Quantitative analysis of competition in post-transcriptional regulation reveals a novel signature in target expression variation
当小RNA加载到Argonaute蛋白上时，它们可以形成RNA诱导的沉默复合物（RISC），介导RNA干扰。RISC形成依赖于Argonaute蛋白和RISC加载因子的共享库，因此易受小RNA之间竞争加载的影响。我们提出了一个数学模型，旨在了解小RNA的PTR资源的竞争如何影响靶基因的阻遏。我们讨论了小RNA活性受到RISC形成、RISC降解和Argonaute可用性的限制。总之，这些观察结果解释了实验中遇到的PTR饱和效应。我们发现，RISC加载的不同竞争条件导致PTR活性的不同签名也由RISC再循环发生的量决定。特别是，我们发现小RNA在RISC形成方面效率较低，使用较少的PTR途径资源，可以在低RISC循环范围内与其更有效的对应物一样好地执行。此外，我们预测了一个新的签名的PTR的目标表达水平。在低RISC加载效率和高RISC再循环的条件下，靶水平的变化随靶转录速率线性增加。此外，我们表明RISC循环决定了Argonaute稀缺条件对靶表达变异的影响。我们的观察一起提供了一个框架的预测，可以用来从实验数据推断的特定特征的潜在PTR活动。
2013-01-16 q-bio.MN q-bio.QM
Gene Regulation by Riboswitches with and without Negative Feedback Loop
核糖开关是位于信使RNA非翻译区的结构元件，通过结合特定的代谢物来调节基因表达。我们引入一个动力学网络模型，描述核糖开关的功能，在系统水平上。使用黄素单核苷酸核糖开关的实验数据作为指导，我们表明，有效的功能，这意味着一个大的动态范围，而不损害抑制转录的要求，是由转录速度，适体的折叠和展开速率之间的平衡，和代谢产物的结合率。我们还研究了负反馈对代谢物结合的影响，这些代谢物本身就是受调控基因的产物。对于一系列转录速率，负反馈抑制基因表达近10倍。负反馈加速了基因表达响应时间，并且当DNA浓度中存在适度尖峰时，相对于没有反馈的情况，负反馈将稳态蛋白质浓度的变化抑制一半。一个动态相图表示转录速度，折叠速率，代谢物结合率预测核糖开关介导的转录调控不同的情况。
2012-10-25 q-bio.MN
Intrinsic noise of microRNA-regulated genes and the ceRNA hypothesis
MicroRNA是一类非编码小RNA，通过结合和降解真核生物的靶mRNA来调控基因转录。我们使用定量模型研究抑制性microRNA的基因调控，并将其与原核小非编码RNA（sRNA）的基因调控进行比较。我们的模型结合了分析技术和计算模拟来计算由microRNA和sRNA调控的基因的平均表达和噪声谱。我们发现，尽管有非常不同的分子机制和作用模式（催化与化学计量），microRNA调控基因的平均表达水平和噪音谱几乎相同的基因由原核sRNAs调控。这种行为非常稳健，并且在广泛的生物学相关参数范围内持续存在。我们扩展我们的模型来研究由单个microRNA调控的多个mRNA之间的串扰，并表明噪声是microRNA介导的mRNA之间相互作用的敏感指标。最后，我们讨论了可能的实验策略，揭示microRNA-mRNA的相互作用和测试竞争的内源性RNA（ceRNA）的假设。
2013-09-09 q-bio.MN q-bio.SC
Messenger RNA Fluctuations and Regulatory RNAs Shape the Dynamics of Negative Feedback Loop
简单调控网络的单细胞实验与细胞群体实验有显著不同。这种差异是由单个细胞中的随机事件引起的，这些随机事件在细胞群体中被平均化。例如，虽然单个细胞可能显示出某些蛋白质浓度的持续振荡，但这种振荡可能在群体平均值中表现出阻尼。在本文中，我们研究的作用RNA随机波动作为一个主导力量，产生一个持续的兴奋行为在单细胞水平。反对以前的一些模型，我们建立了一个完全随机模型的负反馈回路，明确考虑到RNA的随机动力学。我们发现信使RNA的随机波动可以在翻译过程中被放大，并产生持续的蛋白质表达脉冲。受最近对非编码调节RNA在转录后调节中的重要性的认识的启发，我们也考虑了调节RNA转录本可以与信使RNA结合并抑制翻译的可能性。我们的研究结果表明，调节转录有助于减少基因表达的变异性在单细胞水平和细胞群体水平。
2010-07-27 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.MN
Biological insights from RIL-seq in bacteria
本文综述了RIL-seq高通量技术揭示的细菌sRNA-RNA调控网络，强调全面理解sRNA调控对控制细菌生长和抗感染策略开发的重要性。
2024-11-24 q-bio.MN
A quantitative comparison of sRNA-based and protein-based gene regulation
小的非编码RNA（sRNA）在原核生物中作为遗传调节因子发挥重要作用。sRNA通过与靶mRNA的互补配对在转录后发挥作用以调节蛋白质表达。我们使用定量的方法来比较和对比sRNA与传统的转录因子（TF），以更好地了解每种形式的调节的优点。特别是，我们计算的稳态行为，噪声特性，依赖于频率的增益（放大），和动态响应大输入信号的两种形式的监管。虽然平均稳态行为的sRNA调节蛋白表现出独特的可调阈值线性行为，我们的分析表明，转录爆发导致显着更高的内在噪音在基于sRNA的调节比TF为基础的调节在大范围的表达水平，并限制了能力的sRNA进行定量信号。尽管如此，我们发现sRNA在过滤输入信号中的噪声方面比TF更好。此外，我们发现sRNA允许细胞对输入信号的巨大变化做出快速反应。这些特征表明sRNA在允许细胞在不同状态之间快速而可靠地转变方面具有一定的优势。这一功能生态位与sRNA在原核生物应激反应和准发育网络中的广泛出现是一致的。
2008-09-02 q-bio.MN q-bio.SC
Threshold response and bistability in gene regulation by small noncoding RNA
在本文中，我们通过数学建模研究了蛋白质和小的非编码RNA（sRNA）在遗传反馈基序中的转录和翻译调控的综合效应，该基序在与氧气和能量可用性相关的压力下大肠杆菌的生存中起着重要作用。我们发现，这个基序的细微变化可以带来截然不同的影响基因表达。特别是，我们表明，随着sRNA合成或降解调节的改变，基因表达中的阈值响应改变为双稳态响应。这些结果是在确定性条件下得到的。接下来，我们研究了基因表达是如何被加性和乘性噪声改变的，这些噪声可能是由于不同生化事件的概率发生而产生的。使用Fokker-Planck公式，我们得到了稳态概率分布的sRNA浓度的网络模体显示双稳态。发现概率分布是双峰的，在低和高浓度的sRNA具有两个峰。我们进一步研究了在不同的噪声强度和相关值下的概率分布的变化。所得结果对人工控制综合网络的设计有一定的参考价值。
2018-02-15 q-bio.CB q-bio.MN
Dissipation in non-steady state regulatory circuits
为了对环境信号做出反应，细胞通常使用小分子电路来传递有关其周围环境的信息。最近，受到信号传导和基因调控中具体例子的激励，一系列工作集中在电路的特性上，这些电路的功能不平衡并消耗能量。我们简要回顾了信息和耗散的概率测度，并使用简单的模型来讨论和说明生物电路中信息和耗散之间的权衡。我们发现，非稳态初始条件的电路可以传输更多的信息，在小的读出延迟比稳态电路。与稳态耗散相比，这种额外信息的耗散成本被证明是微不足道的。反馈不会显著增加非稳态电路的传输信息，但会降低耗散成本。最后，我们讨论了突发性基因调控电路的情况下，即使在快速开关的限制功能的平衡。
2019-11-08 q-bio.MN
Applications of Little's Law to stochastic models of gene expression
基因表达的内在随机性可导致细胞群体中蛋白质水平的巨大变化。为了解释这种变异性，在基因表达的随机模型中提出了mRNA波动的不同来源（“泊松”和“电报”过程）。泊松和电报情景模型解释了蛋白质表达的“爆发”方面的蛋白质水平的噪声的实验观察。相应地，人们对建立基因表达一般随机模型的突发和稳态蛋白质分布之间的关系非常感兴趣。在这项工作中，我们解决这个问题，考虑随机模型之间的映射基因表达和问题的兴趣在遗传理论。通过应用一般定理，小的法律，我们推导出精确的关系，连接突发和稳态分布的方式与任意等待时间分布的mRNA和蛋白质的到达和降解的模型。导出的关系有影响的方法来量化的转录爆发的程度，从而区分不同来源的内在噪声在基因表达。为了说明这一点，我们考虑了一个模型的小RNA的蛋白质表达的突发调节。对于广泛的参数，我们推导出的平均蛋白质水平的分析表达式（随机模拟验证）的调节小RNA的水平不同。所获得的结果表明，转录爆发的程度，原则上，可以确定从平均稳态蛋白质水平的一般随机模型的基因表达的变化。
2010-07-12 physics.bio-ph q-bio.MN
Noise Processing by MicroRNA-Mediated Circuits: the Incoherent Feed-Forward Loop, Revisited
在高等真核生物中，基因表达的内在随机性通常通过稳定输出层（最显著的是蛋白质水平）的转录后调节通道来减轻。在遗传调控网络的特定基序中发现了小的非编码RNA（miRNAs），这导致将噪声缓冲鉴定为它们在调控中发挥的可能的关键功能。最近的体外和计算机研究证实了这一假设。然而，还已知miRNA介导的噪音降低受到简单拓扑结构中的转录爆发的阻碍。在这里，使用随机模拟验证的分析计算的基础上van Kampen的扩展，我们重新审视的miRNA介导的非相干前馈环（IFFL），一个小模块，是广泛存在于高等真核生物的基因调控网络的噪声缓冲能力，以占调节基因的转录活性的影响。我们表明，爆裂大大改变电路的能力，以控制静态蛋白质噪声。通过与其他调控结构的比较，我们发现，直接转录调控显着优于IFFL在广泛的动力学参数。这表明，在脉动输入下，在表征调节元件的性能方面，静态降噪可能不如噪声和信息处理的动态方面重要。
2016-04-11 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Stress induces remodelling of yeast interaction and co-expression networks
网络分析为全基因组数据的解释提供了一个强大的框架。虽然静态网络的方法已被证明是富有成效的，有越来越多的兴趣在不同条件下的蜂窝网络的分析所获得的见解。在这项工作中，我们研究了应力对裂殖酵母细胞网络的影响。应激引发复杂的大规模细胞反应，涉及从细胞生长和代谢向保护和维持的资源转移。以前的工作表明，这些变化可以在网络层面上得到赞赏。在本文中，我们研究了两种类型的细胞网络：基因共调控网络和加权蛋白质相互作用网络。我们表明，在应对氧化应激，共调节网络重组朝着一个更加模块化的结构：而套基因变得更加紧密的共调节，这些模块之间的共调节减少。这种转变转化为更长的平均最短路径长度，增加了传递性，并减少了这些网络中的模块重叠。我们还发现了一个类似的变化，在加权蛋白质相互作用网络在响应氧化应激和氮饥饿，确认和扩展以前的研究结果。网络结构的这些变化可能代表网络鲁棒性的增加和/或更专业的功能模块的出现。此外，我们发现应激诱导非编码RNA的更紧密的共调节，剪接因子的功能重要性降低，以及参与染色质组织、细胞骨架组织、细胞分裂和蛋白质周转的基因中心性的变化。
2013-03-20 q-bio.CB q-bio.GN q-bio.MN
Exact distributions for stochastic gene expression models with bursting and feedback
基因表达的随机性可引起蛋白质水平的波动，并导致遗传相同细胞群体中的表型变异。最近的实验表明，爆发和反馈机制在控制基因表达和表型变异的噪声中起着重要作用。定量了解这些因素的影响，需要分析相应的随机模型。然而，对于具有反馈和突发的基因表达随机模型，迄今为止还没有得到蛋白质分布的精确分析结果。在这里，我们分析了一个具有突发和反馈调节的基因表达模型，并得到了相应的蛋白质稳态分布的精确结果。所获得的结果提供了新的见解突发和反馈的作用，在噪声调节和优化。此外，对于一个特定的参数选择，系统研究映射到一个双态生化开关驱动的突发输入噪声源。因此，衍生的分析结果提供了定量的见解，涉及噪音在基因表达和生化开关不同的细胞过程。
2014-11-26 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Probing the limits to microRNA-mediated control of gene expression
根据“ceRNA假说”，microRNA（miRNAs）可以作为长编码或非编码RNA分子之间有效的正相互作用的介质，对各种生物过程具有重要的潜在意义。在这里，最近的工作提供了一个定量描述的小调控元件的信息传递渠道的启发，我们的特点的有效性，miRNA介导的调节调节的调制器（转录因子）和目标节点（长RNA）之间可实现的最佳信息流。我们的研究结果表明，虽然需要足够大程度的靶去抑制来激活miRNA介导的传递，但（a）在复杂加工和/或转录能力的不同机制的情况下，转录后miRNA通道的调节可以优于通过直接转录控制实现的调节;此外，（b）在存在大量弱相互作用的miRNA分子的情况下，来自滴定的额外噪声消失，使得miRNA通道与直接通道一样有效地处理信息。这些观察结果建立了miRNA介导的转录后串扰的限制，并表明，除了提供一定程度的噪音缓冲，这种类型的控制可以有效地在细胞中作为故障安全机制和作为基因表达的优先微调器，指出这些功能中的每一个被最大化的特定情况。
2016-01-26 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.MN
Small RNA driven feed-forward loop: Fine-tuning of protein synthesis through sRNA mediated cross-talk
通常在细菌调控网络中，小的非编码RNA（sRNA）与几种mRNA相互作用。mRNA之间结合相同sRNA库的竞争可能导致mRNA之间的串扰。这类似于竞争性内源RNA（ceRNA）效应，其中在真核细胞中竞争结合相同的miRNA库导致miRNA介导的串扰，导致具有稳定的基因表达的微妙和复杂的基因调控。我们研究了一个sRNA驱动的前馈环（sFFL），其中顶级调节因子sRNA（RprA）直接或间接地激活靶蛋白（RicI），通过上调其转录激活因子（RpoS/sigma^s）。我们发现，两种mRNA之间的sRNA介导的串扰导致最大的目标蛋白质合成的低合成率的RpoS-mRNA。这表明了有效利用RpoS-mRNA的最佳靶蛋白合成的可能性，RpoS-mRNA通常与细胞内的各种其他应激反应活性相关。由于基因表达是固有的随机性，由于与它相关的各种分子相互作用的概率性质，我们接下来量化的目标蛋白质水平的波动，使用生成函数为基础的方法和随机模拟。提供浓度波动量度的变异系数在也对应于最佳靶蛋白合成的条件下显示最小值。这促使我们得出结论，在sFFL中，串扰导致具有最小噪声和RpoS-mRNA的有效利用的最佳靶蛋白合成。
2019-12-14 cond-mat.stat-mech q-bio.MN
Intrinsic noise in stochastic models of gene expression with molecular memory and bursting
基因表达中的内在噪声调节对于许多细胞功能是必不可少的。相应地，人们对理解基因表达的不同分子机制如何影响细胞群体中蛋白质水平的变化非常感兴趣。在这项工作中，我们分析了突发性基因表达的随机模型，认为一般的等待时间分布的到达和衰减的蛋白质。通过映射系统的模型分析在混沌理论，我们推导出的解析表达式的噪声在稳态蛋白质分布。衍生的结果扩展了以前的工作，包括任意概率分布的影响，代表分子记忆和爆裂的影响。获得的分析表达式提供了对转录、转录后和翻译后机制在控制基因表达中噪音中的作用的深入了解。
2011-01-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.MN
The role of incoherent microRNA-mediated feedforward loops in noise buffering
MicroRNA是一类内源性非编码RNA，在植物和动物体内负调控蛋白质编码基因的表达。已知它们在若干生物过程中起重要作用，并且与转录因子一起形成复杂且高度互连的调控网络。观察该网络的结构，可以识别出一些代表性过高的基序，这些基序预计将执行重要的基本调节功能。其中，microRNA介导的前馈环发挥着特殊的作用，在该前馈环中，主转录因子调节microRNA，并与其一起调节一组靶基因。在本文中，我们通过分析和模拟表明，该模体的不连贯的版本可以耦合的目标蛋白质水平的微调与有效的噪声控制，从而赋予精度和稳定性的整体基因表达程序，特别是在上游监管机构的波动的存在下。在其他结果中，我们的模型的一个重要预测是，波动的最佳衰减与目标表达的适度抑制相一致。这一特征与预期的微调功能一致，并且与广泛类别的microRNA对其靶蛋白输出的实际影响的实验观察一致。最后，我们描述了如果microRNA介导的电路不被认为是孤立的，而是嵌入在一个更大的监管网络中，那么microRNA靶点之间的串扰对噪声缓冲效率的影响。
2011-09-12 q-bio.MN q-bio.QM
