Ribosome recycling, diffusion, and mRNA loop formation in translational regulation
我们探索和量化的物理和生化机制，可能是相关的翻译的调节。在从mRNA的3'终止位点延伸和脱离后，部分核糖体机器可以扩散回起始位点，特别是如果它被保持在附近，提高整体翻译速率。利用完全不对称排斥过程（TASEP）的精确和渐近结果模拟了mRNA结合的核糖体的延伸步骤，由于TASEP的核糖体注入速率依赖于起始位点的局部浓度，因此从终止末端发出的核糖体源可以反馈到起始位点，从而得到稳态核糖体通量的自洽方程组。另外的mRNA结合因子也可以促进环的形成或环化，使起始位点和终止位点非常接近。使用简单的非相互作用的聚合物模型的起始和终止位点之间的距离的概率分布。我们发现，起始，或初始核糖体吸附结合所需的最大吞吐量可以显着变化取决于某些值的散装核糖体浓度和扩散常数。如果考虑环促进蛋白和起始/终止位点之间的协同相互作用，则可以以非单调的方式进一步调节通量。潜在的实验来测试假设的物理机制进行了讨论。
2003-09-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Modeling of Ribosome Dynamics on a ds-mRNA under an External Load
细胞中的蛋白质分子是由称为核糖体的大分子机器合成的。根据最近的实验数据，我们降低了核糖体的复杂性，并提出了一个模型来表达其活动的六个主要状态。使用我们的模型，我们研究了在不同的生物相关的情况下，在外力的存在下，翻译速率，并通过RNA双链区在没有或存在外力的翻译。在本研究中，我们给出了翻译速率的定量理论，并表明核糖体的行为更像一个布朗棘轮马达。我们的研究结果可能有助于理解核糖体在生物条件下的行为。
2016-07-25 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Gene length as a regulator for ribosome recruitment and protein synthesis: theoretical insights
蛋白质合成速率在翻译水平上由转录物序列的性质决定。mRNA的效率可以通过改变控制核糖体募集的核糖体结合位点或建立蛋白质延伸速度的密码子使用来调节。在这项工作中，我们提出转录长度作为翻译效率的进一步关键决定因素。基于一个物理模型，考虑了动力学的核糖体推进的mRNA和扩散在其周围，以及mRNA环化和核糖体脱落，我们解释了如何转录长度可能发挥核心作用，建立核糖体招聘和mRNA的整体翻译速率。根据我们的研究结果，3'端与mRNA的核糖体募集位点的接近可以在翻译过程中诱导有利于核糖体再循环的反馈。我们还展示了如何这一过程可能参与塑造实验核糖体密度基因长度依赖。最后，我们认为，细胞可以利用这种机制来调整和平衡其核糖体资源的使用。
2017-12-12 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Slip of grip of a molecular motor on a crowded track: Modeling shift of reading frame of ribosome on RNA template
我们开发了一个随机模型的程序化移码核糖体合成蛋白质，同时沿着mRNA模板移动。正常情况下，核糖体的阅读框以一步一步的方式解码mRNA上连续的核苷酸三联体。我们专注于核糖体阅读框的程序性移位，向前或向后，只有一个核苷酸的融合蛋白的结果;它发生时，核糖体暂时失去了它的抓地力，其mRNA的轨道。特殊的“光滑”核苷酸序列以及mRNA链的下游二级结构被认为在程序性移码中起关键作用。在这里，我们探讨了迄今为止被忽视的参数在调节-1程序移码中的作用。具体来说，我们证明，移码频率也可以强烈调节的核糖体，所有这些都从事在同一mRNA的同时翻译的密度，在和周围的滑序列。蒙特卡罗模拟支持从随机动力学的平均场分析得到的分析预测。
2017-05-30 physics.bio-ph q-bio.SC
Traffic of interacting ribosomes: effects of single-machine mechano-chemistry on protein synthesis
许多核糖体同时在同一信使RNA（mRNA）上移动，每个核糖体分别合成由mRNA编码的蛋白质。早期的核糖体运输模型用一个“自推进粒子”来表示每个核糖体，并通过完全不对称简单排除过程（TASEP）的扩展来捕获动力学。相比之下，在这里，我们开发了一个理论模型，不仅包括相互作用的核糖体的相互排斥，但也明确描述了这些单独的循环机器在蛋白质合成过程中的机械化学。利用非平衡统计力学的分析和数值技术，我们分析了这个模型，并说明其权力，通过实验测试的预测蛋白质合成的速度在实时和密度分布的核糖体上的一些mRNA在大肠杆菌。
2006-04-13 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Spatial organization of bacterial transcription and translation
在细菌如$\textit{Escherichia coli}$中，DNA被压缩成靠近细胞中心的类核，而将信使RNA（mRNA）翻译成蛋白质$-$的核糖体$-$分子复合物主要位于两极。我们研究的影响，这种空间组织使用最小的反应扩散模型的细胞转录-翻译机器。我们的模型预测mRNA的$\sim 90\%$被分离到两极，并揭示了由mRNA的流动驱动的核糖体的“循环”，从类核中的合成到两极的降解。为了解决核糖体和mRNA之间存在的非特异性，瞬时相互作用，我们开发了一种新的方法，有效地将这种瞬时相互作用纳入反应扩散方程，这使我们能够量化这种非特异性相互作用的生物学意义，例如核糖体效率。
2016-08-29 q-bio.SC
Exclusion model of mRNA translation with collision-induced ribosome drop-off
本研究提出碰撞诱导核糖体脱落的mRNA翻译排除模型，发现仅当前导粒子脱落时核糖体电流对起始速率呈非单调依赖，且效应在更大系统中持续。
2023-08-30 cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Clustered bottlenecks in mRNA translation and protein synthesis
我们构建了一个算法，产生大的，带对角转移矩阵的完全不对称排斥过程（TASEP）与本地跳跃率的不均匀性。矩阵对角化数值找到稳态电流的TASEPs的跳变率的局部变化。然后将结果用于研究慢密码子沿mRNA的聚类。邻近的慢密码子簇附近的核糖体密度分布相互作用，当这种瓶颈紧密间隔时，增强了对核糖体通量的抑制。增加慢密码子簇大小，超过$\approx 3-4$，不会显著降低核糖体电流。我们的研究结果得到了广泛的蒙特卡罗模拟验证，并提供了一个生物学动机的解释实验观察到的低使用密码子的聚类。
2003-10-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Distribution of dwell times of a ribosome: effects of infidelity, kinetic proofreading and ribosome crowding
核糖体是聚合蛋白质的分子机器，其中氨基酸残基（蛋白质的单体）的序列由充当模板的信使RNA（mRNA）上的密码子（核苷酸三联体）的序列决定。核糖体是一个分子马达，它利用模板mRNA链作为轨道。因此，在每一步中，核糖体向前移动一个密码子，同时将蛋白质延长一个氨基酸。我们提出了一个理论模型，捕捉了核糖体的机械化学循环中的大部分主要步骤。核糖体的随机运动由暂停和移位的交替序列组成;暂停和随后的移位的持续时间的总和是核糖体在相应密码子处的停留时间。在我们的模型中，我们推导出核糖体的停留时间分布的解析表达式。无论实验数据是可用的，我们的理论预测与这些结果一致。我们建议适当的实验来测试我们的模型的新预测，特别是，核糖体的质量控制机制的影响和拥挤的mRNA轨道。
2011-01-26 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Modelling the effect of ribosome mobility on the rate of protein synthesis
翻译是蛋白质合成的主要步骤之一。它由核糖体组成，将mRNA上编码的核苷酸序列翻译成氨基酸的多肽序列。与mRNA结合的核糖体单向移动，而未结合的核糖体在细胞质中扩散。据推测，核糖体的有限扩散在核糖体循环中起着重要作用，mRNA环化提高了翻译效率。为了估计细胞质扩散对翻译速率的影响，我们考虑耦合到有限扩散库的完全不对称简单排斥过程（TASEP），我们称之为具有扩散的核糖体运输模型（RTD）。在这个模型中，我们推导出蛋白质合成速率作为核糖体的扩散常数的函数的解析表达式，这与连续时间蒙特卡罗模拟的结果相印证。使用广泛的生物相关参数，我们得出结论，生物细胞中的扩散足够快，因此它在控制翻译起始速率方面不起作用。
2022-01-17 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Stochastic kinetics of ribosomes: single motor properties and collective behavior
细胞中蛋白质分子的合成是由核糖体完成的。核糖体可以被认为是一个分子马达，它利用输入的化学能在信使RNA（mRNA）轨道上移动，该轨道也用作相应蛋白质聚合的模板。然而，向前运动的特征是移位和停顿的交替序列。使用一个定量模型，它捕获的机械化学循环的一个单独的核糖体，我们推导出一个{ \it精确}的分析表达式，其停留时间的分布在连续的位置上的mRNA轨道。平均停留时间的倒数满足"Michaelis-Menten类“方程，并且与具有无分支机械化学循环的分子马达的平均速度的通式一致。适当地推广这个公式，我们还推导出了核糖体的精确力-速度关系。通常许多核糖体同时在相同的mRNA轨道上移动，而每个核糖体合成相同蛋白质的拷贝。我们扩展了一个单一的核糖体的模型，将空间排斥不同的个人在同一个轨道上。我们绘制了这个模型的相图的核糖体交通在3维空间跨越实验可控参数。我们建议对我们的理论预测进行新的实验检验。
2009-07-12 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Variability in mRNA Translation: A Random Matrix Theory Approach
mRNA翻译的速率取决于核糖体沿mRNA的起始、延伸和终止速率。这些速率取决于许多“局部”因素，如mRNA分子附近的游离核糖体和tRNA分子的丰度。所有这些因素都是随机的，它们的实验测量也是有噪声的。一个重要的问题是，细胞中的蛋白质生产如何受到这种相当大的变异性的影响。我们开发了一个新的理论框架来解决这个问题，通过建模的速率相同，独立分布的随机变量，并使用随机矩阵理论的工具来分析稳态生产率。分析揭示了一个普遍性原则：平均蛋白质生产率仅取决于随机变量可能达到的一组可能值。这解释了尽管细胞过程具有压倒性的随机性，但总蛋白质的产生是如何稳定的。
2021-02-24 q-bio.SC
Optimal localization patterns in bacterial protein synthesis
在$\textit{Escherichia coli}$细菌中，参与蛋白质合成的分子化合物、信使RNA（mRNA）和核糖体显示出明显的细胞内定位模式。然而，仍然缺乏对物理原理的定量理解，这些物理原理将允许人们通过设计、生物工程和优化这些定位模式来控制蛋白质合成。在这项研究中，我们考虑的情况下，mRNA的反应扩散特性的合成修饰允许控制的mRNA和多核糖体结合到mRNA的多聚核糖体$\mathrm{-}$复合物的本地化和化学计量。我们的分析表明，蛋白质合成是可以控制的，例如，通过仅利用mRNA空间定位和化学计量，而不借助于mRNA表达水平的改变，最佳地增强或抑制。我们确定了控制蛋白质合成速率的物理机制，突出了mRNA和自由扩散的核糖体之间的共定位的重要性，以及由于DNA类核的多核糖体化学计量和排除体积效应之间的相互作用。我们工作的全基因组定量预测可以在细胞生物学实验中进行直接验证和实施，其中可以通过荧光显微镜在单细胞和群体中监测定位模式和蛋白质合成速率。
2019-05-25 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Stochastic thermodynamics and modes of operation of a ribosome: a network theoretic perspective
核糖体是活细胞中最大和最复杂的大分子机器之一。它按照模板信使RNA（mRNA）上相应核苷酸序列的指导，逐步聚合蛋白质，这一过程被称为mRNA转录物序列中编码的遗传信息的“翻译”。在（蛋白质）延伸阶段的每个成功的化学机械循环中，核糖体通过一个称为氨基酸的单亚基延伸蛋白质，并通过三个称为密码子的核苷酸在模板mRNA上前进。因此，核糖体也被认为是一个分子马达，其中mRNA作为轨道，其步长为密码子的步长，并且在该循环中水解的两个GTP分子和一个ATP分子作为其燃料。进一步增加复杂性的是导致不同循环的竞争途径的存在，每个循环中的分支途径和无用的燃料消耗既不会导致新生蛋白质的延伸，也不会导致核糖体在其轨道上向前推进。我们研究了一个模型制定的离散化学机械状态的核糖体在翻译的延伸阶段的网络。该模型进行了分析，使用随机热力学和动力学分析相结合的图论方法的基础上。我们推导出相应的主方程的精确解。我们代表的基础网络的周期的稳定状态，并讨论了能量转换过程。我们根据核糖体的平均速度和GTP水解的平均速率来确定核糖体的各种可能的操作模式。我们还计算熵产生的函数的状态间转换的速率和热力学成本的翻译过程的准确性。
2020-02-11 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Role of the particle's stepping cycle in an asymmetric exclusion process: A model of mRNA translation
信使RNA翻译通常通过基于不对称简单排除过程（ASEP）的摩擦力学模型进行研究，该模型考虑了晶格（多核苷酸链）上的跳跃粒子（核糖体）。在这项工作中，我们扩展了这类模型，并考虑核糖体的生化循环的两个基本步骤，粗粒度的角度来看。为了实现更好地了解潜在的生物过程和比较的理论预测与实验结果，我们提供了一个描述之间的最小ASEP-样模型和更详细的模型，这是很难分析治疗。我们使用平均场的方法来研究与内部步进周期的粒子的动力学。在这个框架中，它是可能的，分析表征系统的不同阶段（高密度，低密度或最大电流阶段）。至关重要的是，我们表明，这些不同的阶段之间的过渡发生在不同的参数值比在一个标准的ASEP等效的过渡，表明包括核糖体的生化循环的两个基本步骤的模型的重要性。
2010-05-03 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.QM
Paused in translation: A model for the transcript length-dependent impact of ribosome-targeting antibiotics
本文构建纳入随机暂停的 TASEP 模型及单簇近似，揭示核糖体靶向抗生素的翻译抑制依赖转录本长度，并由集体动力学主导。
2025-07-25 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Deciphering mRNA Sequence Determinants of Protein Production Rate
翻译的生物物理模型中最大的挑战之一是识别影响翻译速率的编码序列特征，从而影响细胞中的整体蛋白质生产。我们提出了一种分析方法来解决基于非均匀完全不对称简单排斥过程的翻译模型，这使我们能够揭示决定蛋白质生产率的核苷酸序列的简单设计原则。我们的解决方案显示了一个很好的协议相比，S。酿酒酵母转录物序列，并预测前10个密码子，连同起始速率的值，是蛋白质生产速率的主要决定因素。最后，我们解释了基于密码子选择调节翻译速率和核糖体密度的进化作用所获得的分析结果。
2018-03-08 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Stochastic dynamics and ribosome-RNAP interactions in Transcription-Translation Coupling
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）
研究转录-翻译耦合中核糖体与RNA聚合酶的相互作用机制，通过随机模型分析延迟时间分布及保护作用，提出新的度量指标以揭示加速或减速转录的条件。
2022-07-10 cond-mat.stat-mech q-bio.BM q-bio.SC
Fluctuations in protein synthesis from a single RNA template: stochastic kinetics of ribosomes
蛋白质是由核糖体这种环状机器聚合而成的，核糖体利用其信使RNA（mRNA）轨道作为相应的模板，这一过程称为翻译。我们深入细致地探讨了翻译的随机性。我们计算了与翻译过程相关的各种分布;其中之一，即停留时间分布，已经在最近的单核糖体实验中测量（Wen等人，Nature { \bf 452}，598（2008））。我们的理论预测的这种分布的形式是一致的，从实验数据提取。对于我们的定量计算，我们使用一个模型，捕获每个单独的核糖体的机械化学以及它们的空间相互作用。我们还证明了真正的基因的序列不均匀性的波动和噪音翻译的影响。原则上，我们的新预测可以通过进行{ \it体外}实验来检验。
2008-05-02 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.GN
Optimal Translation Along a Circular mRNA
环上核糖体流动模型（英语：ribosome flow model on a ring，RFMR）是一种确定性的环化mRNA翻译模型。我们推导出一个新的频谱表示的最佳稳态生产率和相应的最佳稳态核糖体密度的RFMR。这种表示有几个重要的优点。首先，它提供了一种简单且数值稳定的算法，即使在很长的环中也可以确定最佳值。其次，它能够有效地计算最佳生产率对mRNA转移率微小变化的敏感性。第三，它意味着最优稳态生产率是一个严格的凹函数的过渡率。因此，在对速率的仿射约束下，最大化相对于速率的最优稳态生产速率成为允许唯一解的凸优化问题，该唯一解可以使用高效算法在数值上确定。例如，当在宿主生物体中重新工程化异源基因时，该优化问题是重要的。我们描述的影响，我们的研究结果，这方面和其他方面的翻译。
2017-05-25 q-bio.SC
aa-tRNA competition is crucial for the effective translation efficiency
翻译是一个重要的生物学过程，通过这个过程，蛋白质从mRNA中包含的遗传信息合成。在这里，我们通过随机模拟模型研究分子水平上的翻译动力学。该模型明确地包括了翻译延伸过程中的RNA序列、核糖体动力学、tRNA库和生化反应。结果表明，翻译效率主要受核糖体数目、翻译起始和翻译延长时间的限制。延伸时间服从对数正态分布，其均值和方差由密码子饱和度和每个密码子结合时aa-tRNA的选择过程决定。此外，我们的模拟结果表明，翻译的准确性呈指数下降的序列长度。这些结果表明，aa-tRNA竞争对于翻译延伸、翻译效率和准确性都是至关重要的，这反过来又决定了正确蛋白质的有效蛋白质生产率。我们的结果改进了蛋白质生产的动力学方程的延迟微分方程，这是依赖于序列信息，通过有效生产率和延长时间的分布。
2015-03-31 q-bio.MN q-bio.SC
The fitness landscapes of translation
最近的抗生素耐药基因的实验的动机，我们研究同义突变之间的遗传相互作用的排斥模型的翻译框架。我们表明，可能的相互作用的范围是显着不同的翻译效率是否被假定为成正比的核糖体电流或核糖体速度。在第一种情况下，每个突变效应都有一个明确的符号，与遗传背景无关，而在第二种情况下，效应符号可以根据其他突变的存在而变化。后者的结果证明了使用配置的多个翻译瓶颈诱导慢密码子。
2020-09-22 cond-mat.stat-mech q-bio.SC
A biologically motivated three-species exclusion model: effects of leaky scanning and overlapping genes on initiation of protein synthesis
完全不对称简单排除过程（TASEP）最初是作为一种模型引入的，用于描述核糖体在信使RNA（mRNA）上的交通样集体运动，该信使RNA充当单个核糖体的马达样向前步进的轨道。在每一步中，核糖体使用轨道也作为蛋白质合成的模板将蛋白质延长一个单位。但是，预制的、功能上有能力的核糖体不能开始蛋白质的合成;一个亚基定向扫描mRNA，寻找预先指定的位点，在那里它应该与另一个亚基结合，开始合成相应的蛋白质。然而，由于“泄漏”扫描，一小部分扫描子单元错过了目标位点，并在第一个目标之外继续搜索。有时，这种扫描仪成功地识别出标记不同蛋白质合成起始位点的位点。在本文中，我们开发了一个排斥模型，与三个相互转换的物种的硬棒，捕捉这些生物现象的一些关键特征，并研究了不同种类的棒在同一晶格上的流动的干扰的影响。更具体地说，我们确定的同时为适当的平均{ \it第一次通过}时间，我们计算分析使用的形式主义的向后主方程的蛋白质合成的启动。尽管进行了近似，我们的分析预测是在合理的数值数据，我们通过执行蒙特卡罗模拟得到良好的协议。我们还将我们的结果与文献中报道的一些实验事实进行了比较，并提出了新的实验来测试我们的一些新的定量预测。
2019-02-08 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Fidelity of bacterial translation initiation: a stochastic kinetic model
在蛋白质合成的起始阶段，核糖体起始复合物（IC）在信使RNA（mRNA）模板上组装。在细菌中，这一组装过程的速度和准确性由三个基本起始因子（IF）的互补活性调节。真正的N-甲酰基甲硫氨酰转移RNA（fMet-tRNA \textsuperscript{fMet}）和典型的三重核苷酸mRNA起始密码子的选择是典型的核糖体70 S IC组装过程中的关键事件。由于延伸子tRNA或非规范起始密码子的异常选择而导致的错误起始是分别导致假70 S IC或非规范70 S IC组装的罕见事件。在这里，我们已经开发了一个理论模型的随机动力学的规范，伪，和非规范的70 S IC组装，其中包括所有的主要步骤的IC组装过程中，已观察到和表征的合奏动力学，单分子动力学，和结构研究的保真度的翻译起始。具体而言，我们使用的IC组装过程中的各个步骤的速率和首次通过时间的形式主义，以获得精确的分析表达式的概率分布的集合的规范，伪和非规范70 S IC。为了说明这种分析方法的力量，我们比较了理论预测的首次通过时间分布与相应的计算机模拟数据。我们还比较了完成这些组件所需的平均时间与实验估计。除了产生新的，可检验的假设，我们的理论模型也可以很容易地扩展为新的实验70 S IC组装数据变得可用，从而提供了一个通用的工具来解释这些数据和开发先进的模型的机制和调节翻译启动。
2018-02-06 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.SC
