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希瓦氏菌（Shewanella）和地杆菌（Geobacter）等产电微生物可以将细胞内产生的电子传递到细胞的外部,还原胞外的不可溶性固体电子受体,这一过程称为胞外电子传递（Extracellular Electron Transfer,EET）。通过EET过程,产电微生物可以在电极表面生长,并能够完成微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells,MFC）的电流输出。然而,产电效率太低限制了 MFC技术的推广应用,对产电微生物特有的EET机制的研究将是发展MFC技术的一个关键环节。细胞色素c（Cytochrome C,C-type Cytochrome）在EET过程中发挥了重要作用,是其中不可缺少的一类关键蛋白质。一般认为,从内（细胞质）膜通过周质、外膜到细胞外部空间,细胞色素c可以形成EET途径。产电微生物的细胞色素c具有丰富的多样性,可以形成不同的组合,构成不同的EET途径以实现有效的电子传递。另一方面,细胞内的生物学过程大多是通过蛋白质之间的相互作用完成的,通过构建蛋白质-蛋白质相互作用（Protein-Protein Interaction,PPI）网络来研究特定的生物学过程是非常有效的。因此,本论文以希瓦氏菌属的Shewanella oneidensisMR-1作为主要的研究对象,基于细胞色素c的相互作用和相关的生物网络对产电微生物的EET机制进行研究。这不仅有助于我们认识和阐明EET过程的分子机制,还有助于我们形成关于EET分子机制的科学假设,例如:识别在EET过程中发挥重要作用的细胞色素c和相关的蛋白质,挖掘与特定EET过程相关的功能模块,等等。研究结果将为通过基因工程技术改造产电微生物、提高产电微生物与电极之间的电子传递效率提供科学依据和理论指导。论文研究主要进展体现在以下方面。1.构建了Shewanella oneidensis MR-1的基因组尺度细胞色素c网络,识别了网络中的关键蛋白质和功能模块,并推断出潜在的EET途径。细胞色素c可以作为传递电子的载体,在EET过程中发挥了重要的作用。我们获取了Shewanella oneidensis MR-1中所有41个细胞色素c的蛋白质相互作用信息,构建了一个蛋白质作用网络（即细胞色素c网络）,并研究了该网络的结构特征和功能意义。首先,我们使用多种网络中心化方法分析了细胞色素c网络中的关键蛋白质,并综合各种不同方法得到的结果确定了网络中的十大关键蛋白质。其中七个与希瓦氏菌的电流产生有关,表明了Shewanella oneidensis MR-1产生电力的能力可能是源自其细胞色素c网络独特的结构;这同时也暗示了其余三个关键蛋白质（PetB,Ndh和CcoN）可能也和电流的产生密切相关。其次,通过网络模块化分析,我们从网络中获得了 5个模块。亚细胞定位分析表明这些模块中的蛋白质大多分布在多样化的细胞区室中,反映了它们形成EET途径的潜力。特别地,我们发现组成经典MtrCAB途径的主要细胞色素c（CymA,MtrA,MtrC和OmcA）都在同一个模块中（Mtr-like的模块）。最后,结合蛋白质的亚细胞定位和操纵子分析,我们发现可以从这个Mtr-like的模块中推断已知的和新候选的EET途径,表明可以从这样的细胞色素c网络中获得潜在的EET途径。2.构建了Shewanella oneidensisMR-1的基因组尺度电子传递网络,识别了网络中的不同功能部分,发现了辅助EET途径的细胞色素c。EET途径主要是由细胞色素c和其它一些参与电子传递过程的蛋白质组成的。我们构建了一个基因组尺度的电子传递网络,它包含了Shewanellaoneidensis MR-1中454个可能与电子传递有关的蛋白质以及这些蛋白质之间的2276对相互作用。使用网络的k-shell分解方法,我们识别并分析了Shewanella oneidensis MR-1电子传递网络中的不同部分。我们发现该网络前三层的蛋白质主要分布在细胞质和细胞内膜,这些蛋白质可以用于负责在各种不同的环境条件下把电子传递到醌池。网络其它各层的蛋白质广泛地分布于所有的五个细胞区室（细胞质、内膜、周质、外膜和细胞外）,这确保了 Shewanella oneidensisMR-1的EET能力。特别地,我们论证了网络第四层的蛋白质负责处理EET过程,剩余各层中的细胞色素c可以用于辅助EET过程（例如:SO4047可以作为DMSO途径电子传递的周质辅助蛋白质）。总的来说,这些结果表明Shewanella oneidensisMR-1的电子传递网络中存在不同的功能部分,EET过程是由这些不同功能部分相互合作而高效完成的。3.构建了 13种希瓦氏菌的整合转录调控和蛋白交互网络,识别了高保守的网络模体,发现了网络模体“共调控的PPI”在EET过程中起到重要作用。转录调控作用（Transcriptional Regulatory Interaction,TRI）控制了基因的表达水平,进而决定了蛋白质的生成;而蛋白质之间的相互作用介导了细胞的大部分功能。通过整合转录调控和蛋白交互这两种类型的相互作用,我们构建了 13种不同希瓦氏菌的整合型生物网络,并从网络模体的角度对它们进行了分析。结果表明,只有7到11种不同的（三节点）网络子图是这些整合型网络中的网络模体。我们发现,与只包含单一类型相互作用的分子生物网络类似,包含两种类型相互作用的整合型生物网络中的网络模体也是进化保守的。随后,我们识别了高保守的网络模体,并讨论了它们的生物学功能。特别地,我们发现网络模体“共调控的PPI”对EET过程特别重要。从结构上来看,这种模体除了调控成对的蛋白质编码基因之外,还需要确保它们能够形成相互作用。进一步的功能分析表明,这种网络模体与细胞中蛋白质利用的“提前准备”模式之间有一定的关系,这将有助于细胞迅速响应环境的变化。此外,通过GO富集分析和蛋白质域富集分析,我们论证了Ⅱ型辅因子（网络模体“TRIInteracting With A Third Protein”中的辅因子）主要实现了Shewanella oneidensis MR-1信号传递的功能。4.构建了Showanella oneidensis MR-1中EET途径相关的转录调控模块,识别了其中辅因子（蛋白质）的信号传递功能,发现了关键的信号蛋白质。为了利用各种不同的胞外电子受体,Sheewanella oneidensisMR-l需要使用复杂的调控机制来激活相应的EET途径。通过整合EET基因和相关的转录因子,我们构建了与EET途径相关的转录调控模块。随后,我们分析了这些模块中的辅因子,结果发现这些模块中均富含有大量的信号蛋白质。此外,我们论证了多样化的信号蛋白质（或信号域）可用于协调不同的EET途径,并讨论了与经典MtrCAB途径有关的转录调控模块中信号蛋白质的功能。特别地,我们论证了信号蛋白质SO2145和SO1417在厌氧条件下激活EET途径的过程中扮演着重要的角色。总体而言,这些结果表明信号蛋白质在EET基因的转录调控过程中有着重要的作用,在研究希瓦氏菌的EET途径时应当充分考虑涉及其中的信号蛋白质。