[论文解读] Pathway Tools version 28.0: Integrated Software for Pathway/Genome Informatics and Systems Biology

Peter D. Karp, Suzanne Paley+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2015

Microbial Metabolic Engineering and Bioproduction被引用 75

一句话总结

Pathway Tools 版本 28.0 是一个全面的生物信息学平台，用于构建、分析和可视化整合基因组、代谢和调控数据的生物体特异性通路/基因组数据库（PGDB）。它支持自动化代谢网络重建、通过 MetaFlux 进行定量通量建模、交互式注释、网页发布，以及通过可视化工具和富集分析实现多组学数据整合。

ABSTRACT

Pathway Tools is a bioinformatics software environment with a broad set of capabilities. The software provides genome-informatics tools such as a genome browser, sequence alignments, a genome-variant analyzer, and comparative-genomics operations. It offers metabolic-informatics tools, such as metabolic reconstruction, quantitative metabolic modeling, prediction of reaction atom mappings, and metabolic route search. Pathway Tools also provides regulatory-informatics tools, such as the ability to represent and visualize a wide range of regulatory interactions. The software creates and manages a type of organism-specific database called a Pathway/Genome Database (PGDB), which the software enables database curators to interactively edit. It supports web publishing of PGDBs and provides a large number of query, visualization, and omics-data analysis tools. Scientists around the world have created more than 45,000 PGDBs by using Pathway Tools, many of which are curated databases for important model organisms. Those PGDBs can be exchanged using a peer-to-peer database-sharing system called the PGDB Registry.

研究动机与目标

• 为创建和管理整合基因组学、代谢和调控的综合性、生物体特异性数据库提供统一的软件环境。
• 支持从基因组注释中自动推断代谢网络、操纵子和通路空缺填补物。
• 通过通量平衡分析和缺口填补技术，支持定量代谢模型的开发。
• 提供交互式、基于网页的可视化与分析工具，用于组学数据、调控网络和代谢图谱。
• 通过 PGDB 注册表和标准化数据库发布，促进比较基因组学和数据共享。

提出的方法

• 利用 PathoLogic 组件，从注释的基因组序列自动生成 PGDB，包括基因、蛋白质、反应以及预测的通路。
• 使用 Pathway/Genome Navigator 在桌面和基于网页的环境中查询、可视化和交互式编辑 PGDB，包括将组学数据绘制到代谢和调控网络上。
• 应用 MetaFlux 进行稳态代谢通量建模，包括基因和反应敲除的模拟，以及不完整通路的自动缺口填补。
• 集成丰富的本体论和数据库 API，以支持对 PGDB 内容的复杂查询、符号计算和数据挖掘。
• 支持 PGDB 的网页发布，并通过 PGDB 注册表实现点对点共享，促进协作注释和数据库复用。
• 通过共享数据结构和可视化框架，支持在多个 PGDB 之间进行比较分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 软件平台如何将基因组、代谢和调控数据整合到一个单一、可查询且可分析的生物体特异性数据库中？
• RQ2 哪些计算方法能够从基因组注释中准确推断代谢通路、操纵子和转运反应？
• RQ3 如何通过自动缺口填补和基因组规模重建技术，快速构建并验证定量代谢通量模型？
• RQ4 在完整的细胞网络图谱背景下，组学数据可通过哪些方式有效可视化和分析？
• RQ5 如何构建一个可扩展、交互式且基于网页的平台，以支持生物数据库的协作注释和传播？

主要发现

• 已使用 Pathway Tools 创建超过 35,000 个 PGDB，包括对主要模式生物（如 *E. coli* 和 *Saccharomyces cerevisiae*）的精心注释数据库。
• Pathway Tools 通过 MetaFlux 支持基于基因组规模的代谢模型构建，支持通量平衡分析以及基因和反应敲除的模拟。
• 该软件支持通过专用桌面编辑器对代谢通路、操纵子和调控网络进行交互式注释。
• 组学数据着色工具可将基因表达、蛋白质组学和代谢组学数据可视化地绘制在完整的代谢和调控网络图谱上。
• Navigator 组件现已在网页模式下支持大多数桌面级可视化与分析功能，提升了可访问性和共享性。
• PGDB 注册表支持去中心化的点对点数据库共享，促进了研究社区内数据库的复用与协作开发。