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
Comment on "Length-dependent translation of messenger RNA by ribosomes"
在Valleriani { \it et al} [Phys. Rev. E { \bf 83}，042903（2011）]的最新论文中，提出了用于描述核糖体翻译信使RNA（mRNA）的简单模型，并且获得了翻译率$r$的表达式，所述翻译率$r$定义为蛋白质从mRNA的翻译速率$ω_{\rm tl}$与蛋白质的降解速率$ω_p$的比率。得到这个比率$r$的关键点是得到翻译率$ω_{\rm tl}$。在Valleriani { \it et al}的研究中，假定$ω_{\rm tl}$是测量的翻译速率的平均值，即蛋白质的翻译数与mRNA的寿命的比率的平均值。然而，在实验中，可以使用不同的方法来获得$ω_{\rm tl}$。因此，为了将来将他们的模型应用于更多的实验数据分析，在本文中，提供了三种获得平移率$ω_{\rm tl}$的方法，从而获得平移比$r$。基于大多数实验中可能采用的方法之一，我们发现，在原核细胞中，翻译率$r$随mRNA的长度呈指数衰减，而在真核细胞中，翻译率随mRNA的长度呈指数衰减。这一结果与Valleriani的研究结果略有不同。
2011-10-10 physics.bio-ph q-bio.BM
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
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
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
Physical modeling of ribosomes along messenger RNA: estimating kinetic parameters from ribosome profiling experiments using a ballistic model
基因表达是由DNA上编码的信息合成蛋白质。基因表达的两个主要步骤之一是将信使RNA（mRNA）翻译成氨基酸的多肽序列。在这里，考虑到mRNA的降解，我们沿着mRNA的弹道模型，粒子沿细丝前进，不排除体积相互作用的运动的核糖体模型。单向运输模型先前已用于拟合通过实验核糖测序（Ribo-seq）技术获得的核糖体的平均密度。在这种情况下，逆拟合可以获得动力学速率：位置依赖的速度和核糖体进入mRNA的速率。然而，降解速率未被考虑，并且需要来自不同实验的实验数据以具有用于拟合的足够参数。在这里，我们提出了一个全新的实验装置和理论框架，包括根据核糖体的数量从一到四将mRNA分成几类。我们解析地解决每个mRNA的核糖体的固定数量的弹道模型，研究不同的制度的降解，并提出了一个标准的逆拟合的质量。所提出的方法提供了一个高灵敏度的mRNA降解速率。来自使用单体（单个核糖体）和多聚体（任意数量）核糖体-seq谱的额外方程使我们能够根据实验可获得的mRNA降解速率来确定所有动力学速率。
2022-08-26 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
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
Towards a model for protein production rates
在翻译过程中，核糖体读取mRNA上的遗传密码，并组装相应的多肽链。核糖体进行离散定向运动，这是很好地模拟了一个完全不对称的简单排除过程（TASEP）与开放的边界。使用蒙特卡罗模拟和一个简单的平均场理论，我们讨论了一个或两个“校验”的影响（即，慢密码子）对最终蛋白质的生产速率的影响。重复和扩展了Chou和Lakatos以前的工作，我们发现慢密码子的位置和间距可以非常显著地影响生产率。特别是，我们观察到一种新的“边缘”效应，即，单个慢密码子与系统边界的相互作用。我们专注于详细的核糖体密度分布图，并提供了一个简单的解释，控制这些相互作用的范围内的长度尺度。
2006-06-30 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
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
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
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
ExpressInHost: A codon tuning tool for the expression of recombinant proteins in host microorganisms
RAGINHost（https：//gitlab.com/a.raguin/expressinhost）是基于GTK/C++的用户友好的图形界面，其允许调整mRNA的密码子序列以用于宿主微生物中的重组蛋白表达。异源基因表达在生物技术公司和学术研究实验室中广泛实施。然而，重组蛋白的表达可能具有挑战性。一方面，使翻译速度最大化是重要的，特别是在与生物技术公司相关的可扩展的生产过程中，但另一方面，溶解性问题通常会因此而出现，因为翻译“暂停”可能是允许新生多肽链适当折叠的关键。为了应对这一挑战，我们开发了一种软件，该软件提供了三种不同的模式来使用遗传密码冗余调整密码子序列。实施的调整策略考虑到宿主和天然生物体的特定tRNA资源。它们平衡了快速翻译和天然速度模仿，这对于允许适当的蛋白质折叠可能是重要的，从而避免蛋白质溶解度问题。
2022-10-30 physics.bio-ph
Slowing translation to avoid ribosome population extinction and maintain stable allocation at slow growth rates
针对缓慢生长下核糖体数量下降及灭绝风险，本文提出将翻译速度作为替代控制参数，以更大核糖体池维持稳定生长并解释相关实验现象。
2025-03-17 physics.bio-ph q-bio.OT
