大腸杆菌蛋白組及轉錄物單分子水平測量

大腸杆菌蛋白組及轉錄物單分子水平測量
科學家們(men) 近日實現了對物種在整個(ge) 表達譜範圍內(nei) 的蛋白表達噪聲測量。該項成果是單分子技術與(yu) 係統生物學交互融合的典範，預示了單細胞基因表達分析時代的來臨(lin) 。

在基因表達研究領域，傳(chuan) 統的研究方法是在同等條件下磨碎大量細胞，然後測量基因產(chan) 物的數量，例如mRNA和蛋白。然而zui近的研究卻發現，看起來*相同的單個(ge) 細胞實際上表達水平*是隨機的，存在著巨大的個(ge) 體(ti) 差異，科學家稱之為(wei) “噪音”。科學家們(men) 在研究單細胞生物體(ti) 的“噪音”時發現，即使是基因*相同的細胞其行為(wei) 也是*不同的。測量不同生物體(ti) 內(nei) 的蛋白表達噪音可以幫助科學家們(men) 了解生命的演化和功能。

哈佛大學化學與(yu) 生物化學係謝曉亮小組的研究成果將該領域帶入了一個(ge) 新的高度。 7月30日一期美國《科學》（Science）發表了題為(wei) 《大腸杆菌蛋白組及轉錄物單分子水平測量》的論文，報道了大腸杆菌的08個(ge) 基因在單個(ge) 細胞內(nei) 的表達數以及各個(ge) 細胞間的差異，這些基因占了大腸杆菌全基因組的四分之一左右。他們(men) 還同時測量了其中37個(ge) 大量表達的基因的mRNA分子數量。

盡管在同基因組細菌群的細胞中，蛋白和mRNA拷貝數差異巨大，不過通常數量較小，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杆菌黃色熒光蛋白融合庫，成功地實現了單個(ge) 細胞內(nei) 在單分子水平對整個(ge) 表達譜範圍內(nei) 的蛋白和mRNA的定量分析。

該項研究有兩(liang) 個(ge) 驚人的發現。首先，20%的蛋白質表達水平很低，小於(yu) 每個(ge) 細胞一個(ge) 分子。研究人員發現當表達水平較低的時候，幾乎所有的蛋白分布均可用兩(liang) 個(ge) 參數的伽瑪分布來描述，也就是mRNA的轉錄速率和每個(ge) mRNA分子表達為(wei) 蛋白質的數量。而當表達水平較高的時候，分布圖被其他的外部噪音所充斥。

作者的另一重要發現是，單細胞中某基因在某一時刻的mRNA表達拷貝數與(yu) 其蛋白表達拷貝數無關(guan) ，由此可見，單個(ge) 細胞中的蛋白組分析與(yu) 轉錄物分析是沒有關(guan) 聯的。由於(yu) 細胞中某些功能基因的蛋白質和絕大多數mRNA的拷貝數都相當低，這項研究成果提供的方法將大大促進科學家對基因隨機表達和調控的理解。

這種關(guan) 聯性缺失的一個(ge) 原因是mRNA分子和蛋白質分子在細胞內(nei) 的壽命長短不同。mRNA隻存在幾分鍾，而蛋白質分子可以存在數個(ge) 小時，大大超過細胞周期。此外，對很多細胞而言，一些蛋白的*來源來自於(yu) 母細胞，而mRNA隻是偶爾產(chan) 生。這就導致了在細胞分裂過程中某些蛋白質分子分配不均衡，這種現象在哺乳動物細胞中同樣存在。