最近，我中心葛颢副教授与谢晓亮教授、西雅图华盛顿大学应用数学系的钱纮教授合作，共同提出了细菌单细胞表型间的跃迁速率新理论，定量地刻画了基因在活跃程度不同的状态间切换的快慢是如何影响单细胞在不同表型间跃迁的速率。论文于今年2月20日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。
单个细胞常常会具有多个表型，比如细胞中某种蛋白质的分子数或者非常多或者非常少的all-or-none现象，这对于细胞应对不可预知的环境变化是非常重要的。人们已经知道这种现象可以来自于细胞调控中的正反馈机制，也可能来自于基因在表达翻译活跃程度不同的状态间切换的机制。过去十多年中单细胞精确测量技术的飞速发展使得人们发现其实在绝大多数的细胞中，以上这两种机制都是共存的。
最近的单细胞实验也已经证实，至少在细菌中，基因在活跃程度不同的状态间的切换既不像前人的某些模型里假设的那样，要比转录和翻译的速率还要快得多，也不像前人的另一些模型里假设的那样，比细胞分裂的周期还要慢得多。比如在乳糖操纵子里，抑制蛋白与基因操纵子的解离和结合要比细胞分裂周期至少快一个数量级，而又要比转录和翻译的速率至少慢一个数量级。
因此，这篇文章着重研究了这样一种基因在活跃程度不同的状态间的切换既不是特别快也不是特别慢的中间情形，因为这是最符合实际情况的。首先，在这种情形下，作者提出了比完整的化学主方程模型更加简化的速率涨落模型，其中仅仅保留了基因在活跃程度不同的状态间切换的随机性。接下来，作者在该简化模型下得到了非平衡态的景观(landscape)函数，这类似于平衡态统计物理中用来刻画涨落的能量函数；这种景观函数定量刻画了每个细胞表型的内部涨落和不同细胞表型间跃迁速率的最高阶近似(leading order)。该表型间跃迁速率理论类似于化学反应速率中著名的Kramers理论，而且比以往的类似工作更为符合活细胞的实际且更加一般。
文章作者还详细对比了文中的速率理论和前人基于基因在活跃程度不同的状态间的切换要么非常快要么非常慢所提出的速率理论，发现从定性到定量都有着本质的区别。该新理论强调了单个DNA分子的随机行为对于单细胞的多个表型及其功能具有十分重要的影响。
该论文通讯作者是葛颢研究员和谢晓亮研究员。葛颢研究员同时也是北京国际数学研究中心的副教授，谢晓亮研究员同时也是哈佛大学化学与生物化学系的教授。
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DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.078101
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.078101
