基因表达的随机性.ppt

基因表达的随机性
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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
基因表达的随机性
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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
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：，转录比率与噪声强度弱相关；（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，，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