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研究提出细菌单细胞表型间跃迁速率新理论

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2020-01-14浏览次数:1965

单个细胞通常具有多种表型,例如细胞中非常大或非常少的全或无现象,这对于细胞应对不可预测的环境变化是重要的。已知这种现象可以来自细胞调节中的正反馈机制,或来自基因在表达不同翻译活性程度的状态之间切换的机制。在过去十年中,单细胞精确测量技术的快速发展已经发现,在大多数细胞中,这两种机制共存。

单细胞实验还表明,至少在细菌中,具有不同活性程度的状态之间的基因转换不如转录和翻译速率快,如在一些前辈的模型中所假设的那样。与之前的其他模型不同,它比细胞分裂的周期慢得多。例如,在乳糖操纵子中,抑制蛋白与基因操纵子的解离和结合至少比细胞分裂周期快一个数量级,并且至少比转录和翻译速率慢一个数量级。

近日,北京国际数学研究中心葛伟副教授,哈佛大学化学与生物化学系谢晓亮教授,西雅图华盛顿大学应用数学系钱伟教授共同提出了一个新的转变率理论在细菌单细胞表型之间。它描述了具有不同活性程度的状态之间的切换速率如何影响单个细胞在不同表型之间转换的速率。该论文于今年2月20日在[20x9A8B](物理评论快报)上发表。作者是葛伟副教授和谢晓亮教授。葛伟副教授和谢晓亮教授也是北京大学生物动力光学成像中心的研究员。

因此,本文着重讨论这样一个事实,即在具有不同活动程度的状态之间切换这种基因既不特别快也不特别慢,因为这是最现实的。首先,在这种情况下,作者提出了比完整的化学主方程模型更简化的速率波动模型,其中仅保留了具有不同活性程度的状态之间切换的基因的随机性。

接下来,作者在这个简化模型中获得了非平衡景观函数,它类似于用于表征均衡统计物理中波动的能量函数;该景观函数量化每个细胞表型内部波动和不同细胞表型之间转换率的最高顺序。这种表型转换率理论与化学反应速率中众所周知的Kramers理论相似,并且与过去的类似工作相比,更符合实际和更一般的生命细胞。

本文作者还将本文中的速率理论与前人在具有不同活动程度的状态之间切换的速率理论进行了比较,无论是非常快还是非常慢。发现从定性到定量存在根本区别。这一新理论强调单个DNA分子的随机行为对单个细胞的多种表型和功能具有显着影响。