代谢网络及路径（pathway）的研究和应用

论文摘要

在后基因组时代,生物信息学的研究方法对解开生物系统内在的复杂机制有重要作用。传统的分子生物学方法,虽然研究单个的基因或蛋白质的作用颇有建树,但不能满足理解有相互复杂作用的整个生物系统(如一个细胞,一个器官)的需要。随着高通量技术的进步,大量的实验数据积累下来,需要以系统的观点研究生物网络的组织结构,从而使得“系统生物学”的发展成为可能。系统生物学是从系统的层次上研究生物系统。在这个领域,对生物化学网络进行建模和模拟是其中的一个重要环节。模型的建立是系统了解和解析生命现象的基础,是对传统理论和实验生物学研究的一个补充,目前的研究大致可分为两类：基于图论的网络结构分析和基于微分方程的网络动力学分析。采用系统生物学方法,本文引入了系统工程学领域的Petri网作为代谢路径建模工具。首先介绍Petri网的基础理论知识以及代谢模型Petri网的表示方法,然后讨论了Petri网代谢模型的分析方法,包括有界性、S、T不变量分析和最优化分析等,这些方法是模型分析和仿真的有力手段。同时,基于无氧代谢、有氧代谢的生物化学反应方程式,进行了其相应的Petri网模型仿真。目前已经有很多生物化学网络的相关数据库,但是有各自不同的侧重点。本文在分析了路径数据库的应用和研究现状、数据来源和所使用的技术的基础上,设计了一个以关系数据库为具体实现技术的本地路径数据库,使用关系数据库SQL Server2000作为数据库管理系统,以EcoCyc数据库中的数据作为这个数据库的数据源,并在此基础上,首次成功地应用Petri网相关模型设计实现了一个路径(pathway)工具,灵活方便地呈现了模式生物大肠杆菌的相关路径信息。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 生物信息学
• 1.1.1 转录组
• 1.1.2 蛋白质组
• 1.1.3 代谢组
• 1.2 系统生物学
• 1.2.1 系统生物学的任务
• 1.2.2 系统生物学研究对象
• 1.2.3 系统生物学建模与仿真
• 1.2.4 系统生物学软件-模拟分析工具
• 1.2.5 系统生物学与实验
• 1.3 本论文的研究内容
• 1.3.1 生物化学网络数据库
• 1.3.2 代谢网络的数据模型
• 1.3.3 路径工具软件的设计
• 1.4 小结
• 第2章 代谢网络研究相关理论基础和技术
• 2.1 复杂网络理论知识
• 2.1.1 描述网络的静态几何量
• 2.1.2 基本的网络机制模型
• 2.1.3 代谢网络观点提出
• 2.1.4 代谢网络性质
• 2.2 代谢网络数据库技术
• 2.2.1 知识背景
• 2.2.2 生物化学网络数据库技术
• 2.3 生物建模方法
• 2.4 建模工具-PETRI网
• 2.4.1 Petri网研究历史
• 2.4.2 Petri网的定义
• 2.5 小结
• 第3章 路径数据库建立
• 3.1 路径的数据来源
• 3.1.1 从文献收集数据
• 3.1.2 直向同源路径
• 3.1.3 高通量技术积累的数据
• 3.1.4 逆向工程
• 3.2 路径的查询和创建
• 3.2.1 静态的路径检索
• 3.2.2 动态创建路径
• 3.3 路径（PATHWAY）分析
• 3.3.1 结构特征分析
• 3.3.2 与表达数据比较
• 3.3.3 模拟
• 3.4 路径数据库
• 3.5 数据交换
• 3.5.1 系统生物学标记语言SBML
• 3.5.2 Cell ML
• 3.5.3 BioPAX
• 3.6 生物数据的集成
• 3.7 路径数据库的设计与实现
• 3.8 小结
• 第4章 代谢网络结构建模
• 4.1 PATHWAY建模方法
• 4.2 生物化学网络的PETRI网模型
• 4.2.1 库所
• 4.2.2 变迁
• 4.2.3 弧线
• 4.2.4 PETRI网代谢模型的简化
• 4.2.5 PNML描述模型
• 4.3 模型分析
• 4.3.1 有界性分析
• 4.3.2 S、T不变量分析
• 4.3.3 最优化分析
• 4.4 小结
• 第5章 仿真与设计
• 5.1 无氧代谢
• 5.1.1 无氧代谢步骤
• 5.1.2 无氧代谢模型的Petri网表示
• 5.1.3 无氧代谢模型的简化
• 5.2 有氧代谢
• 5.2.1 有氧代谢过程
• 5.2.2 有氧代谢Petri网模型表示
• 5.3 生物路径软件设计
• 5.3.1 软件设计目的
• 5.3.2 软件功能概述
• 5.3.3 程序说明及模块介绍
• 5.3.4 软件实现所使用技术
• 5.3.5 讨论
• 5.4 小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录:攻读学位期间的主要学术成果