微科盟生科云基因组尺度代谢模型(GEM)分析帮助文档

本帮助文档旨在指导用户理解基因组尺度代谢模型(GEM)分析结果,并提供科研论文中描述分析结果的参考示例。

分析原理

基因组尺度代谢模型(GEM)是通过整合基因组注释信息和生化反应数据库,构建的包含生物体所有代谢反应和代谢物的数学模型。本工具使用CarveMe软件(1.6.5版本),基于基因组中预测的蛋白质(酶),推断基因组尺度代谢模型。

关键步骤:

  1. 通用模型模板选择:用户可选择通用细菌模板(bacteria),或针对革兰氏阳性菌(grampos)、革兰氏阴性菌(gramneg)的特化模板
  2. 模型构建:CarveMe采用自上而下的重建方法,以通用模型为模板进行雕刻, 根据输入基因组中预测的蛋白质(酶)序列,推断出该物种可能具有的代谢反应网络
  3. 网络可视化:将SBML格式的代谢模型转换为网络图,展示代谢物节点和反应关系
  4. 区室表示:不同区室(C_c: 胞质, C_p: 周质空间, C_e: 细胞外, ext: 群落细胞外环境)的代谢物以不同颜色表示
学术概念补充:

结果文件解读

分析完成后,系统生成以下文件:

1. MAG.*.xml

这是生成的基因组尺度代谢模型文件,采用SBML格式, 可使用记事本打开查看。SBML是一种标准的XML格式,用于表示系统生物学模型,可以被多种生物信息学软件读取和分析。该文件包含以下关键部分:

以下是一个简化的SBML文件结构示例:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<sbml xmlns="http://www.sbml.org/sbml/level3/version1/core" level="3" version="1">
  <model id="MAG_T21_45" name="MAG.*">
    <listOfCompartments>
      <compartment id="C_c" name="cytosol"/>
      <compartment id="C_p" name="periplasm"/>
    </listOfCompartments>
    <listOfSpecies>
      <species id="M_10fthf_c" name="10-Formyltetrahydrofolate" compartment="C_c"/>
      <species id="M_h2o_c" name="Water" compartment="C_c"/>
    </listOfSpecies>
    <listOfReactions>
      <reaction id="R_AICART" name="Phosphoribosylaminoimidazolecarboxamide formyltransferase" reversible="true">
        <listOfReactants>
          <speciesReference species="M_10fthf_c" stoichiometry="1"/>
        </listOfReactants>
        <listOfProducts>
          <speciesReference species="M_fprica_c" stoichiometry="1"/>
        </listOfProducts>
      </reaction>
    </listOfReactions>
  </model>
</sbml>
        

关键元素解读:

元素 描述 科研意义
<species> 定义代谢物,包含id、name和compartment属性 识别关键代谢物及其细胞定位
<reaction> 定义代谢反应,包含id、name和reversible属性 分析代谢途径和反应网络
<speciesReference> 定义反应中的底物或产物,包含species和stoichiometry属性 理解反应平衡和计量关系
<compartment> 定义细胞区室,包含id和name属性 研究代谢物的区室化分布

2. MAG.*_network.svg

静态代谢网络图,以SVG矢量格式呈现:

静态代谢网络图

解读要点:

3. MAG.*_network_interactive.html

交互式代谢网络图,使用Plotly库实现:

4. MAG.*_nodes.xls

代谢物节点信息表,包含以下列:

列名 描述 示例
id 代谢物唯一标识符; 可能来自于 BiGG数据库 M_10fthf_c
name 代谢物名称 10-Formyltetrahydrofolate
compartment 所在区室 C_c
degree 连接度 12

示例数据:

             id                                               name compartment  degree
0    M_10fthf_c                          10-Formyltetrahydrofolate         C_c      12
1  M_12dgr140_c  1,2-Diacyl-sn-glycerol (ditetradecanoyl, n-C14:0)         C_c       4
2  M_12dgr140_p  1,2-Diacyl-sn-glycerol (ditetradecanoyl, n-C14:0)         C_p       3
3  M_12dgr160_c   1,2-Diacyl-sn-glycerol (dihexadecanoyl, n-C16:0)         C_c       6
4  M_12dgr160_p   1,2-Diacyl-sn-glycerol (dihexadecanoyl, n-C16:0)         C_p       3

5. MAG.*_edges.xls

代谢反应边信息表,包含以下列:

列名 描述 示例
source 反应物代谢物ID M_10fthf_c
target 产物代谢物ID M_fprica_c
reaction 反应ID R_AICART
reaction_name 反应名称 Phosphoribosylaminoimidazolecarboxamide formyltransferase
reversible 是否可逆反应 True

示例数据:

       source      target  reaction                                              reaction_name  reversible
0  M_10fthf_c  M_fprica_c  R_AICART  Phosphoribosylaminoimidazolecarboxamide formyltransferase        True
1  M_10fthf_c  M_thf_c   R_GARFT                Phosphoribosylglycinamide formyltransferase        True
2  M_10fthf_c  M_fgam_c   R_GARFT                Phosphoribosylglycinamide formyltransferase        True
3  M_10fthf_c  M_h_c    Growth                                           Biomass reaction       False
4  M_10fthf_c  M_adp_c    Growth                                           Biomass reaction       False

科研论文撰写示例

以下是在科研论文中描述基因组尺度代谢模型分析结果的英文示例:

Genome-scale metabolic modeling (GEM) was performed using the Wekemo Bioincloud platform (Gao et al., 2024). The metabolic network for MAG.* was reconstructed using the CarveMe software (version 1.6.5) with the gram-negative bacteria template. The resulting model contained 1,256 metabolites and 1,872 reactions, distributed across cellular compartments including cytoplasm (C_c), periplasm (C_p), and extracellular space (C_e).

Network visualization revealed several highly connected metabolites, such as 10-Formyltetrahydrofolate (degree = 12) and 1,2-Diacyl-sn-glycerol (dihexadecanoyl, n-C16:0) (degree = 6), indicating their central roles in metabolic pathways. The biomass reaction (Growth) was identified as a key irreversible reaction connecting multiple metabolic precursors.

Complete model files (SBML format), network visualizations (static SVG and interactive HTML), and detailed metabolite/reaction tables are provided as Supplementary Materials.

参考文献格式:

Gao Y., Zhang G., Jiang S., Liu Y.X. (2024) Wekemo Bioincloud: A user-friendly platform for meta-omics data analyses. iMeta 3: e175. https://doi.org/10.1002/imt2.175