大腸桿菌蛋白組及轉錄物單分子水平測量
科學家們近日實現了對物種在整個表達譜范圍內的蛋白表達噪聲測量。該項成果是單分子技術與系統(tǒng)生物學交互融合的典范，預示了單細胞基因表達分析時代的來臨。

在基因表達研究領域，傳統(tǒng)的研究方法是在同等條件下磨碎大量細胞，然后測量基因產物的數量，例如mRNA和蛋白。然而zui近的研究卻發(fā)現，看起來*相同的單個細胞實際上表達水平*是隨機的，存在著巨大的個體差異，科學家稱之為“噪音”。科學家們在研究單細胞生物體的“噪音”時發(fā)現，即使是基因*相同的細胞其行為也是*不同的。測量不同生物體內的蛋白表達噪音可以幫助科學家們了解生命的演化和功能。

哈佛大學化學與生物化學系謝曉亮小組的研究成果將該領域帶入了一個新的高度。 7月30日一期美國《科學》（Science）發(fā)表了題為《大腸桿菌蛋白組及轉錄物單分子水平測量》的論文，報道了大腸桿菌的08個基因在單個細胞內的表達數以及各個細胞間的差異，這些基因占了大腸桿菌全基因組的四分之一左右。他們還同時測量了其中37個大量表達的基因的mRNA分子數量。

盡管在同基因組細菌群的細胞中，蛋白和mRNA拷貝數差異巨大，不過通常數量較小，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，成功地實現了單個細胞內在單分子水平對整個表達譜范圍內的蛋白和mRNA的定量分析。

該項研究有兩個驚人的發(fā)現。首先，20%的蛋白質表達水平很低，小于每個細胞一個分子。研究人員發(fā)現當表達水平較低的時候，幾乎所有的蛋白分布均可用兩個參數的伽瑪分布來描述，也就是mRNA的轉錄速率和每個mRNA分子表達為蛋白質的數量。而當表達水平較高的時候，分布圖被其他的外部噪音所充斥。

作者的另一重要發(fā)現是，單細胞中某基因在某一時刻的mRNA表達拷貝數與其蛋白表達拷貝數無關，由此可見，單個細胞中的蛋白組分析與轉錄物分析是沒有關聯(lián)的。由于細胞中某些功能基因的蛋白質和絕大多數mRNA的拷貝數都相當低，這項研究成果提供的方法將大大促進科學家對基因隨機表達和調控的理解。

這種關聯(lián)性缺失的一個原因是mRNA分子和蛋白質分子在細胞內的壽命長短不同。mRNA只存在幾分鐘，而蛋白質分子可以存在數個小時，大大超過細胞周期。此外，對很多細胞而言，一些蛋白的*來源來自于母細胞，而mRNA只是偶爾產生。這就導致了在細胞分裂過程中某些蛋白質分子分配不均衡，這種現象在哺乳動物細胞中同樣存在。