2012年9月2日 訊 /生物谷BIOON/ --近日，刊登在國(guó)際著名雜志PLoS Computational Biology上的一篇研究報(bào)告中,，來自萊斯大學(xué)和田納西大學(xué)的研究者提出了操縱子存在的一種可能解釋,，操縱子是由若干基因構(gòu)成的一種基因簇，是在細(xì)菌的染色體中發(fā)現(xiàn)的,，然而在高等動(dòng)物如人類中并沒有發(fā)現(xiàn)操縱子的存在,。
研究者M(jìn)onod和Jacob首次發(fā)現(xiàn)了操縱子，并因此獲得了1965年的諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng),。這項(xiàng)研究中,，研究者lgoshin和Ray通過應(yīng)用數(shù)學(xué)和生物信息學(xué)技術(shù)來研究細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及其它的生化反應(yīng)過程。當(dāng)細(xì)胞對(duì)環(huán)境作出反應(yīng)后,，其可以用來調(diào)節(jié)子來控制基因的表達(dá),，但是控制量卻非常有限，就好比是信使RNA分子一樣非常有限,。因此在細(xì)菌中,，基因所表達(dá)的蛋白量是在不斷變化著的，這一小時(shí)是50拷貝,，下一拷貝就有可能變成100拷貝。這種隨機(jī)的變化對(duì)于原核細(xì)胞并不是問題,，因此研究者假設(shè)操縱子可以幫助細(xì)菌處理這些繁瑣的過程,。
為了驗(yàn)證這些假設(shè)，研究者開發(fā)出了一系列基于基因網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型,，其可以在電腦上進(jìn)行運(yùn)行,，而且研究者在生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)中可以模擬一些實(shí)驗(yàn)。數(shù)學(xué)模型涵蓋了6種不同類型的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)反應(yīng),，對(duì)于每一種反應(yīng)來說,，研究者都對(duì)比了操縱子如何影響成員基因所編碼的基因網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜狀況。研究者檢測(cè)了大腸桿菌基因組的操縱子構(gòu)架,，發(fā)現(xiàn)不同的編碼反應(yīng)可以抑制這種比較復(fù)雜的過程時(shí),，操縱子出現(xiàn)地非常頻繁,。當(dāng)編碼反應(yīng)不抑制時(shí)，操縱子就不會(huì)頻繁出現(xiàn),。
研究者lgoshin說,，在大腸桿菌進(jìn)化過程中出現(xiàn)的操縱子與選擇性的進(jìn)化是分不開的。特定的基因,，當(dāng)其作為一個(gè)單元一起進(jìn)行表達(dá)時(shí),，往往會(huì)更好地展現(xiàn)其功能，尤其是這些基因可以產(chǎn)生共同的成分,。
如果我們需要從不同的物種中得到多重的酶類,，并且將其移植入細(xì)菌中，然后產(chǎn)生低廉高效的藥物,，那么我們就需要將表達(dá)不同酶類的基因插入到細(xì)菌染色體的不同位置,，但是如今研究者的研究發(fā)現(xiàn)可以明顯簡(jiǎn)化此過程，相關(guān)研究成果由國(guó)家醫(yī)學(xué)圖書館計(jì)算生物學(xué)協(xié)會(huì)等機(jī)構(gòu)提供資助,。（生物谷Bioon.com）
編譯自：Mystery of Operon Evolution Probed
doi:10.1371/journal.pcbi.1002672
PMC:
PMID:
Interplay of Gene Expression Noise and Ultrasensitive Dynamics Affects Bacterial Operon Organization
J. Christian J. Ray1,2, Oleg A. Igoshin1,2*
Bacterial chromosomes are organized into polycistronic cotranscribed operons, but the evolutionary pressures maintaining them are unclear. We hypothesized that operons alter gene expression noise characteristics, resulting in selection for or against maintaining operons depending on network architecture. Mathematical models for 6 functional classes of network modules showed that three classes exhibited decreased noise and 3 exhibited increased noise with same-operon cotranscription of interacting proteins. Noise reduction was often associated with a decreased chance of reaching an ultrasensitive threshold. Stochastic simulations of the lac operon demonstrated that the predicted effects of transcriptional coupling hold for a complex network module. We employed bioinformatic analysis to find overrepresentation of noise-minimizing operon organization compared with randomized controls. Among constitutively expressed physically interacting protein pairs, higher coupling frequencies appeared at lower expression levels, where noise effects are expected to be dominant. Our results thereby suggest an important role for gene expression noise, in many cases interacting with an ultrasensitive switch, in maintaining or selecting for operons in bacterial chromosomes./P>
