科學(xué)家們近日首次實現(xiàn)了對物種在整個表達譜范圍內(nèi)的蛋白表達噪聲測量,。該項成果是單分子技術(shù)與系統(tǒng)生物學(xué)交互融合的典范，預(yù)示了單細胞基因表達分析時代的來臨,。
在基因表達研究領(lǐng)域，傳統(tǒng)的研究方法是在同等條件下磨碎大量細胞,，然后測量基因產(chǎn)物的數(shù)量,，例如mRNA和蛋白。然而最近的研究卻發(fā)現(xiàn),，看起來完全相同的單個細胞實際上表達水平完全是隨機的,，存在著巨大的個體差異，科學(xué)家稱之為“噪音”,?？茖W(xué)家們在研究單細胞生物體的“噪音”時發(fā)現(xiàn)，即使是基因完全相同的細胞其行為也是完全不同的,。測量不同生物體內(nèi)的蛋白表達噪音可以幫助科學(xué)家們了解生命的演化和功能,。
哈佛大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)系謝曉亮小組最新的研究成果將該領(lǐng)域帶入了一個新的高度。 7月30日最新一期美國《科學(xué)》（Science）發(fā)表了題為《大腸桿菌蛋白組及轉(zhuǎn)錄物單分子水平測量》的論文,，報道了大腸桿菌的1018個基因在單個細胞內(nèi)的絕對表達數(shù)以及各個細胞間的差異,，這些基因占了大腸桿菌全基因組的四分之一左右。他們還同時測量了其中137個大量表達的基因的mRNA分子數(shù)量。
盡管在同基因組細菌群的細胞中,，蛋白和mRNA拷貝數(shù)差異巨大,，不過通常數(shù)量較小，難以在單分子水平上檢測,。謝曉亮小組的研究人員利用自己搭建的一套全新的大腸桿菌黃色熒光蛋白融合庫,，成功地實現(xiàn)了單個細胞內(nèi)在單分子水平對整個表達譜范圍內(nèi)的蛋白和mRNA的定量分析。
該項研究有兩個驚人的發(fā)現(xiàn),。首先,，20%的蛋白質(zhì)表達水平很低，小于每個細胞一個分子,。研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)表達水平較低的時候,，幾乎所有的蛋白分布均可用兩個參數(shù)的伽瑪分布來描述，也就是mRNA的轉(zhuǎn)錄速率和每個mRNA分子表達為蛋白質(zhì)的數(shù)量,。而當(dāng)表達水平較高的時候,，分布圖被其他的外部噪音所充斥。
作者的另一重要發(fā)現(xiàn)是,，單細胞中某基因在某一時刻的mRNA表達拷貝數(shù)與其蛋白表達拷貝數(shù)無關(guān),，由此可見，單個細胞中的蛋白組分析與轉(zhuǎn)錄物分析是沒有關(guān)聯(lián)的,。由于細胞中某些功能基因的蛋白質(zhì)和絕大多數(shù)mRNA的拷貝數(shù)都相當(dāng)?shù)?，這項研究成果提供的方法將大大促進科學(xué)家對基因隨機表達和調(diào)控的理解。
這種關(guān)聯(lián)性缺失的一個原因是mRNA分子和蛋白質(zhì)分子在細胞內(nèi)的壽命長短不同,。mRNA只存在幾分鐘,，而蛋白質(zhì)分子可以存在數(shù)個小時，大大超過細胞周期,。此外,，對很多細胞而言，一些蛋白的唯一來源來自于母細胞,，而mRNA只是偶爾產(chǎn)生,。這就導(dǎo)致了在細胞分裂過程中某些蛋白質(zhì)分子分配不均衡，這種現(xiàn)象在哺乳動物細胞中同樣存在,。
同一期《科學(xué)》雜志還發(fā)表了美國新澤西醫(yī)學(xué)與口腔學(xué)大學(xué)公共衛(wèi)生研究所Sanjay Tyagi的評論文章,，文章標題是“Genomics: E. coli, What a Noisy Bug”。評論認為,，弄清楚大腸桿菌全基因組中相當(dāng)一部分的mRNA和蛋白表達水平以及差異性后,，下一步可以做的就是研究噪音是如何隨著基因表達通道傳遞的，在這個傳遞過程中一個蛋白的數(shù)量可以影響到另一個蛋白的表達,。另一個可能的研究方向是探索細胞是如何調(diào)節(jié)那些需要同步協(xié)作的蛋白質(zhì)表達,?？茖W(xué)家還可以通過研究其他相關(guān)生物體的全基因組表達，或者同一個生命體在不同條件下(例如在焦慮的時候或者衰老過程中)的表達譜,，來確定噪音僅僅限制了基因表達，還是對進化選擇具有重要意義,。(生物谷Bioon.com)
生物谷推薦原文出處：
Science DOI: 10.1126/science.1188308
Quantifying E. coli Proteome and Transcriptome with Single-Molecule Sensitivity in Single Cells
Yuichi Taniguchi,1,* Paul J. Choi,1,* Gene-Wei Li,1,2,* Huiyi Chen,1,3,* Mohan Babu,4 Jeremy Hearn,1 Andrew Emili,4,5 X. Sunney Xie1,
Protein and messenger RNA (mRNA) copy numbers vary from cell to cell in isogenic bacterial populations. However, these molecules often exist in low copy numbers and are difficult to detect in single cells. We carried out quantitative system-wide analyses of protein and mRNA expression in individual cells with single-molecule sensitivity using a newly constructed yellow fluorescent protein fusion library for Escherichia coli. We found that almost all protein number distributions can be described by the gamma distribution with two fitting parameters which, at low expression levels, have clear physical interpretations as the transcription rate and protein burst size. At high expression levels, the distributions are dominated by extrinsic noise. We found that a single cell’s protein and mRNA copy numbers for any given gene are uncorrelated.
1 Department of Chemistry and Chemical Biology, Harvard University, Cambridge, MA 02138, USA.
2 Department of Physics, Harvard University, Cambridge, MA 02138, USA.
3 Department of Molecular and Cellular Biology, Harvard University, Cambridge, MA 02138, USA.
4 Banting and Best Department of Medical Research, Terrence Donnelly Centre for Cellular and Biomolecular Research, University of Toronto, Toronto M5S 3E1, Canada.
5 Department of Molecular Genetics, University of Toronto, Toronto M5S 1A8, Canada.
