随机基因表达与噪声

为什么基因相同的细胞在同一环境中会彼此不同，以及低拷贝数分子事件的随机性如何产生可测量的噪声。

Definition

随机基因表达是由于所涉及的少量分子和离散反应而产生的mRNA和蛋白质固有的随机生产，而噪声是由此产生的分子水平上细胞间的变异性。

Scope

本主题涵盖基因表达噪声的物理学：转录和翻译中涉及的少量分子如何使表达成为一个随机过程，如何将噪声量化并分解为内在和外在成分，以及变异性对细胞行为有何影响。它采用随机化学动力学框架，补充了相邻主题中的确定性观点和热力学观点。

Core questions

• 为什么基因表达在单细胞水平上是嘈杂的？
• 如何测量噪声并将其分为内在和外在两部分？
• 转录和翻译的爆发如何放大变异性？
• 表达噪声何时对细胞有害、可容忍甚至有用？

Key theories

内在噪声与外在噪声

Elowitz及其同事通过双报告基因实验区分了源于基因自身反应随机性（内在）的噪声和影响所有基因的全细胞波动（外在）的噪声，从而分离了这两种来源。

低拷贝数随机动力学

由于关键分子数量很少，表达受离散的随机反应事件控制，这些事件通常以爆发形式发生，因此分子数量会大幅波动，而不是遵循平滑的平均值。

Mechanisms

转录和翻译是作用于少量分子的离散化学事件序列，因此细胞中mRNA和蛋白质的数量作为随机过程而波动，而不是跟踪确定性平均值。转录通常以爆发形式发生，并且每个mRNA产生可变数量的蛋白质，从而放大变异性。实验上，通过从基因的独立拷贝表达两个相同的报告基因，可以将共享的、全细胞范围的波动（外在噪声）与独立的、基因特异性波动（内在噪声）分开，从而定量地了解细胞变异性的来源。

Clinical relevance

表达噪声导致了诸如药物反应变异性、微生物群体中的对冲（bet-hedging）以及细胞命运决定等现象，为这些生物学和医学问题提供了教育背景，而非临床指导。

History

将基因表达视为随机化学过程的理论处理先于实验；Elowitz及其同事在2002年进行的双报告基因测量使内在和外在噪声可以直接测量，并开启了细胞变异性的定量研究。

Key figures

• Michael Elowitz
• Peter Swain
• Adam Arkin

Seminal works

• elowitz2002
• phillips2012

Frequently asked questions

为什么相同的细胞表现不同？

因为基因表达的分子反应涉及少量分子且随机发生，即使在相同条件下具有相同基因的细胞，最终也会有不同的分子水平。

内在噪声和外在噪声有什么区别？

内在噪声来源于特定基因自身反应的随机性，而外在噪声来源于影响许多基因的全细胞波动，例如共享机制中的波动。