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生物体内不同类型蛋白质的氨基酸组成不同,由于氨基酸的合成代谢是蛋白质中氨基酸的来源之一,而代谢网络具有特定的拓扑结构和约束限制,不可能以同样的效率合成任意比例的氨基酸。因此,有必要从代谢网络角度研究蛋白质的氨基酸组成。越来越多的基因组规模代谢网络的出现为我们研究代谢网络和蛋白质氨基酸组成之间的关系提供了可能。氨基酸代谢和蛋白质翻译通过胺酰tRNA(Aminoacyl-tRNA,aa-tRNA)合成反应联系在一起,通过aa-tRNA合成反应,我们就可以研究氨基酸代谢网络对不同类型蛋白质组成的支持情况。
本文利用已经构建完成的代谢网络,使用基于约束的流平衡分析方法,通过定义全新的目标函数,即aa-tRNA合成反应流量和和蛋白质氨基酸组成的相关性最高,来解答代谢网络对不同类型蛋白质组成的支持程度的问题。我们的研究发现,氨基酸代谢网络对低表达水平和低保守度蛋白质支持得更好。
在翻译过程中,高表达蛋白质通常具有更优化的密码子,而我们的结果表明代谢网络对低表达蛋白质的支持更好,意味着蛋白质表达过程中可能存在不同层次的优化。虽然密码子层面的优化在影响蛋白质的表达中发挥着主要作用,但是代谢网络层面上同样有一定的优化空间,使氨基酸供应更适合低表达蛋白质的氨基酸组成;也就是说,翻译过程中氨基酸代谢网络的优化在一定程度上补偿了密码子优化方面的不足;基于此发现,我们提出了翻译优化空间的概念,以便系统地认清蛋白质翻译过程中的优化策略。同时,我们的结果也在某种程度上提示了氨基酸代谢网络对新基因产生的影响。