科學(xué)家們近日首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)物種在整個(gè)表達(dá)譜范圍內(nèi)的蛋白表達(dá)噪聲測(cè)量,。該項(xiàng)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(xì)胞基因表達(dá)分析時(shí)代的來(lái)臨,。
在基因表達(dá)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(xì)胞,，然后測(cè)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(lái)完全相同的單個(gè)細(xì)胞實(shí)際上表達(dá)水平完全是隨機(jī)的,，存在著巨大的個(gè)體差異，科學(xué)家稱之為“噪音”,?？茖W(xué)家們?cè)谘芯繂渭?xì)胞生物體的“噪音”時(shí)發(fā)現(xiàn)，即使是基因完全相同的細(xì)胞其行為也是完全不同的,。測(cè)量不同生物體內(nèi)的蛋白表達(dá)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(gè)新的高度。 7月30日最新一期美國(guó)《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(cè)量》的論文,，報(bào)道了大腸桿菌的1018個(gè)基因在單個(gè)細(xì)胞內(nèi)的絕對(duì)表達(dá)數(shù)以及各個(gè)細(xì)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(shí)測(cè)量了其中137個(gè)大量表達(dá)的基因的mRNA分子數(shù)量,。
盡管在同基因組細(xì)菌群的細(xì)胞中,，蛋白和mRNA拷貝數(shù)差異巨大，不過(guò)通常數(shù)量較小,，難以在單分子水平上檢測(cè)。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(kù),，成功地實(shí)現(xiàn)了單個(gè)細(xì)胞內(nèi)在單分子水平對(duì)整個(gè)表達(dá)譜范圍內(nèi)的蛋白和mRNA的定量分析,。
該項(xiàng)研究有兩個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)。首先,，20%的蛋白質(zhì)表達(dá)水平很低,，小于每個(gè)細(xì)胞一個(gè)分子。研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)表達(dá)水平較低的時(shí)候,，幾乎所有的蛋白分布均可用兩個(gè)參數(shù)的伽瑪分布來(lái)描述,，也就是mRNA的轉(zhuǎn)錄速率和每個(gè)mRNA分子表達(dá)為蛋白質(zhì)的數(shù)量。而當(dāng)表達(dá)水平較高的時(shí)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(xì)胞中某基因在某一時(shí)刻的mRNA表達(dá)拷貝數(shù)與其蛋白表達(dá)拷貝數(shù)無(wú)關(guān),，由此可見(jiàn),，單個(gè)細(xì)胞中的蛋白組分析與轉(zhuǎn)錄物分析是沒(méi)有關(guān)聯(lián)的。由于細(xì)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(xiàng)研究成果提供的方法將大大促進(jìn)科學(xué)家對(duì)基因隨機(jī)表達(dá)和調(diào)控的理解,。
這種關(guān)聯(lián)性缺失的一個(gè)原因是mRNA分子和蛋白質(zhì)分子在細(xì)胞內(nèi)的壽命長(zhǎng)短不同。mRNA只存在幾分鐘，而蛋白質(zhì)分子可以存在數(shù)個(gè)小時(shí),，大大超過(guò)細(xì)胞周期,。此外，對(duì)很多細(xì)胞而言,，一些蛋白的唯一來(lái)源來(lái)自于母細(xì)胞,，而mRNA只是偶爾產(chǎn)生。這就導(dǎo)致了在細(xì)胞分裂過(guò)程中某些蛋白質(zhì)分子分配不均衡,，這種現(xiàn)象在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中同樣存在,。
同一期《科學(xué)》雜志還發(fā)表了美國(guó)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(píng)論文章，文章標(biāo)題是“Genomics: E. coli, What a Noisy Bug”,。評(píng)論認(rèn)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(dá)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(dá)通道傳遞的,，在這個(gè)傳遞過(guò)程中一個(gè)蛋白的數(shù)量可以影響到另一個(gè)蛋白的表達(dá),。另一個(gè)可能的研究方向是探索細(xì)胞是如何調(diào)節(jié)那些需要同步協(xié)作的蛋白質(zhì)表達(dá)?？茖W(xué)家還可以通過(guò)研究其他相關(guān)生物體的全基因組表達(dá),，或者同一個(gè)生命體在不同條件下(例如在焦慮的時(shí)候或者衰老過(guò)程中)的表達(dá)譜，來(lái)確定噪音僅僅限制了基因表達(dá),，還是對(duì)進(jìn)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.
