KIPEs3: Automatic annotation of biosynthesis pathways
- 作者
- Andreas Rempel, Nancy Choudhary, Boas Pucker
- 单位
- Genome Informatics, Faculty of Technology & Center for Biotechnology, Bielefeld University, Bielefeld, Germany; Graduate School "Digital Infrastructure for the Life Sciences" (DILS), Bielefeld Institute for Bioinformatics Infrastructure (BIBI), Bielefeld University, Bielefeld, Germany; Plant Biotechnology and Bioinformatics, Institute of Plant Biology & BRICS, TU Braunschweig, Braunschweig, Germany
- 杂志
- PLoS ONE（2023）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0294342
- 所属领域
- 合成生物学/生物信息学
- 关键词
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解决的核心问题
植物基因组测序速度加快，但功能注释滞后，特别是特定生物合成通路（如类黄酮和类胡萝卜素）的基因自动注释工具不足。
研究策略
利用已表征的参考序列（bait sequences）通过BLAST、全局比对、系统发育树及功能必需氨基酸残基筛查来鉴定候选基因，并引入共表达分析增强可靠性；开发在线服务便于使用。
核心内容
针对植物基因组测序速度加快但特定生物合成通路功能注释滞后的瓶颈，研究者开发了KIPEs3，这是一个自动化注释类黄酮和类胡萝卜素等生物合成通路的工具。其策略是利用已表征的参考序列，依次通过BLAST、全局比对、系统发育树及功能必需氨基酸残基筛查来鉴定候选基因，并引入共表达分析增强可靠性，同时提供了便于使用的在线服务器。相比前代，KIPEs3升级至Python3，扩展了类黄酮修饰酶（如糖基转移酶、酰基转移酶、甲基转移酶）及转运蛋白注释，并新增类胡萝卜素通路。关键结果表明，KIPEs3在LYC-b和FLS功能注释中的性能均达100%，显著优于MetaCyc（其在胡萝卜中LYC-b注释性能为0%）、Plant Metabolic Network（性能仅65-75%）和Plant Reactome（FLS注释无预测结果）。此外，在121个Phytozome数据集中，多数物种分析时间短于20分钟且内存需求低于2GB。这意味着KIPEs3是一个兼具高准确性和特异性的自动注释工具，适用于具有先验知识的通路，并能有效支持新测序基因组的快速功能注释。
创新点
将KIPEs从Python2升级至Python3；扩展类黄酮修饰酶（糖基转移酶、酰基转移酶、甲基转移酶）及转运蛋白注释；新增类胡萝卜素生物合成通路；提供自动系统发育树和共表达网络生成；提供web服务器。
研究对象（13）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 | 类黄酮生物合成 | PAL | 苯丙氨酸解氨酶 | 催化 | 核心通路第一步 |
| 拟南芥 | 类黄酮生物合成 | CHS | 查尔酮合酶 | 催化 | 核心通路 |
| 拟南芥 | 类黄酮生物合成 | FLS | 黄酮醇合酶 | 催化 | 黄酮醇合成 |
| 拟南芥 | 类黄酮生物合成 | DFR | 二氢黄酮醇4-还原酶 | 催化 | 花青素合成前体 |
| 拟南芥 | 类黄酮生物合成 | ANS | 花青素合酶 | 催化 | 花青素生成 |
| 拟南芥 | 类黄酮生物合成 | UGT78D2 | 类黄酮3-O-葡萄糖基转移酶 | 催化 | 糖基化修饰 |
| 拟南芥 | 类黄酮生物合成 | TT19 | 谷胱甘肽S-转移酶类蛋白 | 转运 | 类黄酮转运相关的GST |
| 拟南芥 | 类黄酮生物合成 | ABCC | 花青素转运ABC转运蛋白 | 转运 | 液泡转运 |
| 拟南芥 | 类黄酮生物合成 | MATE | MATE转运蛋白 | 转运 | 转运花青素和原花青素前体 |
| 拟南芥 | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 类胡萝卜素合成第一步 |
| 拟南芥 | 类胡萝卜素生物合成 | PDS | 八氢番茄红素脱饱和酶 | 催化 | 脱氢 |
| 拟南芥 | 类胡萝卜素生物合成 | LCYB | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | β环化 |
| 胡萝卜 | 类胡萝卜素生物合成 | LCYB | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 胡萝卜中验证 |
关键发现
- KIPEs3在LYC-b和FLS功能注释中的性能均达100%（拟南芥、番茄、胡萝卜等物种），显著优于MetaCyc、Plant Metabolic Network和Plant Reactome
- 例如MetaCyc未在胡萝卜中注释任何LYC-b（性能0%），PMN在三个物种中性能65-75%，Plant Reactome未在FLS注释中预测到任何候选。KIPEs3在121个Phytozome数据集中多数物种分析时间小于20分钟，内存需求低于2GB。
研究结论
KIPEs3是准确性和特异性均高的生物合成通路自动注释工具，适用于具有先验知识的通路，并能用于新测序基因组的功能注释。