量达到12.23g/L,较出发菌株提高了42.70%,葡萄糖转化率提高了49.31%。以上结果显示,put P的敲除比pro C的敲除更有利于精氨酸的合成,put P的敲除对菌株的生理代谢基本无影响且无需外添加脯氨酸。     

基于人类信号网络和表达谱数据研究静脉血栓复发机制

目的:静脉血栓是一种高复发风险和高致死率的疾病,其形成和复发的分子机制尚不明确。基于人类信号网络和基因表达谱数据可针对静脉血栓经华法令抗凝治疗后的复发机制进行研究。方法:结合表达谱数据和人类信号网络,设计差异模块筛选策略,通过功能分析、差异表达分析和已知血栓相关基因及药物靶基因的互作关联研究,获得与静脉血栓复发相关的显著差异模块。结果:最终获得8个与静脉血栓复发密切相关的显著差异模块,评估了华法令治疗静脉血栓的效能,提出了联合用药的3种可能途径。结论:应用本文提出的整合筛选策略,能识别与静脉血栓复发相关的模块,探究静脉血栓复发的分子机制和评估华法令的治疗效能。还提供了潜在的联合用药途径,这对治愈血栓、防治血栓复发及复发机制的研究具有重要意义。     

植物转录因子家族在耐盐抗旱调控网络中的作用

植物对干旱和高盐环境的适应是一个复杂的生物学过程,涉及多条信号通路的交叉调控。其中,通过转录因子发挥的调控作用对增强植物的耐盐抗旱特性具有重要意义。结合最近的相关研究,重点综述了植物中的MYB、b ZIP、WRKY、NAC、AP2/ERF等各类转录因子在响应高盐干旱胁迫的信号通路中与ABA信号通路、ROS信号通路、Sn RK2信号通路及H2O2信号通路等存在的交叉整合作用,以期为利用基因工程手段增强植物的耐盐抗旱性提供更有效的改良途径。