高通量技术及其综合性的描述与基于约束的建模.doc

细菌固氮系统生物学高通量技术及其综合性的描述与基于约束的建模D01214XXXXXX12生物技术背景细菌固氮是生物过程，其中大气中的氮是由位于植物根瘤菌体摄取并通过固氮酶的酶活性转化成铵。在实践中，这种生物处理用作施肥的自然形态和优化在可持续农业项目显著影响。目前，高通量的技术设备提供有价值的数据，这些数据有助于在细菌固氮理解代谢活动的到来。这一承诺是不平凡的，以及计算方法在实现一个综合性，描述性和预测性的框架有益的发展，是解码的监管这一生物过程的代谢活动的原则，一个至关重要的问题。结果在这项工作中，我们提出在细菌固氮代谢活性的系统生物学描述。这是通过一个综合分析，涉及高吞吐量数据和基于约束的建模的代谢活性在位于菜豆（豆科植物）的根瘤的根瘤菌ETLI菌体表征来实现的。蛋白质组和转录组的技术使我们确定415蛋白质和689上调基因编排这个生物过程。考虑到这些数据，我们1）扩展报告为R的代谢重建ETLI2）模拟在共生固氮的代谢活动和3）在细菌表型来评价的，在硅片的结果。值得注意的是，以这样的方式基于约束的建模模拟固氮活性的酶的7683％，而基因的6948％被实验合理的。最后，为了进一步评估的计算模型的预测范围，基因缺失分析进行了九个代谢酶。我们的模型得出的结论是这些酶的改变新陈代谢活动诱发固氮不同的影响，所有这些在定性协议与R提出的意见ETLI等RHIZOBIACEAS。结论在这项工作中，我们提出在细菌固氮代谢活性的基因组规模的研究。这种方法使我们构建，充当1的导向）集成高吞吐量数据，2）描述和预测代谢活性，和3）设计实验来探讨在细菌固氮的基因型表型关系的计算模型。背景通过RHIZOBIACEAS进行生物固氮代表近70％需要维护的生命在我们的生物圈整个氮转化的。同时，由这些细菌驱动的固氮构成了一个有吸引力的和自然的战略发展相比，由于作物改良它的成本效益和更环保的效果可持续农业项目于那些由化肥生产1。基于这些基本问题和实际问题，细菌固氮研究是研究一个活动线，在后基因组时代要求能够测量以系统的方式由这一过程发生在自然界新陈代谢的组织新模式。在分子水平上，共生固氮便产生了多种基因，蛋白质和代谢物，这反过来激活信号转导级联和内部菌体转录因子的协同作用的结果。在一天结束时，后果是一定的代谢途径，其最终产品所需的抵消微环境条件盛行内结节的活化和阻遏24。高通量技术的出现，促进了基因组尺度分析细菌固氮和输出数据构成破译其代谢组织在不同生物层次有价值的材料5，6。虽然有些显著的结果在解释高吞吐量的数据已经实现，他们压倒性的数量和异构组成代表了一个连贯和系统的方式推断生物知识是一个挑战。这种挑战是，确实是，在系统生物学的一个核心问题，它的解决需要之间的基因组规模数据，生理知识和计算机建模一体化的努力711。促进这项综合性挑战的目的，在本文中，我们提出在细菌固氮一个系统生物学描述。特别是，它集成了高通量的技术和通量平衡分析，以便当他们固氮共生伴随菜豆（菜豆植物）探讨根瘤菌ETLI菌体代谢活性11。调查细菌的表型和写生过程中固氮基因和新陈代谢，转录组和蛋白质组技术进行了R18天选择接种后与P根植物ETLI菌体寻常（见实验程序和方法的详细信息）。我们选择了基于实验的知识时已表示，它为在研发ETLI菌体的平均固氮酶的最大酶活性这个区间。为了确定这些基因在固氮一个显著的作用，我们完成了在固氮阶段，在自由生活条件在研发ETLI基因表达谱之间的对比分析，最后这个条件主要是由丁二酸和氨碳和氮定义来源地，分别（见方法）。同时，获得里面菌体的蛋白质谱，亦在植物接种后18天。自由生活和氮FIXATION以及编纂的菌体内部检测到的蛋白质一组基因在细菌固氮显著的参与是通过结合这些差异表达的两种生理条件下的基因定义。这同一套基因担任我们的基准扩展代谢重建RETLI代谢（IOR363）和评价由在硅片分析推断的代谢能力的一致性8。为了评估该模型的预测范围，我们定性比较由针对该基于约束的建模，将其从对RETLI得到的高吞吐量数据推导出预测代谢活性。总体而言，我们的研究代表了朝着一个系统生物学平台，为研究代谢活性细菌固氮重建一个显著的努力。它的特点是它的集成和描述高吞吐量数据和预测的代谢机制底层细菌固氮能力。结果高通量技术指导代谢重建要在在RETLI固氮特点的基因表达，我们在自由生活条件，在菌体驾驶接种P后18天选择固氮相比，每个基因的活动寻常。从微阵列实验数据存储在数据存GEO（HTTP//WWWNCBINLMNIHGOV/GEO/WEBCITE）与接入号码GPL10081为RETLI平台和GSE21638自由生活，共生的数据。尽管可能会出现在生物组织的不同层次的各种复杂的监管机制12，我们假定这些基因与显著过表达指示功能机制用于实现固氮。根据这一标准，我们确定了689个基因（R的基因组ETLI约11％），其转录活性，在生物过程显著增加。调查支持固氮的作用，这些基因有，我们划分他们按照为RHIZOBIACEAS定义的功能类别13，14，见面板（A）图1和附加文件1。正如所料，大部分NIF的和修复基因的所需的翻译起始，延长菌体和其它基因，以及终止被上调内结节。此外，我们的数据表明，基因形成翻译起始，延伸和终止的机械部分的表达不存在，尽管它在根瘤菌中显著降低，报道大豆慢生根瘤菌，苜蓿中华根瘤菌和慢生根瘤菌蓟马类菌体的共同观测1517。按照细胞分裂抑制蛋白心灵感应，一个显著一些看家基因的下调他们的固氮阶段的表达，并从微阵列数据，我们得出的结论是一般的新陈代谢速度较慢，请参阅其他文件1。图1。从高通量技术和基于约束的建模数据的示意性视图。（一）在菌体调节基因功能的分布。（B）功能类蛋白质组数据。的上调基因和蛋白质编码确定转录组学和蛋白质组学基因（C）的数量。重叠区域表示由两种技术进行鉴定的基因的数目。（D）的代谢重建RETLI（IOR450）的拓扑性质。在从左至右的顶部化学计量矩阵和连接分布（对数对数标度）。在底部，代谢对和共享的反应的其相应的号码（在双对数标度）。（E）的图中左侧示出的酶（基因）的数量分别为1），在硅片确定，但也没有实验上，（蓝色）2）通过实验和在硅片（绿色检测）和3）实验检测到，但在硅片（红色未观察到）沿着在（F）中所列出的22通路。在右馅饼蓝色的区域代表的基因和酶的总百分比是同时出现在硅片和高通量的数据。（F）一套22代谢途径被用来评估在硅片和实验结果之间的协议。左图显示糖原异生从流量平衡分析（FBA）出现的活动。附加文件1基因芯片数据分析。该表显示了这些基因的人固氮菌体活动中过度表达。得到的菌体内部的生物活性的更广泛的观点，蛋白质组分析是为R进行ETLI菌体从18天P根植物选择接种后结节同样回忆寻常18，参见实验程序和方法。总体而言，蛋白质组的研究使我们确定并在这过程中固氮提出的293个基因的表达的菌体表征415点的蛋白质，见图1（B）和附加文件2。附加文件2，蛋白质组数据。通过使用质谱法，我们在细菌固氮的R确定了一套蛋白质ETLI。在每一行，我们命名为蛋白质，并提出了一些用于缔结蛋白质识别参数。这两种技术转录组和蛋白质组促成提供有关细菌的固氮更广阔的生物景观。然而，有必要了解在实验设计，以整合并以一致的方式解释该数据这两种技术