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研究提出細菌單細胞表型間躍遷速率新理論

文章作者:www.utbltn.icu發布時間:2020-01-14瀏覽次數:1965

單個細胞通常具有多種表型,例如細胞中非常大或非常少的全或無現象,這對于細胞應對不可預測的環境變化是重要的。已知這種現象可以來自細胞調節中的正反饋機制,或來自基因在表達不同翻譯活性程度的狀態之間切換的機制。在過去十年中,單細胞精確測量技術的快速發展已經發現,在大多數細胞中,這兩種機制共存。

單細胞實驗還表明,至少在細菌中,具有不同活性程度的狀態之間的基因轉換不如轉錄和翻譯速率快,如在一些前輩的模型中所假設的那樣。與之前的其他模型不同,它比細胞分裂的周期慢得多。例如,在乳糖操縱子中,抑制蛋白與基因操縱子的解離和結合至少比細胞分裂周期快一個數量級,并且至少比轉錄和翻譯速率慢一個數量級。

近日,北京國際數學研究中心葛偉副教授,哈佛大學化學與生物化學系謝曉亮教授,西雅圖華盛頓大學應用數學系錢偉教授共同提出了一個新的轉變率理論在細菌單細胞表型之間。它描述了具有不同活性程度的狀態之間的切換速率如何影響單個細胞在不同表型之間轉換的速率。該論文于今年2月20日在[20x9A8B](物理評論快報)上發表。作者是葛偉副教授和謝曉亮教授。葛偉副教授和謝曉亮教授也是北京大學生物動力光學成像中心的研究員。

因此,本文著重討論這樣一個事實,即在具有不同活動程度的狀態之間切換這種基因既不特別快也不特別慢,因為這是最現實的。首先,在這種情況下,作者提出了比完整的化學主方程模型更簡化的速率波動模型,其中僅保留了具有不同活性程度的狀態之間切換的基因的隨機性。

接下來,作者在這個簡化模型中獲得了非平衡景觀函數,它類似于用于表征均衡統計物理中波動的能量函數;該景觀函數量化每個細胞表型內部波動和不同細胞表型之間轉換率的最高順序。這種表型轉換率理論與化學反應速率中眾所周知的Kramers理論相似,并且與過去的類似工作相比,更符合實際和更一般的生命細胞。

本文作者還將本文中的速率理論與前人在具有不同活動程度的狀態之間切換的速率理論進行了比較,無論是非常快還是非常慢。發現從定性到定量存在根本區別。這一新理論強調單個DNA分子的隨機行為對單個細胞的多種表型和功能具有顯著影響。

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