Reconstruction of Arabidopsis metabolic network models accounting for subcellular compartmentalization and tissue-specificity
- 作者
- Shira Mintz-Oron, Sagit Meir, Sergey Malitsky, Eytan Rupin, Asaph Aharoni, Tomer Shlomi
- 单位
- Department of Plant Sciences, Weizmann Institute of Science, Rehovot 76100, Israel; School of Computer Science, Tel-Aviv University, Tel-Aviv 69978, Israel; School of Medicine, Tel-Aviv University, Tel-Aviv 69978, Israel; Department of Computer Science, Technion-Israel Institute of Technology, Haifa 32000, Israel
- 杂志
- Proceedings of the National Academy of Sciences（2012）
- DOI
- 10.1073/pnas.1100358109
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
植物代谢工程缺乏有效的计算模型指导，现有拟南芥代谢网络模型未考虑亚细胞区室化和组织特异性，且仅覆盖初级代谢，无法用于次级代谢相关目标产物的设计，需要构建全基因组规模、整合多组织与区室信息的代谢模型。
研究策略
采用计算流程：从AraCyc和KEGG等数据库提取拟南芥反应，进行原子平衡检查和gap-filling；利用SUBA亚细胞定位数据库和最小转运原则预测酶定位；整合组织特异性蛋白质组数据构建组织模型，并通过交叉验证、已知代谢功能模拟、代谢组及通量数据验证模型。
核心内容
本研究构建了首个全基因组规模、完全区室化且具组织特异性的拟南芥代谢网络模型。作者从AraCyc和KEGG数据库提取反应，经原子平衡检查和gap-filling补充31个已知植物反应和223个未知反应，并利用SUBA数据库和最小转运原则预测酶的亚细胞定位，最终整合组织特异性蛋白质组数据形成多组织模型。模型包含1,363个反应和1,078个代谢物，交叉验证精度0.61、召回0.42，模拟已知代谢功能成功率达98%。通过MOMA分析预测质体丙酮酸激酶敲低突变体的通量变化，与实测数据的Spearman相关系数为0.57，验证了模型预测能力。应用该模型预测了71个可提高维生素E含量的靶酶敲除策略。该工作为植物代谢工程提供了可用的计算平台，也为其他植物组织特异性模型的重建奠定了基础，尤其对以维生素E为代表的次级代谢产物过量生产具有直接指导意义。
创新点
构建了首个全基因组规模、完全区室化且组织特异性的拟南芥代谢模型；同时覆盖初级和次级代谢；开发了自动gap-filling和亚细胞定位预测方法；并成功应用于预测维生素E代谢工程靶点。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 脂肪酸生物合成/糖酵解 | PKPα, PKPβ | 质体丙酮酸激酶 (plasticid pyruvate kinase) | 催化 | 敲低该基因导致脂肪酸合成降低、淀粉积累增加，用于验证模型对代谢通量的预测 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 氰化物代谢 | 高粱中4-羟基苯乙醛肟单加氧酶基因在拟南芥中的同源基因（细胞色素P450家族） | 4-羟基苯乙醛肟单加氧酶 (4-hydroxyphenylacetaldehyde oxime monooxygenase) | 催化 | gap-filling新增反应，催化p-羟基苯乙醛肟转化为4-羟基扁桃腈 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 氰化物代谢 | — | 扁桃腈裂解酶 (mandelonitrile lyase) | 催化 | 催化4-羟基扁桃腈转化为氢氰酸，是激活氰化物代谢的关键反应 |
关键发现
- 初始模型包含1,363个反应和1,078个代谢物
- gap-filling添加31个已知植物反应和223个未知反应，松弛191个反应方向
- 交叉验证精度0.61，召回0.42（超几何P<10^-14）
- 亚细胞定位预测精度0.47，召回0.50（P<10^-13）
- 代谢组数据验证精度0.62，召回0.72（P=0.03）
- 模拟已知代谢功能成功率98%
- MOMA预测PK敲低突变体通量变化与实测Spearman相关系数0.57（P=0.006），ROOM为0.52（P=0.005）
- 预测71个靶酶敲除可提高维生素E含量。
研究结论
本文构建的拟南芥多组织区室化代谢网络模型具有良好预测能力，可用于植物代谢工程的合理设计，为维生素E等营养物质的过量生产提供了潜在靶点，也为其他植物组织特异性模型重建奠定了基础。