生物信息学是一门应用计算机技术处理和分析生物实验产生的各种基因和蛋白质数据信息的交叉学科。生物信息学的研究应用涉及了许多具有极大挑战意义的科学问题,从核苷酸序列的分析到氨基酸序列的分析,从分子结构的预测到分子间的相互作用,从单一基因或蛋白质的个体研究到系统网络的关联信息研究。其中,蛋白结构功能研究和基因表达分析是目前生物信息学研究应用中的两个研究最热和最具发展前景的领域。本论文应用生物信息学方法在这两个研究领域具体开展：1)单一氨基酸突变影响尼古丁去甲基化活性的结构机理研究。细胞色素P450单加氧酶家族成员CYP82E4,具有催化尼古丁去甲基化活性。实验证明尼古丁去甲基化反应调节枯萎烟草叶中烟碱向降烟碱的生物转化过程的关键步骤。同时,实验发现降烟碱可以产生致癌物质,烟草特异性亚硝胺。然而,CYP82E3作为CYP82E4的直系同源基因,具有95%的序列相似性,却没有尼古丁去甲基化活性。最近的定向突变实验发现单一的氨基酸替换（氨基酸序列330位点的胱氨酸突变为色氨酸）,完全恢复CYP82E3的活性。而同一个氨基酸的突变导致CYP82E4完全丧失活性。为了研究这两个酶蛋白的功能转化机制,本论文从蛋白质结构功能角度入手,应用同源建模方法,对其野生体和突变体（氨基酸序列长度大约480）,一共模拟构建了四个蛋白质的三维结构。观察模拟结构发现突变位点远离催化反应的活性中心。这表明突变位点和活性中心之间没有直接相互作用。应用分子动力学方法,模拟四个蛋白质在不同生物条件下的分子运动。模拟结果表明氨基酸突变导致整个蛋白结构浮动。而且,F螺旋和G螺旋之间的柔性区域,即柔性区域F-G （loop F-G）变化最大。继而,又利用主成分分析（principal component analysis, PCA）和协方差分析（covariance analysis）方法深入分析模拟过程中体系结构的运动变化。分析结果表明,氨基酸突变通过影响柔性区域F-G和B-C（loop B-C）的运动,间接地改变了反应底物,反应产物和副产物水的传递通道的开关活动。这些对单加氧酶反应至关重要的通道活动改变有可能直接导致催化活性彻底改变。更重要的是,我们发现螺旋Ⅰ的运动与柔性区域F-G和B-C的运动有关,而且突变引起螺旋Ⅰ的拉伸性质和弯曲性质的改变。这些结果表明通过氨基酸突变调节柔性区域F-G和B-C的运动,是间接通过改变螺旋Ⅰ的结构完成的。因此,通过这一级联反应最终导致P450单加氧酶活性彻底转变。2)利用已知植物细胞壁合成相关基因寻找潜在新细胞壁合成相关基因的研究。细胞壁作为植物体储存能量的主要部分,由多糖,木质素等构成。探索植物细胞壁合成相关基因是研究植物细胞壁合成和分解的重要工作。到目前为止,尽管已经投入大量努力,但是大部分细胞壁合成相关基因仍没有识别。因此,为彻底识别全部植物细胞壁合成相关基因,我们采用系统生物学方法,利用双向聚类原理分析351个不同实验条件下的拟南芥全基因组DNA芯片表达数据。最终,我们识别了217个潜在的细胞壁合成相关基因共表达网络模块（co-expression modules）,覆盖了349个已知细胞壁合成相关基因和2438个新识别的可能和细胞壁合成相关的基因。这些模块有可能代表拟南芥细胞壁合成过程中不同的通路或者执行特定功能的激酶复合物。另外,这些共表达基因中还包含102个转录调控因子,覆盖了45个转录蛋白家族。这些转录调控因子极有可能在细胞壁合成过程中起到重要的调节作用。而且,通过分析共表达基因上游的启动子区域,识别到大量的转录调控位点,覆盖了2334个基因。这些转录调控位点一共包括1329种序列模式,其中一半以上是功能已知的。通过合并以上的结果信息和比较已知的细胞壁合成基因注释,我们预测了217个通路或者激酶复合物的相关功能,并注释并分类了其中的2787个共表达基因的功能。到目前为止,本实验的全部数据结果已经开发成网上公共数据库,为研究植物细胞壁合成机理的生物学家提供大量高质量的信息http://csbl.bmb.uga.edu/publications/materials/shanwang/CWRPdb/ index.html。这两部分工作分别为深入了解P450单加氧酶的功能机制和系统研究植物细胞壁合成机理做出了理论参考。同时,也为今后改造尼古丁致癌性质和开发利用植物细胞壁中的生物能源提供基础理论支持。