关于微量元素的利用、功能及其与疾病关系的计算生物学研究

微量元素是生物体生长、发育和各种生理现象所必需的元素，与人类健康有密切关系，在抗病、防癌、延年益寿等方面都起着非常重要的作用。近年来随着各种组学的开展，越来越多的蛋白质被发现需要结合至少一种微量元素才能执行正常功能。因此，现阶段开发各种理论与方法来确认生物体中微量元素相关的蛋白集合（即微量元素蛋白质组），对于深入理解各元素在不同生物中的代谢和功能具有重要的意义。当前由于缺乏有效的计算生物学方法，对绝大多数微量元素来说，尚无法准确预测微量元素蛋白质组及相关代谢途径。本项目拟在申请人以往建立的计算生物学理论与方法的基础上，结合最新资源，开发新方法，进一步研究微量元素的代谢、功能及其与疾病潜在关系等重要问题。这一项目的成功实施不仅有助于深入理解微量元素在生物进化过程中的发生发展史，而且对于它们在生物医学上的效应与潜在利用价值提供了重要的参考，更对计算生物学在微量元素领域的应用与开发产生积极影响。

微量元素是所有生物体生长、发育和各种生理活动所必需的元素，与人类健康有密切关系，在抗病、防癌、延年益寿等方面都起着非常重要的作用，一直受到国内外相关生物学领域的重视。过去由于受到研究策略和技术手段的限制，对微量元素代谢网络和相关蛋白的种类和功能缺乏系统性研究，许多基本问题尚不清楚。本研究主要利用生物信息学和系统生物学的理论与方法，结合多种组学数据资源，揭示了若干微量元素的代谢、功能、进化趋势及其与一些疾病的潜在关系等重要信息。首先，我们研究了硒代谢通路和硒蛋白质组在所有测序物种中的分布，构建了物种特异性的硒代谢调控网络数据集，发现了硒代谢相关的若干新基因，进一步完善了硒代谢调控网络，并预测了硒代谢关键基因可能在某些物种中产生了新功能，参与了硫代谢通路。进一步细菌硒代谢网络和硒蛋白质组的比较基因组学研究揭示了硒的生物利用途径、功能及其与不同生态环境因素之间的复杂关系，并发现了影响硒代谢的两个重要的环境因素：栖息地和氧含量。其次，我们亦开展了其他若干金属的研究，如揭示了钼在5500余种原核和真核生物中的生物利用情况及钼蛋白和钼蛋白质组的分布与进化特征，分析了锌转运体系的进化规律并发现了最为古老的锌转运蛋白家族等。我们还开展了微量元素代谢相关疾病及其离子组的系统生物学研究。在帕金森病的血中多金属研究中，我们发现患者血硒和铁的水平显著增加，而血锌水平的显著降低是该病的一个重要危险因素，并利用几种金属浓度建立了一个帕金森病的预测系统，预测结果具有较高的准确性和特异性。这些成果既有助于深入理解不同微量元素在生物体中的利用代谢机制和进化规律，而且为它们在生物医学上的潜在应用价值提供了参考，更对生物信息学在微量元素领域的应用与开发产生积极影响。