利用基因表達(dá)隨機(jī)性去了解基因調(diào)控機(jī)制

1、姓名：余君涵 學(xué)號：2012207389Using Gene Expressi on Noise to Un dersta nd Gene Regulati on一般情況下，表型是由基因型和環(huán)境因素所決定的。但是，在很多情況下，相同的基因型、相同的環(huán)境下，表型卻存在著差異。 基因表達(dá)的隨機(jī)性已經(jīng)被認(rèn)為是造成這種差異性的 主要來源。近來很多研究表明， 基因表達(dá)的隨機(jī)性與基因調(diào)控機(jī)制有著緊密的聯(lián)系。 可以利 用一些離散的動態(tài)模型去描述細(xì)胞間蛋白質(zhì)和mRN冰平的差異性，這可以很好的認(rèn)識基因調(diào)控機(jī)制。組成型基因表達(dá)模型dm 'm-t這是一種最簡單的模型，它可以描述組成型基因的表達(dá)。 在這種模型

2、中，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的分 布符合泊松分布，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的產(chǎn)生和降解是兩個相對獨立的過程， 互不影響。即可以用下面 的微分表達(dá)式表示。時刻轉(zhuǎn)錄總量R-轉(zhuǎn)錄生成速率丫 R-降解速率在一小段時間dt內(nèi)，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的生成量為 KRdt，產(chǎn)物降解量為 mT Rdt，即t+dt時刻 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的總量為 m Kdt my RdtZenklusen等人利用單分子熒光原位雜交技術(shù)（用大量熒光修飾的 DNA寡核苷酸去標(biāo)記內(nèi)源性的mRNA專錄物，再用熒光顯微鏡去探測每個mRNA分子的準(zhǔn)確位置，做出衍射點圖）測量酵母細(xì)胞中特定 mRNA分子的數(shù)量，研究發(fā)現(xiàn)，這些管家基因 MDN1, KAP104和DOA1的 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在細(xì)胞中的分布符

3、合泊松分布，并且通過測量細(xì)胞核中新生的mRNA量發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的產(chǎn)生與降解互不影響。這些都與組成型表達(dá)模型很好的吻合，因此，該模型是對組成型基因表達(dá)的很好描述。雙狀態(tài)模型可調(diào)控基因產(chǎn)物的分布已經(jīng)偏離了泊松分布，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的生成與降解也相互影響，因此不能用組成型基因表達(dá)模型來描述。研究表明，雙狀態(tài)模型可以很好的描述可調(diào)控基因的表 達(dá)。Regulatedgene expression:off狀態(tài)向on狀態(tài)的轉(zhuǎn)換速率:on狀態(tài)向off狀態(tài)的轉(zhuǎn)換速率R：轉(zhuǎn)錄生成速率丫 R-：降解速率在這個模型中，啟動子有兩種狀態(tài)，on狀態(tài)和off狀態(tài)。在off狀態(tài)，染色體處于封閉的狀態(tài)，這時轉(zhuǎn)錄因子不可到達(dá)結(jié)合位點，沒有

4、轉(zhuǎn)錄發(fā)生。在on狀態(tài)，染色體處于開放活躍狀態(tài)，這時轉(zhuǎn)錄因子可以到達(dá)結(jié)合位點，轉(zhuǎn)錄可發(fā)生。該模型定義了一個 Fano因子（貳而），它是mRN/拷貝數(shù)分布的方差與均值的比值,可以定量描述轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的分布與泊松分布的偏離，能夠很好地反映可調(diào)控基因的調(diào)控機(jī)制。Fano因子也可以由下式表示瀝二 （卜血協(xié)"際+伽+yJfon：處于on狀態(tài)的細(xì)胞所占的百分?jǐn)?shù)foff :處于off狀態(tài)的細(xì)胞所占的百分?jǐn)?shù)可以通過以下熱譜圖來描述在既定的轉(zhuǎn)錄生成速率&下，Kon與Koff對Fano因子的影響。1屮 to1 訶 10'1 廳 103從圖中可以看出，即使在轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物總量不變的情況下，F(xiàn)a no因

5、子因Kon、Koff的變化發(fā)生明顯改變。mRNA勺分布圖也發(fā)生明顯改變。如下圖所示：150200.D4.03.02.0105010050100150200tnRNA copy number050100150200這三種分布圖中， mRNA勺總量恒定，均值為 25。 區(qū)域，Kon和Koff均很小，即細(xì)胞在兩狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換速率很慢，細(xì)胞長時間處于on或者off狀態(tài)。因此呈現(xiàn)雙峰分布。 區(qū)域，Kon很小，Koff很大，即大部分細(xì)胞處于 off狀態(tài)，但也存在少量的 mRNA激 增的現(xiàn)象，則得到了一個長的分布尾。 區(qū)域，Kon很大，Koff很小，即大部分細(xì)胞處于 on狀態(tài)，產(chǎn)物連續(xù)生成，因此產(chǎn)生 類似于組

6、成型基因的泊松分布圖。一個細(xì)胞可以通過增加 Kon或者降低Koff將mRNA平均拷貝量從2增加到25 （如熱譜 圖所示），增加Kon可以將型表型轉(zhuǎn)化為型表型，類似泊松分布；相反地，減少Koff可以將型表型轉(zhuǎn)化為型表型，產(chǎn)生雙峰分布。因此，盡管在這兩種調(diào)節(jié)機(jī)制下，mRNA的拷貝數(shù)發(fā)生了相同的變化，但是單個細(xì)胞的動態(tài)分布圖卻很大差異。通過研究這種差異來了解基因調(diào)控機(jī)制。從波動基因之間的相關(guān)性來推斷基因調(diào)控相互作用大多數(shù)胞內(nèi)蛋白質(zhì)可進(jìn)行隨機(jī)波動，它可以激活或抑制下游的過程，從而引入有價值的擾動。因此在同一個細(xì)胞中檢測多個轉(zhuǎn)錄物或者蛋白質(zhì)時，可以通過分析不同物質(zhì)之間如何相互聯(lián)系來得到額外的重要信息。在

7、以往的實驗中，這種相關(guān)性分析主要集中用于大腸桿菌的合成基因網(wǎng)絡(luò)分析，在相同細(xì)胞中檢測幾個基因的表達(dá)水平，通過分析兩兩之間的不同， 可以確定主要的波動源。為了研究單細(xì)胞波動的動態(tài)相關(guān)性，弓I入了交叉相關(guān)函數(shù)Rxy,Rxy（t） =+ l）y（T）/axOY函數(shù)表征：Y在t時刻的波動對X在t+時刻的量的影響 上式中，表示X、Y的協(xié)方差，6 X 6 y表示X, Y的標(biāo)準(zhǔn)差R值的正負(fù)對應(yīng)的是正負(fù)調(diào)控，R圖像的峰對應(yīng)的時間反應(yīng)的是調(diào)控中的因果關(guān)系。例如:圖中FXy值為正值，說明 X Y之間的關(guān)系是激活關(guān)系而非抑制關(guān)系；圖像的峰值對應(yīng)的時間為正值，說明Y在t時刻的波動對 X在t+時刻的量產(chǎn)生了影響。此圖像中的藍(lán)色實線反映的關(guān)系：X激活Y圖中FXy值為正值，說明 X Y之間的關(guān)系是激活關(guān)系而非抑制關(guān)系；圖像的峰值對應(yīng)的時間為負(fù)值，說明不是Y對X產(chǎn)生了影響，而是 X對Y產(chǎn)生了影響。展望單個細(xì)胞內(nèi)的各組分的含量的可變性包含著許多豐富的信息，這些信息可以對特定基因的調(diào)控現(xiàn)象以及