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3D可视化模型可以研究新陈代谢！论文登《科学-信号传导》封面

发布于：2024-06-18 编辑：匿名来源：网络

还记得中学生物课本上的人体新陈代谢图吗？它看似并不复杂，但它的研究却一直是困扰科学家多年的难题。

最近，科学家们建立了一个交互式 2D/3D 可视化模型，以更好地研究新陈代谢。

当地时间3月24日，瑞典查尔姆斯理工大学乔纳森·L·罗宾逊团队在《Science Signaling》杂志上在线发表题为《An atlas of human Metabolism》的研究成果——构建了史上最完整的代谢模型，名为“Human 1”及其支持门户网站代谢图谱，系统地展示了人类代谢谱系。

值得一提的是，这一成果还出现在该期刊的封面上。

“自成一体”的基因组规模代谢模型。

代谢是指生物体与环境之间物质和能量的交换，以及生物体内物质和能量的自我更新过程，包括合成代谢（同化）和分解代谢（异化）。

影响）。

简单地说，新陈代谢就是旧物质被新物质取代。

事实上，新陈代谢是细胞的一种功能，是一个人活力的象征。

如果新陈代谢异常，可能会导致许多健康问题，如肥胖、糖尿病、高血压、心脏病、癌症等。

目前，医生主要通过筛查患者血液和尿液中的代谢标志物来诊断疾病，研究人员也开始开展针对代谢过程进行疾病治疗的研究。

雷锋网了解到，现在可以同时测量数千种代谢物，但要完全了解人体细胞的代谢情况并不容易。

科学家提出的策略是建立基因组规模的代谢模型（GEM），该模型实际上已经在涉及酿酒酵母和大肠杆菌的工业应用中使用，以了解新陈代谢并设计新的细胞目标，例如生物燃料。

生产）和提高产量是全面了解人体新陈代谢基础并为组学数据综合分析提供框架的方法。

早在2017年，科学家们就开始了构建GEM的漫长科研之路，一切努力都是从“Recon1”和“爱丁堡人体代谢网络”（EHMN）的开发开始的。

我们可以将两人理解为两个独立模型系列——Recon系列（包括Recon1、2和3D）和HMR系列（包括HMR1、2）的“鼻祖”。

这两个模型家族在更新过程中相互大量合并，已经用于治疗疾病、糖尿病、脂肪肝和癌症。

史上最完整的新陈代谢模型。

然而，即使有了上述两个模型系列，GEM的进一步发展仍然面临挑战：基因、代谢物和反应使用非标准标识符；模型组件的重复；先前模型迭代中的错误；模型更新不透明且难以协调。

事实上，这些挑战正是 Jonathan L. Robinson 团队研究的出发点。

如下图所示，团队构建了一个新的、可以说是史上最完整的 GEM 谱系，称为 Human1，而 Human1 就是通过整合和管理上述两个模型系列 Recon 和 HMR 得到的。

雷锋网获悉，Human1的整个开发过程都是在GitHub仓库中系统化进行的，可以追踪所有更新。

具体来说，这个过程是一个大工程——为了整合Recon和HMR两个模型谱系，研究团队删除了重复反应和重复代谢物，修改了代谢物公式，重新建立了反应方程，并修正了83个反应的可逆性实现了，不一致/不必要的反应被禁用/删除。

2D/3D交互此外，为了证明Human1的多功能性和预测准确性，研究人员综合分析了33个肿瘤和53个健康组织的转录数据，进行了涉及剩余不同细胞类型的基因重要性研究，并使用酶约束GEM（ecGEM））源自 Human1，预测 NCI-60 细胞系的营养交换和生长速率。

同时，Human1 还能够在有限的通量信息下准确地模拟细胞生长和代谢物交换率。

值得注意的是，研究团队创建了代谢图谱，这是一个与 Human1 配套的门户网站。

下图是一张手工绘制的二维图，涵盖了人体内的非转运/非交换反应（90%）、代谢物（97%）和基因（91%）。

这些图谱与人类蛋白质图谱 (HPA) 的转录数据集成，可以覆盖 37 种不同组织类型的基因表达水平。

下面是 3D 地图的屏幕截图。

3D 效果图章链接：来自 Human1 的内容，还可以上传自己的转录数据以进一步推进可视化。

可见，该研究成果提高了人类健康和疾病相关代谢途径的建模能力，为相关研究人员进一步完善人类基因组规模的代谢模型提供了机会。

未来，它也将成为人类健康和疾病的重要组成部分。

用于研究的共享资源。

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