大腸桿菌蛋白組及轉(zhuǎn)錄物單分子水平測量
科學(xué)家們近日實(shí)現(xiàn)了對物種在整個(gè)表達(dá)譜范圍內(nèi)的蛋白表達(dá)噪聲測量。該項(xiàng)成果是單分子技術(shù)與系統(tǒng)生物學(xué)交互融合的典范，預(yù)示了單細(xì)胞基因表達(dá)分析時(shí)代的來臨。

在基因表達(dá)研究領(lǐng)域，傳統(tǒng)的研究方法是在同等條件下磨碎大量細(xì)胞，然后測量基因產(chǎn)物的數(shù)量，例如mRNA和蛋白。然而zui近的研究卻發(fā)現(xiàn)，看起來*相同的單個(gè)細(xì)胞實(shí)際上表達(dá)水平*是隨機(jī)的，存在著巨大的個(gè)體差異，科學(xué)家稱之為“噪音”?？茖W(xué)家們在研究單細(xì)胞生物體的“噪音”時(shí)發(fā)現(xiàn)，即使是基因*相同的細(xì)胞其行為也是*不同的。測量不同生物體內(nèi)的蛋白表達(dá)噪音可以幫助科學(xué)家們了解生命的演化和功能。

哈佛大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)系謝曉亮小組的研究成果將該領(lǐng)域帶入了一個(gè)新的高度。 7月30日一期美國《科學(xué)》（Science）發(fā)表了題為《大腸桿菌蛋白組及轉(zhuǎn)錄物單分子水平測量》的論文，報(bào)道了大腸桿菌的08個(gè)基因在單個(gè)細(xì)胞內(nèi)的表達(dá)數(shù)以及各個(gè)細(xì)胞間的差異，這些基因占了大腸桿菌全基因組的四分之一左右。他們還同時(shí)測量了其中37個(gè)大量表達(dá)的基因的mRNA分子數(shù)量。

盡管在同基因組細(xì)菌群的細(xì)胞中，蛋白和mRNA拷貝數(shù)差異巨大，不過通常數(shù)量較小，難以在單分子水平上檢測。謝曉亮小組的研究人員利用自己搭建的一套全新的大腸桿菌黃色熒光蛋白融合庫，成功地實(shí)現(xiàn)了單個(gè)細(xì)胞內(nèi)在單分子水平對整個(gè)表達(dá)譜范圍內(nèi)的蛋白和mRNA的定量分析。

該項(xiàng)研究有兩個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)。首先，20%的蛋白質(zhì)表達(dá)水平很低，小于每個(gè)細(xì)胞一個(gè)分子。研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)表達(dá)水平較低的時(shí)候，幾乎所有的蛋白分布均可用兩個(gè)參數(shù)的伽瑪分布來描述，也就是mRNA的轉(zhuǎn)錄速率和每個(gè)mRNA分子表達(dá)為蛋白質(zhì)的數(shù)量。而當(dāng)表達(dá)水平較高的時(shí)候，分布圖被其他的外部噪音所充斥。

作者的另一重要發(fā)現(xiàn)是，單細(xì)胞中某基因在某一時(shí)刻的mRNA表達(dá)拷貝數(shù)與其蛋白表達(dá)拷貝數(shù)無關(guān)，由此可見，單個(gè)細(xì)胞中的蛋白組分析與轉(zhuǎn)錄物分析是沒有關(guān)聯(lián)的。由于細(xì)胞中某些功能基因的蛋白質(zhì)和絕大多數(shù)mRNA的拷貝數(shù)都相當(dāng)?shù)?，這項(xiàng)研究成果提供的方法將大大促進(jìn)科學(xué)家對基因隨機(jī)表達(dá)和調(diào)控的理解。

這種關(guān)聯(lián)性缺失的一個(gè)原因是mRNA分子和蛋白質(zhì)分子在細(xì)胞內(nèi)的壽命長短不同。mRNA只存在幾分鐘，而蛋白質(zhì)分子可以存在數(shù)個(gè)小時(shí)，大大超過細(xì)胞周期。此外，對很多細(xì)胞而言，一些蛋白的*來源來自于母細(xì)胞，而mRNA只是偶爾產(chǎn)生。這就導(dǎo)致了在細(xì)胞分裂過程中某些蛋白質(zhì)分子分配不均衡，這種現(xiàn)象在哺乳動物細(xì)胞中同樣存在。