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
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
Translation with frameshifting of ribosome along mRNA transcript
翻译是原核和真核细胞产生细胞生长所必需的蛋白质的重要过程。大量的实验已经被用来探索平移性质。也已经开发了各种模型来确定翻译的生化机制。然而，为了简化大多数现有的模型，核糖体沿着mRNA转录本的移码被忽略，这实际上发生在真实细胞中，并已被广泛的实验研究。核糖体的移码作用明显影响翻译的效率和速度，因为移码后的核糖体合成的肽链不能折叠成功能蛋白，而且会迅速降解。本文在完全非对称简单排斥过程模型的基础上，提出了一个描述平移过程的理论模型。在这个模型中，核糖体沿着mRNA转录物的移码和核糖体在翻译延伸过程中与mRNA密码子主体的连接/脱离被明确地包括在内。结果表明，随着核糖体移码，正确合成肽链的速度随着翻译起始速率$α$和核糖体脱离速率$ω_d$的增加而先增加后降低。这一结果表明，调节翻译过程以达到蛋白质的最大合成速度在理论上是可行的。沿着mRNA转录核糖体运动的相关问题也从理论上解决。根据参数值，冲击波（或域壁）可能存在的核糖体概率沿mRNA。
2015-02-07 physics.bio-ph q-bio.SC
mRNA translation from a unidirectional traffic perspective
本综述以完全非对称简单排他过程（TASEP）为框架，梳理mRNA翻译的研究历史与物理机制，分析该模型的适用性、演化与局限及成功原因，并指出现有研究空白与拓展方向。
2023-12-19 cond-mat.soft q-bio.QM 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
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
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
Ribosome Flow Model with Extended Objects
我们研究了一个确定性的机制模型的核糖体沿mRNA分子的流动，称为核糖体流动模型与扩展对象（RFMEO）。这个模型包含了翻译的许多现实特征，包括mRNA的非均匀转换速率，每个核糖体覆盖几个密码子的事实，以及核糖体不能相互超越的事实。RFMEO是统计力学中一个重要模型的平均场近似，称为扩展对象的完全不对称简单排斥过程（TASEPEO）。我们表明，RFMEO描述的生物物理方面的翻译比以前的平均场近似，它的预测相关性以及与TASEPEO。然而，与TASEPEO不同的是，RFMEO可以使用系统和控制理论的工具进行严格的分析。我们发现，核糖体密度分布沿mRNA的RFMEO收敛到一个独特的稳态密度，这取决于mRNA的长度，沿它的过渡率，和每个核糖体所覆盖的密码子的数量，但不是在初始密度的核糖体沿mRNA。特别是，蛋白质生产速率也收敛到一个独特的稳态。此外，如果沿着mRNA的跃迁速率是周期性的，具有共同的周期T，则沿着mRNA的核糖体密度和蛋白质产生速率收敛到具有周期T的唯一周期模式，即，模型在跃迁速率中引入周期性激发。我们相信，RFMEO可能是有用的建模，理解和再造翻译以及其他重要的生物过程。
2017-05-25 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
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
Driven transport on a flexible polymer with particle recycling: a model inspired by transcription and translation
许多理论工作试图通过基于排除过程的框架在转录和翻译水平上粗粒化基因表达。通常在这些模型中，底物（DNA和mRNA）的三维构象被忽略，粒子在静态一维晶格上移动，与无限的储存器接触。在这项工作中，我们概括的典范排斥过程，并研究了运输的颗粒沿一维聚合物一样的柔性晶格沉浸在一个三维的颗粒水库。我们研究了在水库中的颗粒的再循环，运输是如何影响的晶格的全球构象，反过来，颗粒密度如何决定的聚合物的结构。
2019-05-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.SC
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
A Deterministic Mathematical Model for Bidirectional Excluded Flow with Langmuir Kinetics
在许多重要的细胞过程中，包括mRNA翻译、基因转录、磷酸转移和细胞内运输，生物“颗粒”都沿着某种“轨道”运动。这些粒子的运动可以被建模为沿着有序序列的位点的一维运动。生物颗粒（例如，核糖体、RNAP、磷酸基团、马达蛋白）具有体积并且不能彼此超过。在一些情况下，存在沿着轨道的优选移动方向，但通常移动可以是双向的，并且此外，颗粒可以沿着轨道附着或脱离各个区域（例如，核糖体可以在到达终止密码子之前从mRNA分子上脱落）。我们推导出一个新的确定性的数学模型，这种传输现象，可以解释为一个重要的模型，从力学统计称为非对称简单排斥过程（ASEP）与朗缪尔动力学的动态平均场近似。利用单调动力系统理论和压缩理论的工具，我们证明了该模型存在唯一的全局渐近稳定平衡点。这意味着沿着晶格的所有位置的占有率收敛到取决于参数而不是初始条件的稳态值。我们还表明，该模型夹带（或锁相）的任何向前，向后，附件，或分离率的周期性激发。我们展示了这种现象学的运输模型的应用分析核糖体下降mRNA翻译的影响。人们可能会期望，从拥挤的站点下车可以通过减少拥塞来增加总流量。我们的结果表明，这是不正确的。下降对流动具有实质性影响，但总是导致稳态蛋白质生产速率的降低。
2016-09-19 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
Ribosome flow model with different site sizes
我们介绍和分析两个一般的动力学模型的单向运动的粒子沿一个圆形链和一个开放的网站链。这些模型包括简单排除原理的软版本，也就是说，随着一个地点的密度增加，进入该地点的有效进入率降低。这允许建模和研究粒子沿链的“交通堵塞”的演变。这两个新模型的一个独特之处在于，链上的每个站点都可以有不同的大小。虽然模型是非线性的，但它们可以进行严格的渐近分析。特别是，我们表明，动态总是收敛到一个稳态，并且沿链的稳态密度和稳态输出流率从链可以从一个合适的矩阵的谱特性，从而消除了需要数值模拟的动态，直到收敛。该光谱表示还允许进行强大的敏感性分析，即理解模型中的参数之一的变化如何影响稳态。我们表明，网站的大小和网站到网站的过渡率在动态中发挥不同的作用，并为最大限度地提高稳态输出（或生产）率的目的，网站的大小比过渡率更重要。我们还表明，问题的参数值，最大限度地提高生产率是易于处理的。我们相信，这里介绍的模型可以应用于研究各种自然和人工过程，包括mRNA翻译过程中的核糖体流动，分子马达沿细胞骨架细丝的运动，行人和车辆交通，疏散动力学等。
2019-03-12 q-bio.QM q-bio.SC
