在生命科學(xué)研究中，KEGG 通路圖是理解基因功能、代謝網(wǎng)絡(luò)和疾病機(jī)制的核心工具。但面對密密麻麻的節(jié)點(diǎn)和箭頭，很多人直呼 “像天書一樣難懂"。別擔(dān)心，這篇指南將用通俗的語言和實(shí)操案例，帶你一步步揭開 KEGG 通路圖的神秘面紗。
第一部分：KEGG概覽
KEGG（Kyoto Encyclopediaof Genesand Genomes，京都基因與基因組百科全書）是一個(gè)整合基因、代謝物、疾病等信息的數(shù)據(jù)庫（（圖1是KEGG全景概覽，可以說包羅萬象，不愧是百科全書），而通路圖是它的 “靈魂"。簡單來說，它用圖形化的方式展示了生物體內(nèi)基因/蛋白、化合物之間的相互作用網(wǎng)絡(luò)，比如代謝反應(yīng)、信號傳遞、疾病相關(guān)通路等。
舉個(gè)例子：當(dāng)你研究腫瘤細(xì)胞的能量代謝時(shí)，KEGG 通路圖會(huì)告訴你，葡萄糖如何通過糖酵解轉(zhuǎn)化為丙酮酸，丙酮酸又如何進(jìn)入三羧酸循環(huán)產(chǎn)生能量 —— 這就是“糖酵解/糖異生通路（map00010）"的核心邏輯。通路圖就像一張“生物地圖"，幫你快速定位關(guān)鍵分子和調(diào)控路徑。
更新： 知識庫和網(wǎng)站功能不定期更新，最近一次更新Release 115.1, August 1, 2025（圖2）
圖1
圖2
用途：
1. 包含16個(gè)子數(shù)據(jù)庫，有代謝通路、基因信息、化合物、酶、藥物等等（見圖3），均包含大量有用的信息，但最經(jīng)常使用的是KEGG PATHWAY查詢與分析。（見圖4）
圖3
圖4
知識點(diǎn)：KEGG數(shù)據(jù)庫中包括各種數(shù)據(jù)對象，這些內(nèi)容均配有標(biāo)識符（KEGG ID）標(biāo)識，標(biāo)識符由一個(gè)與數(shù)據(jù)庫相關(guān)的前綴加上五個(gè)數(shù)字構(gòu)成。（見圖5）
圖5
特別說明：1個(gè)子數(shù)據(jù)庫可能有1個(gè)或者多個(gè)前綴，如KEGG Pathway中，就有map、ko、ec、rn以及 <org>5種前綴，分別代表不同的子類（請看后面的“KEGG Pathway 的5小類"）
2. KEGG Pathway數(shù)據(jù)庫將生物代謝通路劃分為7大類（1級分類）（見圖6），分別為：新陳代謝（Metabolism）、遺傳信息處理（Genetic Information Processing）、環(huán)境信息處理（Environmental Information Processing）、細(xì)胞過程（Cellular Processes）、生物體系統(tǒng)（Organismal Systems）、人類疾病（Human Diseases），藥物開發(fā)（Drug Development）[網(wǎng)頁版KEGG]。其中每大類又被系統(tǒng)分類為B、C、D 3個(gè)級別。其中B級分類目前包括有50種子功能：C級分類即為代謝通路圖：D級分類為每個(gè)代謝通路圖的具體注釋信息。
圖6
第二部分：實(shí)際操作
1. 登陸KEGG的，進(jìn)入KEGG首頁。點(diǎn)擊“kegg pathway"，將會(huì)進(jìn)入kegg的通路列表，如圖7。從這個(gè)列表，我們可以知道，kegg的通路分類也是分層級的。層級一共可以分為三級。以下圖7為例，在Metabolism為1級，其下面包括了“Global and overview maps"、“Carbohydrate metabolism"、“Energy metabolism"等十幾個(gè)B級通路。而B級通路下又會(huì)包含若干C級通路。比如圖7中的“Global and overview maps"下面又包含了若干個(gè)下一級（C級）通路如“Glycolysis / Gluconeogenesis"。我們通常看生信分析KEGG的結(jié)果，看到的通路名稱其實(shí)就是C級的結(jié)果。點(diǎn)擊“Glycolysis / Gluconeogenesis"即進(jìn)入“Glycolysis / Gluconeogenesis"代謝通路圖。
圖7
知識點(diǎn)：KEGG Pathway的5個(gè)小類：（具體操作如圖8）
ü map - manually drawn reference pathways linked to KO, EC, and reaction entries
? 手工繪制的通路圖
? 通路圖的框無填充色;代謝相關(guān)的通路圖中，方框鏈接對應(yīng)的基因、該基因編碼的酶以及這個(gè)酶參加的反應(yīng);非代謝相關(guān)通路中，方框鏈接對應(yīng)的基因
ü ko - reference pathway highlighting KOs (blue boxes)
? ko編號，KEGG中的基因標(biāo)識符，不同物種間相同的基因ko號一樣
? 通路圖的框填充淺紫色;通路圖中的框只鏈接對應(yīng)的基因
ü ec - reference metabolic pathway highlighting EC numbers (blue boxes)
? EC編號，例如3.1.3.10，是國際酶學(xué)委員會(huì)對葡萄糖-1-磷酸酶(glucose-1-phosphatase)設(shè)定的識別編號
? 通路圖的框填充藍(lán)色;通路中的框只鏈接相關(guān)的酶
ürn - reference metabolic pathway highlighting reactions (blue boxes)
? 通路圖的框填充藍(lán)色;通路中的框只鏈接該點(diǎn)參與的某個(gè)反應(yīng)、反應(yīng)物及反應(yīng)類型
ü org - organism-specific pathway maps for "org" linked to gene entries (green boxes)
? 物種特異的通路圖，前綴是物種名稱的縮寫，如人類是hsa，小鼠是mmu
? 通路圖的框填充綠色(沒有填充色的表示該物種中沒有該基因)，通路中的框鏈接該物種對應(yīng)該基因的信息
圖8
2. 可與其他大型數(shù)據(jù)庫鏈接，可同時(shí)檢索相關(guān)的基因組信息數(shù)據(jù)，如NCBI、ENSEMBL等。
第三部分：怎么看懂KEGG信號通路圖
1. 首先KEGG信號通路圖是由很多元素組成的，本質(zhì)是一副線框圖，即由點(diǎn)和線構(gòu)成的基因-代謝物關(guān)系圖，要讀懂這張圖，我們需要先了解這些元素代表什么。我們以“FoxO signaling pathway"這個(gè)通路圖為案例，介紹KEGG通路圖中各個(gè)元素的含義。
圖9
知識點(diǎn)：kegg中各元素的含義（不記得各元素代表什么沒關(guān)系，點(diǎn)擊通路圖上方的“Help"里面有詳細(xì)說明）
圖10
? 點(diǎn)代表通路圖中的節(jié)點(diǎn)，主要由基因、代謝物和上下游隔壁通路構(gòu)成。如上圖，對應(yīng)三種不同的形狀的符號（長方形、圓點(diǎn)和鈍角長方形）。
? 線代表通路中分子的互作關(guān)系，主要由幾類箭頭構(gòu)成，具體意義也請見上圖。
? 三類關(guān)系：就是點(diǎn)和線構(gòu)成的分子間的關(guān)系類型。關(guān)系類型可以分為蛋白-蛋白互作關(guān)系，基因表達(dá)關(guān)系和酶-酶關(guān)系。
? 鈍角方框暗示這個(gè)通路其實(shí)有著非常復(fù)雜的過程，是與該通路相關(guān)的另外一個(gè)通路，具體過程請點(diǎn)擊查閱另外一個(gè)通路。
kegg通路圖之間并非孤立的，而是常常會(huì)標(biāo)注該通路中的基因或代謝物來自或流向其他隔壁的通路。或者，該通路中的某個(gè)看起來非常簡單的步驟，其實(shí)有非常復(fù)雜的構(gòu)成，需要在另外一個(gè)通路中才能詳細(xì)展開。那么，這個(gè)相關(guān)的通路也會(huì)在圖中標(biāo)注出來。
圖11
點(diǎn)擊“FoxO signaling pathway"中的FOXO這個(gè)基因，就會(huì)跳轉(zhuǎn)到FOXO基因的介紹頁面。在基因介紹的部分，涉及的信息主要包括：（1）基因信息（Entry, Name, Definition）（2）Pathway，該基因參與了哪些通路（3）Disease，該基因涉及哪些疾病（4）Brite，該基因涉及的通路的分級關(guān)系（5）genes，該基因的各個(gè)物種中的同源基因。前三個(gè)字母是這個(gè)物種拉丁名的簡寫，例如，HSA代表人。（6）該基因的參考文獻(xiàn)的信息。kegg提供的參考文獻(xiàn)都是比較經(jīng)典的關(guān)于這個(gè)基因的文獻(xiàn)，值得翻一翻。
特別說明：
? kegg中的基因是以功能分類的，所以每個(gè)通路節(jié)點(diǎn)的基因代表的是一類功能基因（或者說是一個(gè)基因家族）。比如FOXO在人體內(nèi)就有FOXO6、FOXO1、FOXO3、FOXO4四個(gè)同源基因。所以，下次你看到kegg通路某個(gè)位置既有基因上調(diào)也有基因下調(diào)，不要感到意外，因?yàn)檫@個(gè)位置不止有1個(gè)基因。
? 該基因在其他物種中的同源基因kegg也會(huì)提供列表。不過也主要集中在一些模式生物，其他非模式生物不會(huì)提供這些信息或者提供的不全。所以，非模式生物往往需要我們自己進(jìn)行kegg注釋。
2. 其次生物體內(nèi)信號通路交叉調(diào)控，形成了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，因此KEGG中的通路圖，大多也是幾個(gè)通路膠合在一起的，再看通路圖時(shí)，我們需要化繁為簡。
圖12
? 在通路圖中，可以目標(biāo)分子出發(fā)，任一經(jīng)過該點(diǎn)的線，都可認(rèn)為是一條信號通路骨架，如上圖紅色箭頭所示從左到右，表示上下游關(guān)系
? 可以看到，FOXO上游還先后受Insulin和Pl3k-Akt兩個(gè)信號通路調(diào)控，下游可調(diào)控細(xì)胞周期、凋亡、自噬等多種過程
? Insulin信號通路，可點(diǎn)擊上方的 “Insulin signaling pathway“進(jìn)入該通路的圖譜。細(xì)胞外的胰島素（INS）跟細(xì)胞膜上的胰島素受體（INSR）結(jié)合，激活底物（IRS）
? Pl3k-Akt信號通路。上游被激活的IRS促進(jìn)Pl3k活性，Pl3k催化PIP2生成PIP3，從而激活磷脂酰肌醇依賴性激酶（PDK1/2），PDK1/2可以促進(jìn)Akt磷酸化
? FOXO信號通路：細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的FOXO會(huì)進(jìn)入細(xì)胞核，調(diào)控DNA轉(zhuǎn)錄，影響P21、P27的表達(dá)，從而影響細(xì)胞周期；而其上游磷酸化的Akt則可通過促進(jìn)FOXO磷酸化，從而抑制FOXO入核，抑制其功能
3. 最后，在通路圖中，我們只能獲得通路的上下游關(guān)系以及調(diào)控方式信息，更多細(xì)節(jié)比如，Akt如何通過磷酸化FOXO抑制其入核，具體磷酸化哪個(gè)位點(diǎn)，則需進(jìn)一步檢索相關(guān)文獻(xiàn)了解。
KEGG PATHWAY數(shù)據(jù)庫是進(jìn)行基因功能分析和代謝網(wǎng)絡(luò)研究的強(qiáng)有力工具，不管你是做轉(zhuǎn)錄組、蛋白組還是微生物組，相信通過今天的分享大家已經(jīng)能看懂KEGG通路圖了。在后續(xù)的文章中，我們將逐漸解析學(xué)習(xí)一些經(jīng)典的信號通路。你對些通路比較感興趣呢？歡迎留言，我們將陸續(xù)安排解讀。
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