Hałas komórkowy

Szum komórkowy to przypadkowa zmienność wielkości, powstająca w biologii komórkowej . Na przykład często obserwuje się, że komórki, które są genetycznie identyczne, nawet w tej samej tkance, mają różne poziomy ekspresji białek, różne rozmiary i struktury. Te pozornie przypadkowe różnice mogą mieć ważne konsekwencje biologiczne i medyczne.

Szum komórkowy był pierwotnie i nadal jest często badany w kontekście poziomów ekspresji genów – stężenia lub liczby kopii produktów genów w komórkach i pomiędzy komórkami. Ponieważ ekspresji genów są odpowiedzialne za wiele podstawowych właściwości w biologii komórkowej, w tym wygląd fizyczny komórek, zachowanie w odpowiedzi na bodźce oraz zdolność do przetwarzania informacji i kontrolowania procesów wewnętrznych, obecność szumu w ekspresji genów ma głębokie implikacje dla wielu procesów w biologia komórkowa.

Definicje

Najczęstszą ilościową definicją hałasu jest współczynnik zmienności :

{\ Displaystyle \ eta _ {X} = {\ Frac {\ sigma _ {X}} {\ mu _ {X}}}}

gdzie ${\ Displaystyle \ eta _ {X}}$ jest hałasem w ilości , $\ mu _ {X}}$ $Displaystyle$ jest średnią wartością i $Displaystyle X}$ ${\ displaystyle \ sigma _ {X}}$ to odchylenie standardowe X $\ displaystyle X}$ . Miara ta jest bezwymiarowa , co pozwala na względne porównanie znaczenia hałasu bez konieczności znajomości średniej bezwzględnej.

Inne wielkości często używane dla wygody matematycznej to współczynnik Fano :

{\ Displaystyle F_ {X} = {\ Frac {\ sigma _ {X} ^ {2}} {\ mu _ {X}}}.}

i znormalizowana wariancja:

{\ Displaystyle N_ {X} = \ eta _ {X} ^ {2} = {\ Frac {\ sigma _ {X} ^ {2}} {\ mu _ {X} ^ {2}}}.}

Pomiar eksperymentalny

Pierwsza eksperymentalna relacja i analiza szumu ekspresji genów u prokariotów pochodzi od Becskei & Serrano oraz z laboratorium Alexandra van Oudenaardena . Pierwsza relacja eksperymentalna i analiza szumu ekspresji genów u eukariontów pochodzi z laboratorium Jamesa J. Collinsa .

Hałas wewnętrzny i zewnętrzny

Schematyczna ilustracja badania z dwoma reporterami. Każdy punkt danych odpowiada pomiarowi poziomu ekspresji dwóch identycznie regulowanych genów w pojedynczej komórce: rozproszenie odzwierciedla pomiary populacji komórek. Zewnętrzny szum charakteryzuje się poziomami ekspresji obu genów kowalencyjnymi między komórkami, wewnętrznymi różnicami wewnętrznymi.

Szum komórkowy jest często badany w ramach szumu wewnętrznego i zewnętrznego . Szum wewnętrzny odnosi się do zmienności w identycznie regulowanych ilościach w obrębie pojedynczej komórki: na przykład wewnątrzkomórkowej zmienności poziomów ekspresji dwóch identycznie kontrolowanych genów. Szum zewnętrzny odnosi się do zmian w identycznie regulowanych ilościach między różnymi komórkami: na przykład zmienność między komórkami w ekspresji danego genu.

Wewnętrzne i zewnętrzne poziomy szumu są często porównywane w badaniach z dwoma reporterami , w których poziomy ekspresji dwóch identycznie regulowanych genów (często reporterów fluorescencyjnych, takich jak GFP i YFP ) są wykreślane dla każdej komórki w populacji.

Problem z ogólnym przedstawieniem szumu zewnętrznego jako rozrzutu wzdłuż głównej przekątnej w badaniach z dwoma reporterami polega na założeniu, że czynniki zewnętrzne powodują dodatnie korelacje ekspresji między dwoma reporterami. W rzeczywistości, gdy dwaj reporterzy rywalizują o wiązanie regulatora o niskiej liczbie kopii, dwaj reporterzy stają się anomalnie antyskorelowani, a rozrzut jest prostopadły do głównej przekątnej. W rzeczywistości każde odchylenie wykresu punktowego podwójnego reportera od symetrii kołowej wskazuje na szum zewnętrzny. Teoria informacji oferuje sposób na uniknięcie tej anomalii.

Źródła

Uwaga : Listy te mają charakter poglądowy, a nie wyczerpujący, a identyfikacja źródeł hałasu jest aktywnym i rozwijającym się obszarem badań.

Hałas wewnętrzny

Efekty niskiej liczby kopii (w tym dyskretne zdarzenia narodzin i śmierci) : losowy ( stochastyczny ) charakter produkcji i degradacji składników komórkowych oznacza, że szum jest wysoki dla składników o niskiej liczbie kopii (ponieważ wielkość tych przypadkowych fluktuacji nie jest bez znaczenia przy w odniesieniu do numeru kopii);
Dyfuzyjna dynamika komórkowa : wiele ważnych procesów komórkowych opiera się na zderzeniach między reagentami (na przykład polimerazą RNA i DNA) oraz innymi kryteriami fizycznymi, które, biorąc pod uwagę dyfuzyjną, dynamiczną naturę komórki, zachodzą stochastycznie.
Rozchodzenie się szumu : Niska liczba kopii i dynamika dyfuzji powodują, że każda reakcja biochemiczna w komórce zachodzi losowo. Stochastyczność reakcji może być osłabiona lub wzmocniona. Wkład każdej reakcji w wewnętrzną zmienność liczby kopii można określić ilościowo za pomocą ekspansji rozmiaru systemu Van Kampena .

Hałas zewnętrzny

Wiek komórkowy / etap cyklu komórkowego : komórki w dzielącej się populacji, która nie jest zsynchronizowana, w danej migawce w czasie będą znajdować się na różnych etapach cyklu komórkowego , z odpowiednimi różnicami biochemicznymi i fizycznymi;
Wzrost komórek : zmiany szybkości wzrostu prowadzące do różnic stężeń między komórkami;
Środowisko fizyczne (temperatura, ciśnienie, ...) : wielkości fizyczne i stężenia chemiczne (szczególnie w przypadku sygnalizacji między komórkami) mogą zmieniać się przestrzennie w populacji komórek, wywołując różnice zewnętrzne w zależności od położenia;
Rozmieszczenie organelli : przypadkowe czynniki w ilości i jakości organelli (na przykład liczba i funkcjonalność mitochondriów ) prowadzą do znacznych różnic między komórkami w szeregu procesów (ponieważ mitochondria odgrywają centralną rolę w budżet energetyczny komórek eukariotycznych);
Hałas dziedziczenia : nierównomierny podział składników komórkowych między komórkami potomnymi podczas mitozy może skutkować dużymi zewnętrznymi różnicami w dzielącej się populacji.
Konkurencja regulatorów : Regulatory konkurujące o wiązanie promotorów niższego szczebla mogą powodować ujemne korelacje: gdy jeden promotor jest związany, drugi nie i odwrotnie.

Należy zauważyć, że szum zewnętrzny może wpływać na poziomy i rodzaje szumu wewnętrznego: na przykład zewnętrzne różnice w zawartości mitochondriów w komórkach prowadzą, poprzez różnice w poziomach ATP , do tego, że niektóre komórki dokonują transkrypcji szybciej niż inne, wpływając na szybkość ekspresji genów i wielkość wewnętrzny hałas w całej populacji.

Efekty

Uwaga : Listy te mają charakter poglądowy, a nie wyczerpujący, a identyfikacja skutków hałasu jest aktywnym i rozwijającym się obszarem badań.

Poziomy ekspresji genów : szum w ekspresji genów powoduje różnice w podstawowych właściwościach komórek, ogranicza ich zdolność do biochemicznej kontroli dynamiki komórkowej oraz bezpośrednio lub pośrednio indukuje wiele określonych poniżej efektów;
Poziomy energii i szybkość transkrypcji : szum w szybkości transkrypcji , wynikający ze źródeł, w tym pękania transkrypcji , jest znaczącym źródłem szumu w poziomach ekspresji genów. Sugeruje się, że zewnętrzny szum w zawartości mitochondriów rozprzestrzenia się na różnice w stężeniach ATP i szybkościach transkrypcji (z implikowanymi zależnościami funkcjonalnymi między tymi trzema wielkościami) w komórkach, wpływając na kompetencje energetyczne komórek i zdolność do ekspresji genów ;
Wybór fenotypu : populacje bakterii wykorzystują szum zewnętrzny, aby wybrać podzbiór populacji, aby wejść w stan spoczynku. Na przykład w infekcji bakteryjnej ten podzbiór nie będzie się szybko rozprzestrzeniał, ale będzie bardziej odporny, gdy populacja jest zagrożona antybiotykoterapią: szybko replikujące się bakterie zakaźne zostaną zabite szybciej niż nieaktywny podzbiór, który może być zdolny do ponownego uruchomienia infekcja. Zjawisko to jest powodem, dla którego cykle antybiotyków należy zakończyć, nawet gdy objawy wydają się ustępować;
Rozwój i różnicowanie komórek macierzystych : szum rozwojowy w procesach biochemicznych, które muszą być ściśle kontrolowane (na przykład kształtowanie poziomów ekspresji genów, które rozwijają się w różnych częściach ciała) podczas rozwoju organizmu, może mieć dramatyczne konsekwencje, powodując konieczność ewolucji solidnej maszynerii komórkowej. Komórki macierzyste różnicują się w różne typy komórek w zależności od poziomów ekspresji różnych charakterystycznych genów: szum w ekspresji genów może wyraźnie zakłócać i wpływać na ten proces, a szum w szybkości transkrypcji może wpływać na strukturę dynamicznego krajobrazu, w którym zachodzi różnicowanie. Istnieją artykuły przeglądowe podsumowujące te skutki od bakterii do komórek ssaków;
Odporność na leki : Hałas poprawia krótkoterminowe przeżycie i długoterminową ewolucję lekooporności przy wysokim poziomie leczenia farmakologicznego. Hałas ma odwrotny skutek przy niskim poziomie leczenia farmakologicznego;
Leczenie raka : ostatnie prace wykazały zewnętrzne różnice, związane z poziomami ekspresji genów, w odpowiedzi komórek nowotworowych na leczenie przeciwnowotworowe, potencjalnie łącząc zjawisko ułamkowego zabijania (w którym każde leczenie zabija część, ale nie całość guza) z hałasem w ekspresji genów. Ponieważ poszczególne komórki mogą wielokrotnie i stochastycznie wykonywać przejścia między stanami związanymi z różnicami w odpowiedzi na tryb terapeutyczny (chemioterapia, środek celowany, promieniowanie itp.), terapia może wymagać częstego podawania (aby zapewnić leczenie komórek wkrótce po rozpoczęciu terapii) stan odpowiedzi, zanim będą mogły ponownie dołączyć do subpopulacji opornej na terapię i namnażać się) i przez długi czas (w celu leczenia nawet tych komórek, które pojawiają się późno z końcowej pozostałości subpopulacji opornej na terapię).
Ewolucja genomu : Genom jest pokryty chromatyną, którą można z grubsza podzielić na „otwartą” (znaną również jako euchromatyna) lub „zamkniętą” (znaną również jako heterochromatyna). Otwarta chromatyna prowadzi do mniejszego szumu w transkrypcji w porównaniu z heterochromatyną. Często białka „gospodarcze” (czyli białka, które wykonują zadania wymagane do przeżycia komórki) działają w dużych kompleksach wielobiałkowych. Jeśli szum w białkach takich kompleksów jest zbyt nieskoordynowany, może to prowadzić do obniżenia poziomu produkcji kompleksów wielobiałkowych, z potencjalnie szkodliwymi skutkami. Redukcja szumu może zapewnić ewolucyjny ruch selekcji niezbędnych genów do otwartej chromatyny.
Przetwarzanie informacji : ponieważ regulacja komórkowa odbywa się za pomocą komponentów, które same są narażone na szum, zdolność komórek do przetwarzania informacji i sprawowania kontroli jest zasadniczo ograniczona przez wewnętrzny szum

Analiza

Kanoniczny model stochastycznej ekspresji genów, znany jako model dwustanowy lub model telegraficzny. DNA przełącza się między stanami „nieaktywnymi” i „aktywnymi” (obejmującymi na przykład przebudowę chromatyny i wiązanie czynnika transkrypcyjnego ). Aktywne DNA jest transkrybowane w celu wytworzenia mRNA, które ulega translacji w celu wytworzenia białka, z których oba ulegają degradacji. Wszystkie procesy są Poissona z zadanymi szybkościami.

Ponieważ wiele interesujących biologicznie ilości komórek jest obecnych w dyskretnej liczbie kopii w komórce (pojedyncze DNA, dziesiątki mRNA, setki białek), narzędzia z dyskretnej matematyki stochastycznej są często używane do analizy i modelowania szumu komórkowego. W szczególności równań głównych - gdzie prawdopodobieństwa zaobserwowania systemu w stanie w czasie t są ${\ Displaystyle P (\ mathbf {x},$ $)$ ${\ displaystyle t}$ są połączone przez ODE - okazały się szczególnie owocne. Kanoniczny model ekspresji genów szumu, w którym procesy , transkrypcji i translacji DNA są reprezentowane jako procesy Poissona z określonymi szybkościami, daje główne równanie, które można dokładnie rozwiązać (za pomocą funkcji generujących ) przy różnych założeniach lub przybliżyć za pomocą narzędzi stochastycznych jak rozszerzenie rozmiaru systemu Van Kampena .

Liczbowo algorytm Gillespiego lub algorytm symulacji stochastycznej jest często używany do tworzenia realizacji stochastycznych procesów komórkowych, z których można obliczyć statystyki.

Problem wnioskowania wartości parametrów w modelach stochastycznych ( wnioskowanie parametryczne ) dla procesów biologicznych, które zazwyczaj charakteryzują się rzadkimi i zaszumionymi danymi eksperymentalnymi, jest aktywnym obszarem badań, a metody obejmujące MCMC bayesowskie i przybliżone obliczenia bayesowskie okazały się elastyczne i solidne . Jeśli chodzi o model dwustanowy, opisano metodę opartą na momentach do wnioskowania parametrów z dystrybucji mRNA.