λ噬菌体溶源/裂解转变的动力学研究和细胞壁裂解酶的信息学研究

论文摘要

本论文讨论了λ噬菌体溶源/裂解转变的动力学行为,并对细胞壁裂解酶进行了信息学研究。这是和噬菌体生物功能相关的两个重要方面。基因调控网络在生物反应过程中具有关键作用。为了了解基因调控网络系统的物理、化学特性,一些研究者提出各种生化反应模型来描述基因调控网络的相互作用,并利用这些模型来预测生化反应的结果。被λ噬菌体侵染的大肠杆菌的生命循环调控是一个很好的研究基因调控网络的范例。在过去的三十年中,实验科学工作者已经得到大量关于被λ噬菌体侵染的大肠杆菌中调控蛋白和操纵子相互作用的实验数据。随后,一些研究者已提出一些模型来模拟这个系统。本文第二章提出了一种调控蛋白与操纵子相互作用的动力学模型。利用该模型研究了被λ噬菌体侵染的大肠杆菌中系统状态的稳定性和溶源/裂解转变的特性。首先,根据两种调控蛋白CI2、Cro2和RNA聚合酶与λ噬菌体右侧操纵子的结合特征,把调控蛋白与DNA序列的相互作用模拟成化学反应方程,从而构建了40个关于操纵子浓度的微分方程。其次,采用绝热近似来简化反应模型。通过求解操纵子浓度方程,得到了mRNA和调控蛋白浓度的动力学演化关系,进而研究讨论了系统每个状态的稳定性。计算结果表明系统从溶源状态转变成裂解状态要经过两个物理学分岔:一个分岔是从单稳态到三点态;另一个是从三点态到单稳态。通过计算各个态的特征值,发现溶源/裂解转变的特性满足普遍的拓扑特性定理（Poincare-Hopf理论）。另外,通过计算该系统每个状态的熵产生速率,发现多重奇点和鞍点态的熵产生比溶源和裂解稳定焦点态的熵产生高。溶源态较低的熵产生速率可以用来解释它极高的系统稳定性。最后,通过引入协同性效应,简要地讨论了左侧操纵子对溶源/裂解转变的影响。计算结果说明同时与左侧操纵子和右侧操纵子结合的CI2蛋白间的协同性使系统溶源态更加稳定。当λ噬菌体侵染的大肠杆菌发生裂解时,噬菌体产生的细胞壁裂解酶会破坏细菌的细胞壁,从而释放更多的噬菌体后代来感染其他细菌。细胞壁裂解酶是一类高度进化的,能对细菌细胞壁快速破坏的蛋白质。目前,主要有两类细胞壁裂解酶:内溶素和自溶素。内溶素是由噬菌体来编码的,而自溶素是细菌自己的DNA来编码的。它们均通过作用于细胞壁肽聚糖共价键位点来破坏细胞壁。这类酶对细菌细胞壁具有极高的特异性,因此,这种细胞壁裂解酶对药物开发、食品工业和农业发展有很大的研究价值,特别是治疗那些对抗生素有耐药性的细菌感染。为研究如何控制细菌感染,利用生物信息学的方法来判别一条蛋白是否是细胞壁裂解酶是十分必要的。本文的第三章在利用细胞壁裂解酶的氨基酸贱基的亲疏水性和氨基酸的组分特征来描述蛋白质序列的基础上,提出利用费舍尔判别（fisher判别）来预测细胞壁裂解酶。当判别细胞壁裂解酶和非细胞壁裂解酶时,预测结果得到66.7%的预测成功率（敏感性）,同时也获得了88.6%的特异性,总体精度达到80.4%。进一步,利用该方法来预测两种细胞壁裂解酶:内溶素和自溶素,总体精度达到92.9%。此外,还利用该方法预测研究了噬菌体内溶素和非内溶素蛋白,预测总体精度达到86.8%。所有这些预测结果表明我们的方法能够对进一步的细菌控制研究和抗菌类药物研究提供有效的信息和帮助。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 一、引言
• （一） λ噬菌体溶源/裂解转变的动力学研究
• （二） 预测细胞壁裂解酶
• 二、λ噬菌体溶源/裂解转变的动力学研究
• （一） λ噬菌体操纵基因和调控蛋白相互作用网络特点
• （二） 理论模型
• 1.调控蛋白和右侧、左侧操纵子相互作用
• 2.仅考虑调控蛋白和右侧操纵子相互作用
• 3.简化右侧操作子状态
• 4.泰勒展开
• 5.绝热近似
• （三） 溶源/裂解转变特性
• 1.溶源/裂解转变特性分析
• 2.讨论
• （四） 调控蛋白浓度的动力学演化
• （五） 调控蛋白和操纵子相互作用的熵产生速率
• 1.计算
• 2.结果
• 3.讨论
• （六） 左侧操纵子对溶源/裂解转变的影响
• 1.模型修正
• 2.结果
• 3.讨论
• 三、预测细胞壁裂解酶
• （一） 材料与方法
• 1.材料
• 2.氨基酸的亲疏水特征
• 3.支持向量机
• 4.费舍尔判别
• 5.预测结果评价
• （二） 结果与讨论
• （三） 结论
• 四、研究总结及展望
• （一） λ噬菌体溶源/裂解转变的动力学研究
• （二） 预测细胞壁裂解酶
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文