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1、华中科技大学 硕士学位论文 生物途径数字化策略及其在共生固氮网络数据库中的实现 姓名：甘泉 申请学位级别：硕士 专业：生物医学工程学 指导教师：刘曼西 2007-07-03 I 华华 中 科中 科 技技 大 学 硕 士 学 位 论大 学 硕 士 学 位 论 文文 摘摘 要要 途径是遗传上有一定距离，但是功能上相关的生物分子组成的反应序列。在功 能基因组研究中，揭示生物途径是寻找功能基因的最佳手段。在系统生物学研究中， 揭示途径的网络特征是在细胞或分子水平上阐明生物机制的重要前提。途径数据库 是研究途径不可缺少的工具。各种途径数据库的建立和发展已经极大地推动了功能 基因组学和系统生物学的发展。但
2、是它也面临着挑战。一个重要的挑战就是途径的 统一描述。目前，不同的途径数据库对途径的描述有着不同的模型和概念。即使是 在同一数据库中，也存在着对不同种类的途径有着不同的的描述模型的现象，无法 实现不同层次数据之间的交叉搜索和可视化，不同来源、不同功能的数据整合等。 如何统一描述不同性质和不同层次的生物途径，迄今为止尚未见有系统的论述。 本文分析了 KEGG，BioCyc，PID 等目前几个大型途径数据库的途径描述策略，总 结了这些途径数据库的途径描述策略的优缺点。提出了一个统一描述不同性质和不 同层次的途径的数字化方法。该方法定义途径为一系列相互衔接的具有生物学意义 的关系的集合；关系则是对象
3、之间的有规律的联系；将对象的定义泛化，把光、温 度等物理量也定义为对象的一种；并特别强调了对象位置的重要性。用这个方法对 豆科植物根瘤菌共生固氮网络进行了数字化描述。结果表明该方法可以实现对跨 物种、跨类型的途径的综合描述，实现对不同种类的途径之间的交叉搜索。特别是 当研究的问题涉及代谢、信号转导、基因表达调控等多个方面或多个层次，该方法 可以使研究者同时获取有关的途径数据，进行水平的或纵向的研究。 豆科植物根瘤菌共生固氮机制是非常重要的生命科学问题和有重大经济意义 的农业研究课题。共生固氮体系跨越物种、跨越细胞，固氮过程包括不同种属细胞 间的物质交换途径，代谢途径和信号转导途径，受到复杂的调
4、控。要实现人类对共 生固氮作用的更有效利用，需要对共生固氮体系进行综合研究。建立共生固氮网络 数据库是实现其综合研究的必要基础性工作。迄今为止，对共生固氮机制所涉及的 途径的描述分散在不同的文献或数据库中，尚缺乏共生固氮体系的整体描述和相应 的网络数据库。本文的共生固氮途径的数字化描述可用于构建共生固氮网络数据库。 为此，开发了一套从对象管理到途径编辑、途径搜索、途径可视化的软件和函数， II 华华 中 科中 科 技技 大 学 硕 士 学 位 论大 学 硕 士 学 位 论 文文 使得该途径描述方法能更加有效地用于该数据库的建立。开发了共生固氮途径研究 方法数据库，根据途径的定义，确定数据库的数
5、据内容以蛋白质相互作用研究方法 为主。搜集并分析了近 200 篇原始文献，建立了能满足研究者查询和进行实验设计 的数据分类体系。数据库提供了实验编辑器，将常用的实验步骤模块化。用户可以 通过该编辑器进行实验设计，并将结果打印成图形结果，以方便实验中参考。采用 AJAX、PHP 和 XML 技术，开发了实验编辑器的网络版，用户可以通过网页，在线 进行实验设计。 关键词：关键词：生物信息学 途径数据库 生物途径 共生固氮 III 华华 中 科中 科 技技 大 学 硕 士 学 位 论大 学 硕 士 学 位 论 文文 Abstract Pathway is a serial reaction with
6、 form genetic distances by the biological molecule. In functional genomics research, the best way to find a functional gene is come from the biological pathways. In system biology research, reveal network characteristics of the pathways is the important precondition to clarify the biological mechani
7、sm in cell or molecular level. Pathway database is the indispensability tool, and have promoted the development of the functional genomics and system biology very much. But it also raises many important and challenging, one of them is how to describe the pathway in uniform. But, different biological
8、 notions of pathways are used in different pathway databases, and even in the certain pathway database, for different kinds of the pathways, there are also different biological notions, it difficult to querying and visualizing data in multiple abstraction levels or integrating of data distributed in
9、 diverse sources or expression in diverse functions. It has no system dissertation on how to uniform the description of the pathway in different level or in different character. Base on the analyzing of the notions that used in KEGG, BioCyc and PID, we find out the merit of these pathway databases.
10、And we present a digitized strategy to describe the biological pathways in uniform. We provide a very clear statement for the pathway: a interrelate set of the relations which have the certain biological functions. And the relation is the regulated interaction between biological objects. We extensiv
11、e the statement of the biological objects, take the light, temperature and others physical factors as the certain kind of the object. And we special emphasize the significance of the position of the objects. Use this strategy; we describe the nitrogen fixation network in rhizobium-plant symbiosis. A
12、nd the result show that the strategy we used can implement the description of pathways which crossing the species or in different kinds, and also can implement the querying between different kinds of pathways. Especially, when research including the metabolism pathways, the signal transduction pathw
13、ays, and the gene regulation pathways in the same time, the strategy can let researcher get the information about the pathway more efficiently. Reveal mechanism of the nitrogen fixation in rhizobium-plant symbiosis is a very important subject in life science, and have much economic sense in agricult
14、ure. The IV 华华 中 科中 科 技技 大 学 硕 士 学 位 论大 学 硕 士 学 位 论 文文 rhizobium-plant symbiosis is the system including two species, and including the metabolism pathways, the signal transduction pathways, and the gene regulation pathways in the same time. To use the nitrogen fixation in symbiosis more effective,
15、we must research the rhizobium-plant symbiosis systemic, and the basic work is built the database of the rhizobium-plant symbiosis. But, the pathways of the mechanism of the nitrogen fixation in rhizobium-plant symbiosis are distributed in different databases or event still in research papers, there
16、 have not a systemic describe and relevant database. And the digitized strategy in this article can be used to build a database of nitrogen fixation in symbiosis. So, we develop a set of software, including object edit, pathway edit, pathway querying, pathway visualizing, it make the work more efficiently. We also build a database of research method in nitrogen fixation pathway, and according the statement, the record
