基因表达的随机性

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,基因表达的随机性：从理论到表型,张媛媛,2009,年,9,月,27,日,遗传上相同的细胞，在相同的环境下，可以表现出不同的分子含量及不同的表型特征。这种不同是与基因表达的随机性有关系的。,随机性产生原因：转录和翻译的波动,一般情况下，随机性对细胞功能有不利影响，但也有利影响,本文主要讨论内容,引起单个基因表达水平波动的理论机制,用来证实理论机制的实验研究,随机性对基因调控网络的影响的实验研究,给出了在同基因细胞群中导致表型不同的随机机制；得到了随机性对疾病的重要性的根据,随机性的起源和重要性,单个基因的表达模型,表示翻译效率,表示转录效率,图一提供了一个理论框架，以这个框架为基础理解随机性对原核和真核基因表达的影响,通过比较确定性和随机性模型下获得的细胞内蛋白质的浓度，说明单个基因表达的分子水平上的噪声,在满足一定条件（,很大，但比值为常数；,很大,，但比值为常数,）时，确定性模型和随机性模型预测的蛋白质浓度相似（图二,a,）,图二,分子水平噪音怎样影响基因表达,有限数影响和翻译突发,系统规模是产生基因表达随机性的重要因素：,对比图二,a,和,b,，当系统规模减小时，噪声增加（有限数影响）,比较图二,a,和,c,，,c,的转录比率相对于,a,减少,100,倍，,mRNA,的表达量减少,100,倍，但蛋白质表达量不变，相当于翻译比率增加,100,倍（翻译突发）,比较三个图：,a,、,c,比较，,c,有较高的翻译比率，和较低的,mRNA,表达量，出现波动的幅度比较大；而,b,、,c,比较，,c,只比,b,有较高的翻译比率，,c,相对于,b,的波动改变很小。,结论：转录比翻译影响基因表达随机性更强,翻译突发和噪声强度,一般情况下，用 衡量噪声，但有时从定性上考虑用 比较难区分，因此有时候也用 来说明噪声,但噪声强度增加，不一定噪声增加。当两个基因有相似含量的表达时，只能说明高噪声强度的基因随机性大,缓慢启动子动力学和转录突发,启动子的转换比率对分子水平噪声也有影响,图三,图三,a,和图二,a,比较，只是减小启动子转换比率（转录突发）,图三,b,，当启动子之间转换很慢时，蛋白质和,mRNA,的表达要么很高要么很低，出现双峰分布。这样就会在一个大的细胞群内，由于蛋白质表达水平的高低形成一个混合群,前面描述的翻译突发，是当启动子状态间转换很快时才有效。翻译突发在表现原核生物基因表达过程中的随机性上比较重要,相反，启动子状态间缓慢的转换在真核生物基因表达中比较重要。增加细胞群的异质性,真核生物中转录调控的两个不同的模式：,等级模式：所有细胞随诱导信号成比例改变,双峰模式：当诱导信号改变时，在单个细胞中，随机性比较极端,当启动子间状态转换比率减少时，等级反应就会变成双峰反应；启动子间状态转换比率的不同导致两个模式的出现。,转录诱导模型,转录诱导的三个可能的模式（图三,c,）,1,、平均转录比率随启动子失活比率的减少而增加。噪声强度有一个最大值,2,、平均转录比率随启动子活性比率的增加而增加。噪声强度是平均蛋白质丰富度的减函数,3,、平均转录比率随从活性启动子开始的转录比率的增加而增加。噪声强度是平均蛋白质丰富度的增函数,预测：转录突发在蛋白质含量的波动以及群体异质性的影响与诱导及诱导信号的强度有关,原核生物基因表达的随机性,原核生物中的翻译突发,噪声强度对翻译效率的反应比转录比率更敏感，且在枯草芽孢杆菌的研究中证实。,这些结果证实了翻译突发假设：在基因表达的相似水平，一个低转录比率和高翻译效率的组合引起高的基因表达噪声,区分噪声源,基因表达内部噪声：随机启动子活性、启动子失活、,mRNA,和蛋白质的生成和降解,基因表达外部噪声：与上述事件有关的影响比率常数的改变的因素。如基因调控信号，聚合酶和核糖体的含量等,为了衡量这两种噪声对群体异质性的作用，发展了双报告基因分析,图四,真核生物基因表达的随机性,真核生物的翻译突发,在对酵母的研究中，证实了翻译突发假设在真核中也成立,真核生物的转录突发,观察可知：在,B.subtilis,中，转录比率与噪声强度弱相关；而在,S.cerevisiae,中有很强的非线性关系（类似于图三,c,中的,red,）。可能的解释是：上游信号的改变和启动子状态间缓慢的转换,为了更进一步研究真核生物基因表达的随机性，也用双报告基因，对,S.cerevisiae,进行研究，证实转录诱导对内部噪音强度有重要影响。（类似于图,3c,的,blue,曲线）,通过对原核生物和真核生物基因表达随机性的研究，证实图一模型预测的理论机制,基因网络中的随机性,集中在设计遗传级联和涉及正负向自动调控的协同基因网络的研究,研究一个网络不同部分的随机性怎样影响表达结果,研究基于不同设计策略的协同基因网络,在基因调控级联中的随机性,转录级联中基因表达噪音传播的研究,1,、,Blake et al,在对酵母的研究中，,设计了两个调控步骤的转录级联。随着转录诱导信号水平的增加，报告基因的表达量非线性增加（图五,b,）,2,、,Hoosangi et al,在大肠杆菌群中设计,1,、,2,或,3,步调控衡量可变性。发现在转录诱导的中间水平都有高的种群异质性,3,、,Pedraza et al,研究了两步转录级联中的每一步的可变性，分离基因内在噪声和调控噪声。发现后者对目标基因表达的影响大,4,、,Hoosangi et al,研究了,3,步级联与,1,步级联的比较。发现，,1,步级联产生的噪声小,图五,有负反馈的基因网络,负反馈提供了一个减少噪声的机制,Becski,和,Serrano,比较了这种调控网络和没有反馈控制的可变性,有正反馈的基因网络,正反馈增加波动性和种群异质性,基因表达的随机性可以引起两个状态间的随机转换，产生一个双峰的群体分布。,Isaacs et al,证实了当反馈强度改变时，群体分布可以从双峰变到单峰,随机性在生物学上的重要性,微生物中，随机性的有利方面,在一个变化的环境中，同基因细胞的异质菌群比同源菌群有一个快的增长率,研究了三个反馈环（包括两个正向，一个负向）的作用。发现，正反馈环对于确定和分离种群两个不同表达状态比较重要,在发育和疾病中的随机性,预测随机性在高等生物体的细胞分化和发育中有重要作用,基因表达的随机性在疾病上的影响，研究了起因于转录因子单倍不足的疾病。证明了在保持基因表达量高于一个阈值上，二倍体细胞比单倍体有更高的概率。如果某个重要因素的表达量低于阈值，则可能意味着某种疾病的开始,噪声增加和单倍体不足综合症之间的关系仍需确定,未来方向,技术上的限制：在大细胞群中，衡量单个细胞中单个分子的随机合成和衰退受到限制,未来在荧光技术和高通量镜检技术的发展可能打开对基因表达的随机波动的影响的研究,对基因网络的研究集中在相对简单的人工网络，需要发展实验和数据分析技术，以实现对更复杂的调控网络随机性的研究,