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在荧光共振能量转移显微镜中对分子相互作用动力学的最佳推断。

Optimal inference of molecular interaction dynamics in FRET microscopy.

机构信息

Department of Molecular, Cellular, and Developmental Biology, Yale University, New Haven, CT 06511.

Quantitative Biology Institute, Yale University, New Haven, CT 06511.

出版信息

Proc Natl Acad Sci U S A. 2023 Apr 11;120(15):e2211807120. doi: 10.1073/pnas.2211807120. Epub 2023 Apr 4.

DOI:10.1073/pnas.2211807120
PMID:37014867
原文链接:https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10104582/
Abstract

Intensity-based time-lapse fluorescence resonance energy transfer (FRET) microscopy has been a major tool for investigating cellular processes, converting otherwise unobservable molecular interactions into fluorescence time series. However, inferring the molecular interaction dynamics from the observables remains a challenging inverse problem, particularly when measurement noise and photobleaching are nonnegligible-a common situation in single-cell analysis. The conventional approach is to process the time-series data algebraically, but such methods inevitably accumulate the measurement noise and reduce the signal-to-noise ratio (SNR), limiting the scope of FRET microscopy. Here, we introduce an alternative probabilistic approach, B-FRET, generally applicable to standard 3-cube FRET-imaging data. Based on Bayesian filtering theory, B-FRET implements a statistically optimal way to infer molecular interactions and thus drastically improves the SNR. We validate B-FRET using simulated data and then apply it to real data, including the notoriously noisy in vivo FRET time series from individual bacterial cells to reveal signaling dynamics otherwise hidden in the noise.

摘要

基于强度的荧光共振能量转移(FRET)延时显微镜技术一直是研究细胞过程的主要工具,它将原本不可观察的分子相互作用转化为荧光时间序列。然而,从可观察到的信号中推断分子相互作用动力学仍然是一个具有挑战性的反问题,特别是在测量噪声和荧光漂白不可忽略的情况下——这在单细胞分析中是很常见的。传统的方法是对时间序列数据进行代数处理,但这种方法不可避免地会累积测量噪声并降低信噪比(SNR),从而限制了 FRET 显微镜的应用范围。在这里,我们引入了一种替代的概率方法 B-FRET,它通常适用于标准的 3 立方体 FRET 成像数据。基于贝叶斯滤波理论,B-FRET 实现了一种推断分子相互作用的统计最优方法,从而极大地提高了 SNR。我们使用模拟数据验证了 B-FRET,然后将其应用于真实数据,包括来自单个细菌细胞的著名的噪声 FRET 时间序列,以揭示隐藏在噪声中的信号动力学。

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