酵母生物网络结构与功能进化的研究

论文摘要

本论文着重研究生物网络的拓扑结构与网络中蛋白功能和进化的联系,包括三章。第一章,介绍复杂网络理论在系统生物学中的应用,重点介绍网络静态参数和生物网络,特别是酵母生物网络的五个拓扑结构特征。第二章,研究酵母代谢网络的模块结构对酶基因功能和进化的影响。在酵母的代谢网络中,我们检测到显著的模块结构。由于这种模块结构的存在,两个网络参数——度和介数的相关性被大大削弱了。通过偏相关分析发现直接影响进化速率的是介数,而度与进化速率的相关是间接的。在酵母代谢网络,这样一个有着显著模块结构的网络中,代表节点全局影响力的中心参数介数比代表局部影响力的度更适合作为节点网络重要性的指标。我们还证实那些高介数的节点在代谢网络中起着重要的作用,可能是连接不同模块的桥梁,因此更倾向于必须基因;而那些高度值的节点,由于受到旁支途径的网络补偿以及重复基因遗传冗余的保护,很少是必须基因。以上结果表明,酵母代谢网络的模块结构对代谢网络中酶基因的功能和进化具有很大影响。第三章,研究蛋白复合物的结构对蛋白互作网络中蛋白功能和进化的影响。我们证实在蛋白互作网络中的确存在网络参数度与必须性的相关,即中心—致死法则,但这种相关非常弱。我们发现蛋白复合物处在网络中重要的中心位置,且拥有较高的度值。同时复合物包含较多的必须蛋白,且规模越大的复合物的必须蛋白比例越高。用偏回归的分析方法发现直接影响必须性的是复合物规模,而必须性和度值是相关性是间接的。而且蛋白复合物的规模和进化速率之间也有显著的负相关。这说明了蛋白以复合物为功能单位参与互作网络,复合物的结构起着连接生物网络结构与蛋白功能和进化的纽带作用。此外,我们还观察到必须蛋白之间有倾向性连接的现象。考虑到复合物内部组分表现出较一致的剔除表型,即必须性。这部分来自复合物内部的互作,很好的解释了必须蛋白之间的倾向性连接。上述结果都表明,蛋白复合物的结构对蛋白互作网络中蛋白的功能和进化具有很大影响。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 1 引言:复杂网络理论在系统生物学研究中的应用现状
• 1.1 系统生物学
• 1.2 酵母生物网络
• 1.3 网络节点的静态参数
• 1.4 生物网络的拓扑结构特征
• 1.5 网络计算的常用软件
• 2 模块结构对酵母代谢网络中酶基因功能和进化的影响
• 2.1 酵母代谢网络的构建
• 2.2 酵母基因组中重复基因的确认
• 2.3 有向酶图的网络拓扑结构特性
• 2.4 网络的模块结构对中心致死法则的影响
• 2.5 网络的模块结构对酶基因进化的影响
• 2.6 讨论
• 3 蛋白复合物对酵母互作网络中蛋白功能和进化的影响
• 3.1 蛋白互作网络的拓扑结构及其生物学意义
• 3.2 蛋白复合物
• 3.3 蛋白复合物对中心致死法则的影响
• 3.4 蛋白复合物对必须蛋白同型匹配的影响
• 3.5 讨论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间参与完成的论文
• 致谢