Biểu hiện gen ngẫu nhiên và nhiễu

Tại sao các tế bào giống hệt nhau về mặt di truyền trong cùng một môi trường lại khác nhau, và làm thế nào sự ngẫu nhiên của các sự kiện phân tử ở số lượng bản sao thấp tạo ra nhiễu có thể đo lường được.

Definition

Biểu hiện gen ngẫu nhiên là sự sản xuất mRNA và protein vốn dĩ ngẫu nhiên phát sinh từ số lượng nhỏ và các phản ứng rời rạc liên quan, và nhiễu là sự biến thiên tế bào-tế bào về mức độ phân tử do đó.

Scope

Chủ đề này bao gồm vật lý của nhiễu biểu hiện gen: cách số lượng phân tử nhỏ liên quan đến quá trình phiên mã và dịch mã làm cho biểu hiện trở thành một quá trình ngẫu nhiên, cách nhiễu đó được định lượng và phân tách thành các thành phần nội tại và ngoại lai, và những hậu quả mà sự biến thiên gây ra đối với hành vi tế bào. Nó sử dụng khuôn khổ động học hóa học ngẫu nhiên, bổ sung cho các quan điểm xác định và nhiệt động lực học trong các chủ đề lân cận.

Core questions

• Tại sao biểu hiện gen lại có nhiễu ở cấp độ tế bào đơn?
• Làm thế nào có thể đo lường và tách nhiễu thành các phần nội tại và ngoại lai?
• Làm thế nào các đợt phiên mã và dịch mã khuếch đại sự biến thiên?
• Khi nào nhiễu biểu hiện có hại, được dung nạp, hoặc thậm chí hữu ích cho tế bào?

Key theories

Nhiễu nội tại so với nhiễu ngoại lai

Elowitz và các đồng nghiệp đã phân biệt nhiễu phát sinh từ sự ngẫu nhiên của các phản ứng của chính một gen (nội tại) với các dao động toàn tế bào ảnh hưởng đến tất cả các gen (ngoại lai) bằng cách sử dụng một thí nghiệm hai báo cáo viên để tách hai nguồn này.

Động học ngẫu nhiên số lượng bản sao thấp

Vì các phân tử chủ chốt có mặt với số lượng nhỏ, biểu hiện được điều chỉnh bởi các sự kiện phản ứng rời rạc, ngẫu nhiên, thường xảy ra theo đợt, do đó số lượng phân tử dao động đáng kể thay vì theo một mức trung bình mượt mà.

Mechanisms

Phiên mã và dịch mã là các chuỗi sự kiện hóa học rời rạc tác động lên số lượng phân tử nhỏ, do đó số lượng mRNA và protein trong một tế bào dao động như một quá trình ngẫu nhiên hơn là theo dõi một mức trung bình xác định. Phiên mã thường xảy ra theo đợt, và mỗi mRNA tạo ra một số lượng protein thay đổi, khuếch đại sự biến thiên. Về mặt thực nghiệm, việc biểu hiện hai báo cáo viên giống hệt nhau từ các bản sao riêng biệt của một gen cho phép các dao động chung, toàn tế bào (nhiễu ngoại lai) được tách ra khỏi các dao động độc lập, đặc trưng cho gen (nhiễu nội tại), cung cấp một cách định lượng để xử lý các nguồn biến thiên tế bào.

Clinical relevance

Nhiễu biểu hiện góp phần vào các hiện tượng như đáp ứng thuốc thay đổi, chiến lược phòng ngừa rủi ro (bet-hedging) trong quần thể vi sinh vật và các quyết định về số phận tế bào, cung cấp bối cảnh giáo dục cho những câu hỏi sinh học và y tế đó hơn là hướng dẫn lâm sàng.

History

Việc xử lý lý thuyết về biểu hiện gen như một quá trình hóa học ngẫu nhiên đã có trước các thí nghiệm; các phép đo hai báo cáo viên năm 2002 của Elowitz và các đồng nghiệp đã làm cho nhiễu nội tại và ngoại lai có thể đo lường trực tiếp và khởi xướng nghiên cứu định lượng về sự biến thiên tế bào.

Key figures

• Michael Elowitz
• Peter Swain
• Adam Arkin

Seminal works

• elowitz2002
• phillips2012

Frequently asked questions

Tại sao các tế bào giống hệt nhau lại có hành vi khác nhau?

Bởi vì các phản ứng phân tử của biểu hiện gen liên quan đến số lượng phân tử nhỏ và xảy ra ngẫu nhiên, ngay cả các tế bào có cùng gen trong cùng điều kiện cũng có mức độ phân tử khác nhau.

Sự khác biệt giữa nhiễu nội tại và nhiễu ngoại lai là gì?

Nhiễu nội tại đến từ sự ngẫu nhiên của các phản ứng của một gen cụ thể, trong khi nhiễu ngoại lai đến từ các dao động toàn tế bào—chẳng hạn như trong bộ máy chung—ảnh hưởng đến nhiều gen cùng một lúc.