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核糖体沿信使 RNA 的物理建模:使用弹道模型从核糖体图谱实验中估计动力学参数。

Physical modeling of ribosomes along messenger RNA: Estimating kinetic parameters from ribosome profiling experiments using a ballistic model.

机构信息

Laboratoire Charles Coulomb (L2C), Univ. Montpellier, CNRS, Montpellier, France.

Department of Physics, Faculty of Natural and Applied Sciences, Umaru Musa Yar'adua University, Katsina, Nigeria.

出版信息

PLoS Comput Biol. 2023 Oct 20;19(10):e1011522. doi: 10.1371/journal.pcbi.1011522. eCollection 2023 Oct.

DOI:10.1371/journal.pcbi.1011522
PMID:37862386
原文链接:https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10659217/
Abstract

Gene expression is the synthesis of proteins from the information encoded on DNA. One of the two main steps of gene expression is the translation of messenger RNA (mRNA) into polypeptide sequences of amino acids. Here, by taking into account mRNA degradation, we model the motion of ribosomes along mRNA with a ballistic model where particles advance along a filament without excluded volume interactions. Unidirectional models of transport have previously been used to fit the average density of ribosomes obtained by the experimental ribo-sequencing (Ribo-seq) technique in order to obtain the kinetic rates. The degradation rate is not, however, accounted for and experimental data from different experiments are needed to have enough parameters for the fit. Here, we propose an entirely novel experimental setup and theoretical framework consisting in splitting the mRNAs into categories depending on the number of ribosomes from one to four. We solve analytically the ballistic model for a fixed number of ribosomes per mRNA, study the different regimes of degradation, and propose a criterion for the quality of the inverse fit. The proposed method provides a high sensitivity to the mRNA degradation rate. The additional equations coming from using the monosome (single ribosome) and polysome (arbitrary number) ribo-seq profiles enable us to determine all the kinetic rates in terms of the experimentally accessible mRNA degradation rate.

摘要

基因表达是指从 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,我们考虑到 mRNA 的降解,通过弹道模型来模拟核糖体在 mRNA 上的运动,其中粒子沿着没有排斥体积相互作用的细丝前进。以前,单向运输模型已被用于拟合通过实验核糖体测序(Ribo-seq)技术获得的核糖体的平均密度,以获得动力学速率。然而,降解率并未得到考虑,并且需要来自不同实验的实验数据才能为拟合提供足够的参数。在这里,我们提出了一个全新的实验设置和理论框架,包括根据一个到四个核糖体的数量将 mRNA 分成几类。我们为每个 mRNA 上的固定核糖体数量解析了弹道模型,研究了不同的降解状态,并提出了一种用于反拟合质量的标准。所提出的方法对 mRNA 降解率具有很高的灵敏度。使用单核糖体(单个核糖体)和多核糖体(任意数量)核糖体测序图谱的附加方程使我们能够根据实验可访问的 mRNA 降解率来确定所有的动力学速率。

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