蓝藻代谢模型转录组整合方法评估：基于Synechocystis sp. PCC 6803的多维度性能比较研究

《Frontiers in Bioinformatics》：Evaluating transcriptomic integration for cyanobacterial constraint-based metabolic modelling

本文系统评估了三种转录组整合方法（iMAT、E-flux2和METRADE）在蓝藻代谢模型中的性能，创新性地提出结合条件特异性聚类（PCoA）和生长速率预测（DTW距离分析）的双重评估体系。研究通过7组时间序列转录组数据验证发现，METRADE（单目标优化版本）在γ=10的均匀缩放配置下表现最优，其解决方案空间重塑能力显著提升了蓝藻自养代谢通量预测的生物学合理性。

　　

1 引言

代谢建模作为预测代谢通量和细胞表型的核心工具，在生物技术领域具有广泛应用。通过将基因组尺度代谢模型（GEMs）与转录组数据整合，能够构建针对特定环境或实验条件的上下文特异性模型，从而深入解析复杂生物系统的调控机制。蓝藻（Synechocystis sp. PCC 6803）因其在光合作用和高附加值化合物合成方面的潜力成为研究焦点，但缺乏足够的代谢通量数据（如¹³C-MFA）限制了其模型验证。本研究首次系统比较了iMAT、E-flux2和METRADE*三种整合方法在蓝藻模型iSynCJ816中的性能，通过双重评估指标（条件聚类和生长速率跟踪）填补了该领域的空白。

2 方法

2.1 优化

采用COBRA Toolbox v3进行通量平衡分析（FBA），模型结构以化学计量矩阵S（m×n维）表示，满足稳态方程S·v=0。自养生长模拟中关闭葡萄糖输入，以碳酸氢盐为唯一碳源。

2.2 整合方法

METRADE* 在原始多目标优化基础上改为单目标优化，结合懒步映射函数?(Θ) = [1+γ|logΘ|]^sgn(Θ-1)调整反应边界，采用pFBA实现L1正则化。

E-flux2 将反应表达值直接设为反应边界，通过二次规划确保通量解唯一性。

iMAT 通过阈值离散化基因表达（高/低/中性），以混合整数线性规划（MILP）最大化表达一致性反应数量。

2.3 模型配置与缩放策略

测试两种初始配置：Baseline（光子输入反应上限设为-500）和Max（上限-1000）。METRADE*采用均匀缩放（全局γ值）和反应特异性缩放（基于基因表达方差），后者通过公式基因重要性=最大基因重要性×1/(σ_i/最小方差)计算权重。

2.4 生长速率推导

从文献OD曲线拟合指数、饱和或逻辑增长模型，推导相对生长速率r(t)。例如逻辑增长模型中，r(t)=4e^-k(t-t₀)/(1+e^-k(t-t₀))²，并通过min-max归一化便于跨数据集比较。

2.5 预测评估

动态时间规整（DTW） 计算预测与实验生长轨迹的累积距离，通过10万次置换检验生成零分布并计算p值。

主坐标分析（PCoA） 对通量分布进行低方差过滤和Z-score标准化后，基于欧氏距离矩阵生成二维嵌入，评估条件间聚类效果。

3 结果与讨论

3.1 条件特异性聚类

PCoA显示METRADE*在多数配置下（尤其γ≥10）能形成紧密的条件特异性簇，显著优于E-flux2（p值中位数≈0.4）。iMAT的表现高度依赖阈值选择，35%/15%百分位组合意外优于常规75%/20%组合。反应特异性缩放在最大重要性值10,000时聚类效果最佳，但均匀缩放（γ=10）更具鲁棒性。

3.2 生长速率预测

METRADE*的Max配置（光子输入无缓冲）更适配生长预测，因光合通量与生物量合成直接关联。然而，过度优化聚类可能导致生长预测失真，如高γ值虽提升聚类紧密度但降低生长轨迹匹配度。双重指标平衡显示，γ=10的均匀缩放和最大重要性10,000的变异缩放为实现最佳权衡的策略。

3.3 蓝藻模型特殊性

自养系统的“顶端重载”特性（光子输入通量远高于其他交换反应）使整合方法对光合相关反应边界变化极度敏感。研究通过Baseline/Max配置对比发现，缓冲设计（Baseline）可减少光合通量误调，但METRADE*在不同配置下均保持稳定性能，表明其映射函数能有效缓解该偏差。

3.4 方法比较

METRADE* 的懒步映射函数提供可调缩放强度，优于E-flux2的线性约束方式。

iMAT 的MILP框架虽提供灵活性，但阈值敏感性高且无法直接预测生长速率，限制其应用范围。

E-flux2 参数无关的特性使其易于实施，但性能中等，缺乏精细调控能力。

4 结论

本研究构建了蓝藻代谢模型转录组整合的评估新范式，证实METRADE*在恰当参数下（γ=10均匀缩放或最大重要性10,000）能同时优化条件判别和生长预测。未来工作需结合更多实验通量数据（如¹³C-MFA）进一步验证整合方法在光合生物中的普适性，为蓝藻代谢工程提供可靠计算工具。