Facilitated diffusion of proteins on chromatin
我们提出了一个理论模型，促进扩散的蛋白质在细胞核中。该模型考虑了蛋白质与DNA的连续结合/解结合事件，依赖于最近实验证明的染色质的分形描述。促进扩散被定量地示出为有利于通过转录因子快速定位靶位点，并且甚至能够通过调整转录因子与DNA的亲和力来使搜索时间最小化。这项研究显示了稳健的促进扩散机制，调用到目前为止只为线性构象的DNA。
2011-01-26 cond-mat.stat-mech 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
Modeling protein synthesis from a physicist's perspective: a toy model
蛋白质是氨基酸的聚合物。这些大分子由称为核糖体的细胞内机器合成。虽然蛋白质合成的实验研究一直是分子细胞生物学的传统研究领域，但在统计物理学和相关跨学科主题的研究期刊上已经报道了蛋白质合成的重要定量模型。从物理学家的角度来看，蛋白质合成是相互作用的核糖体在信使RNA（mRNA）模板上的经典运输，该模板决定了蛋白质上的氨基酸序列。我们讨论了适当的简化模型和方法。特别是，我们开发和分析一个简单的玩具模型，使用非平衡统计力学的一些基本技术，并预测蛋白质合成的平均速率和核糖体的空间组织在稳定状态。
2007-06-24 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
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
Traffic of interacting ribosomes on mRNA during protein synthesis: effects of chemo-mechanics of individual ribosomes
许多{ \it核糖体}同时在同一信使RNA（mRNA）上移动，每个核糖体分别合成同一蛋白质的一个拷贝。与早期的模型相反，{ \it我们在这里发展了一个"统一的“理论模型}，它不仅包含了相互作用的核糖体的{ \it互斥}，而且还明确地描述了蛋白质合成过程中这些大分子机器中的每一个的机械化学。利用非平衡统计力学的分析和数值技术，我们分析了该模型中蛋白质合成的速率和核糖体的时空组织。我们还预测了这些性质将如何随着每个核糖体中各种化学机械过程的速率的变化而变化。最后，我们通过对{ \it E-coli}中某些mRNA的蛋白质合成速率和核糖体密度分布进行实验可检验的预测来说明该模型的能力。
2007-01-10 cond-mat.stat-mech 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
A resource dependent protein synthesis model for evaluating synthetic circuits
合成基因网络的可靠的计算机设计需要新的方法来模拟有限资源影响下的蛋白质合成过程。我们提出了这样一个新的蛋白质合成模型，它起源于核糖体流动模型，并分别描述了RNA聚合酶和核糖体在mRNA和DNA模板上的运动。通过分析这个模型的收敛特性的基础上的几何考虑，我们提出了额外的见解蛋白质合成过程的动力学机制。此外，我们示范性地展示了如何使用该模型来评估不同负载情况下的合成基因电路的性能。
2016-10-13 q-bio.MN q-bio.SC
Information costs in the control of protein synthesis
有效的蛋白质合成取决于带电tRNA分子的可用性。有61个不同的密码子，改变tRNA丰度之间的平衡可以导致蛋白质合成速率的巨大变化。以前的理论工作已经询问了这些丰度的优化，并且有一些证据表明，平均而言，调节机制使细胞接近这一最佳值。我们制定的控制精度和合成效率之间的权衡，要求tRNA丰度的最大熵分布与所需的平均蛋白质合成速率一致。我们的分析，使用的数据，从E。这表明合理的合成速率只与相当低的熵相一致，因此细胞的调节机制必须编码大量关于“正确”tRNA丰度的信息。
2019-12-30 cond-mat.stat-mech q-bio.MN 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
Exact solution of stochastic gene expression models with bursting, cell cycle and replication dynamics
文献中的大量随机基因表达模型没有明确描述一代内细胞的年龄，因此它们不能捕获诸如细胞分裂和DNA复制的事件。相反，许多模型通过假设由于细胞分裂而导致的稀释可以通过具有一级动力学的有效衰变反应来描述来隐含地纳入细胞周期。如果进一步假设蛋白质产生以爆发的形式发生，则稳定蛋白质分布是负二项分布。在这里，我们试图了解如何准确这些隐式模型相比，更详细的随机基因表达模型。我们推导出描述突发性蛋白质动力学的化学主方程的精确稳态解，有丝分裂时的二项式分区，包括复制在内的年龄依赖性转录动力学，以及从Erlang或更一般的分布中采样的随机分裂时间;该解决方案对于单一谱系和人口快照设置是不同的。我们表明，蛋白质分布很好地近似的解决方案的隐式模型（负二项）时，每个周期产生的mRNA的平均数量是低的，细胞周期长度的变异性是大的。当这些条件不满足时，分布要么几乎是双峰的，要么在模式附近显示非常平坦的区域，并且不能用隐式模型来描述。我们还表明，对于低转录率的基因，蛋白质噪声的大小有很强的复制时间的依赖性，它几乎是独立的细胞周期变异性谱系测量和增加与细胞周期变异性的人口快照测量。相反，对于大的转录速率，蛋白质噪声的大小是独立的复制时间和细胞周期的变异性增加的谱系和人口的测量。
2020-02-13 q-bio.SC
Single molecule narrowfield microscopy of protein-DNA binding dynamics in glucose signal transduction of live yeast cells
单分子窄视野显微镜是一种多功能的工具，可以研究活细胞中各种蛋白质的动力学，并已广泛用于细菌。在这里，我们描述了这些方法如何可以扩展到更大的真核，酵母细胞，其中包含亚细胞区室。我们描述了如何获得单分子显微镜数据，但也如何分析这些数据，以跟踪和获得扩散在细胞中的分子复合物的化学计量。我们选择葡萄糖介导的活酵母细胞的信号转导作为系统来证明这些单分子技术，因为转录调控基本上是单分子问题-结合基因组中单个结合位点的单个阻遏蛋白可以显著改变整个细胞和群体水平的行为。
2016-05-25 physics.bio-ph q-bio.SC
Power-law scaling in protein synthesis of a stochastic regulon
我们研究了大肠杆菌LE392中lamB基因的蛋白质表达模式。基因产物LamB是麦芽糖转运到细胞中的重要膜蛋白，但它也被λ噬菌体用于感染。虽然我们的细菌种群是克隆的，但随机基因表达导致大多数种群具有大的受体数量，少数种群具有小的受体数量。我们发现，LamB受体分布p（n）的小n人口是规模不变的指数依赖于生长条件。提出了一种启发式模型，该模型将所观察到的指数与蛋白质生产率相关联。
2008-08-07 q-bio.CB 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
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
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
A generalized Michaelis-Menten equation in protein synthesis: effects of mis-charged cognate tRNA and mis-reading of codon
蛋白质一级结构中氨基酸单体的序列由模板信使RNA（mRNA）上相应的密码子序列（核酸单体三联体）决定。蛋白质的聚合，通过连续的氨基酸单体的结合，是由一种称为核糖体的分子机器进行的。我们开发了一个随机动力学模型，捕获的可能性，误读的mRNA密码子和先验的tRNA的错误充电。通过分析和数值方法的结合，我们得到了在这个数学模型中，连续氨基酸在生长蛋白质中掺入所需时间的分布。新生蛋白质的平均延伸速率的相应精确分析表达式是酶促反应平均速率的{ \it Michaelis-Menten公式}的“生物学动机”推广。我们在这里报告的这个广义的Michaelis-Menten式（以及其他一些量的精确解析表达式）显示了与四种不同类型的tRNA的选择相对应的四种不同分支途径的相互作用。
2017-06-01 physics.bio-ph q-bio.QM 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
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
