产电菌电子传递相关基因通路的研究

发布时间：2017-03-26 13:00

  本文关键词：产电菌电子传递相关基因通路的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)作为新型绿色能源,可以帮助我们解决环境问题和能源危机,但其过低的产电效率限制了它的应用,而产电菌产电的能力与胞外电子传递通路密切相关。研究产电微生物胞外电子传递过程与分子机制,发现与产电效率相关的关键基因、通路和代谢物,是微生物燃料电池研究中的关键技术。产电菌Shewanella oneidensis MR-1(以下简称S. oneidensis MR-1)具有产电效率高以及能够利用多种电子受体等优点,主要通过细胞色素蛋白以直接传递的方式进行胞外电子传递,是研究MFC的重要模式生物之一。本文通过研究S. oneidensis MR-1全基因组以及细胞色素C相关的基因调控网络,对不同条件下的胞外电子传递通路(extracellular electron transfer, EET)中蛋白的编码基因表达情况进行分析,并通过基因表达数据分析的方法研究特异性条件下胞外电子传递的基因调控通路,在基因调控层面上探索其胞外电子转移的机制,促进微生物系统生物学的研究。为了发现在胞外电子传递过程中起到关键作用的基因以及通路,首先利用比较基因组学的方法,以模式微生物大肠杆菌和四个同属希瓦氏菌的其他菌株为参考基因组,构建了包含95个转录因子、1298个靶基因和2703对调控关系的S. oneidensis MR-1的全基因组基因转录调控网络,扩展了目前已知的基因调控关系,为后面的工作奠定了基础。然后从STRING数据库中查询S. oneidensis MR-1的41个细胞色素蛋白的相互作用蛋白,从DOOR数据库中查询这些蛋白编码基因处于同一操纵子的其它基因,以这些细胞色素相关基因为靶基因在全基因组的转录调控网络中进行匹配得到调控关系,从而构建了与胞外电子传递直接传递密切相关的细胞色素相关基因的转录调控网络,网络由21个转录因子、306个靶基因和671对调控关系组成。从GEO数据库中下载S. oneidensis MR-1的基因表达数据集并从中筛选出合适条件的数据集,分析了在这些数据集对应的特异性条件下胞外电子传递通路中蛋白编码基因的表达情况。本文中对四种特异性条件进行了详细的分析,分别是不同培养基质的条件、不同电子受体的条件、铁还原的条件和hnoC缺失型菌株的条件,通过表达谱分析了这些条件下胞外电子传递的可能通路。在乳酸为培养基质的环境中,以电极为电子受体时,基因表达数据表明可能选择CymA-CctA(FccA)-MtrABC-OmcA或CymA-DmsEF-OmcA的EET通路,而在以柠檬酸三铁为电子受体时,可能选择CymA-CctA (FccA)-MtrDE-SO4360-OmcA的EET通路。最后以不同培养基质这一条件为例,对数据集GSE25821进行差异表达分析,得到表达上调基因和表达下调基因,结合细胞色素C相关基因的转录调控网络,构建了上调基因对应的实验组培养条件下的EET基因通路与下调基因对应的对照组培养条件下的EET基因通路。通过这种方法可以获得特异性条件下的EET相关的基因调控通路,研究特异性条件下胞外电子传递的关键基因和关键通路。
【关键词】：微生物燃料电池 产电微生物 胞外电子传递 基因转录调控网络 基因表达数据分析
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q78
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 研究背景11-14
• 1.1.1 能源和环境危机11
• 1.1.2 微生物燃料电池11-13
• 1.1.3 产电微生物13-14
• 1.2 胞外电子传递和细胞色素C14-18
• 1.2.1 胞外电子传递14-16
• 1.2.2 细胞色素C16-17
• 1.2.3 胞外电子传递通路17-18
• 1.3 微生物的基因表达调控18-20
• 1.3.1 中心法则18-19
• 1.3.2 基因表达与调控19-20
• 1.4 论文主要工作20-23
• 1.4.1 研究内容和意义20-21
• 1.4.2 论文框架21-23
• 第二章 基因表达谱分析23-43
• 2.1 基因芯片与基因表达数据23-33
• 2.1.1 基因芯片23-25
• 2.1.2 基因表达数据25-28
• 2.1.3 S.oneidensis MR-1基因表达数据集介绍28-30
• 2.1.4 非基因序列探针分析30-32
• 2.1.5 同一操纵子中基因的表达分析32-33
• 2.2 基因表达数据分析的一般方法33-40
• 2.2.1 R语言平台和Bioconductor包33-35
• 2.2.2 基因表达数据的预处理35-36
• 2.2.3 表达差异的显著性分析36-37
• 2.2.4 基因的共表达分析37-38
• 2.2.5 基因表达谱聚类分析38-39
• 2.2.6 基于基因表达谱的基因调控网络研究39-40
• 2.3 针对S.oneidensis MR-1基因表达数据分析40-42
• 2.4 本章小结42-43
• 第三章 S.oneidensis MR-1转录调控网络43-54
• 3.1 全基因组的转录调控网络43-47
• 3.1.1 转录调控网络的含义43
• 3.1.2 S.oneidensis MR-1转录调控网络的研究现状43-44
• 3.1.3 网络分析工具Cytoscape44
• 3.1.4 重构S.oneidensis MR-1全基因组的转录调控网络44-47
• 3.2 细胞色素C相关基因的转录调控网络47-53
• 3.2.1 网络的构建方法47-48
• 3.2.2 细胞色素C相关基因的数据48-51
• 3.2.3 相关基因调控关系的确定51
• 3.2.4 结果和讨论51-53
• 3.3 本章小结53-54
• 第四章 条件特异性EET通路分析54-73
• 4.1 与EET相关的特异性条件和基因表达数据54-55
• 4.2 EET通路55
• 4.3 条件特异性的EET通路的基因表达55-63
• 4.3.1 不同培养基质条件下通路基因表达情况56-58
• 4.3.2 不同电子受体条件下通路的基因表达58-60
• 4.3.3 铁还原条件下通路的基因表达60-62
• 4.3.4 hnoC缺失型条件下通路的基因表达62-63
• 4.4 基于基因表达数据分析的方法构建条件特异的EET基因通路63-71
• 4.4.1 研究方法63
• 4.4.2 基因表达数据分析63-68
• 4.4.3 特异性条件下EET基因通路68-71
• 4.5 本章小结71-73
• 第五章 总结和展望73-75
• 5.1 论文总结73-74
• 5.2 展望74-75
• 附录Ⅰ S.oneidensis MR-1中的细胞色素C75-77
• 附录Ⅱ GEO数据库中S.oneidensis MR-1数据集77-78
• 致谢78-79
• 参考文献79-86
• 作者简介86

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