乳糖操纵子中的单分子随机动力学及其功能分析

论文摘要

近二十年来,现代单分子观测技术突飞猛进,科学家已经可以通过跟踪细胞中单个蛋白质分子的动力学行为,进而探索由单分子随机涨落所引起的显型转换现象。本文结合近期关于乳糖操纵子的部分实验数据,提出了一个随机动力学模型。该模型可以很好的重现单分子实验中所观测到的现象,其中最为典型的是在一定的诱导物浓度下,确定性正反馈机制与随机单分子涨落的共同作用可以使得细胞内部透性酶浓度呈现双峰分布的现象。DNA分子和抑制子蛋白的随机结合与解离在一定条件下会引起这种双峰显型的相互转换,同时这种随机性也会明显的增大细胞内部透性酶产生双稳所需的外部诱导物浓度范围。相反,如果缺少了这种单分子的随机结合与解离现象,仅剩下正反馈发挥作用,其产生双稳所需的外部诱导物浓度范围会非常狭窄。另一方面,我们发现即使在没有正反馈机制的情况下,单纯的单分子随机涨落也能促使透性酶的分布形成双峰,但这种随机结合与解离的动力学必须非常的缓慢,因此观察到显型的转换需要等极长的时间,并不符合实际生物系统的需要。而另一方面,如果该单分子涨落非常快速,那么随机现象将被平均掉,从而退化为与之相对应的确定性模型。因此,在实际情况中,细胞往往同时像乳糖操纵子一样同时拥有确定性正反馈机制与较为合适的单分子随机涨落速率。接下来我们研究了引起随机显型转换的临界诱导物浓度,发现在亚稳态时间尺度上,随机临界值会与确定性临界值产生显著的偏离。此外,当我们还研究了当最大转录活性增加或减少到某种程度时,无论是随机动力学模型还是与之对应的确定性动力学模型中的双稳现象都将变得模糊,乃至消失。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 背景介绍
• 1.1 分子生物学的中心法则
• 1.2 基因操纵子理论简介
• 第二章 结论
• 2.1 乳糖操纵子的单分子随机模型
• 2.2 双稳现象
• 2.2.1 正反馈机制会引起确定性双稳现象,但是单分子状态的涨落会进一步增强它
• 2.2.2 极其缓慢的单分子状态随机转换会诱导产生随机双稳现象
• 2.2.3 确定性的与随机性的尖端突变现象
• 2.3 随机临界值、时间尺度分离与亚稳态
• 2.4 细胞不同显型之间的随机转换
• 2.5 关于DNA成环
• 第三章 分析方法与理论推导材料
• 3.1 模型推导
• 3.1.1 整体平均意义下的确定性模型
• 3.1.2 复合随机模型
• 3.2 参数拟合
• 3.2.1 单个细胞中乳糖操纵子的数量与产生率/衰减率
• 3.2.2 乳糖操纵子随机动力学参数分析
• 3.2.3 诱导物的摄取率
• 3.3 Doob-Gillespie数值方法
• 参考文献
• 致谢