単細胞パラメータ推論は,合成哺乳類の遺伝子発現における動的異質性を明らかにする

Joshua Azukas¹, Rafał Krzysztoń¹, Christopher Helenek¹

¹Department of Biomedical Engineering, Stony Brook University, Stony Brook, NY 11794, USA; The Louis and Beatrice Laufer Center for Physical and Quantitative Biology, Stony Brook University, Stony Brook, New York 11794, United States.

|February 21, 2026

まとめ

ネガティブなフィードバック遺伝子の回路は,遺伝子発現のノイズを軽減します. この研究では,フィードバックの強さが,先端のイメージングと推論方法を使用して,時間とともに,そして細胞集団全体でタンパク質レベルの変化にどのように影響するか定量化しています.

科学分野:

分子生物学は分子生物学である.
システム生物学システム生物学
バイオフィジックス生物物理学

背景:

遺伝子発現は,分化やアポトーシスなどの重要な細胞過程に影響を与える自然的な変動 ("ノイズ") を表します.
ネガティブなフィードバック遺伝子の回路は単一遺伝子の発現ノイズを軽減するために使用されていますが,哺乳類における時間および集団レベルのノイズに対するその定量的影響は不明です.

研究の目的:

哺乳類の細胞における時間的および集団レベルの遺伝子発現ノイズを定量的に特徴付ける.
転写による負のフィードバックが,このノイズをどのように変化させるかを調査する.
フィードバックと構成的な遺伝子発現システム間のノイズプロフィールを比較する.

主な方法:

単細胞配列の生細胞イメージング (LISCA) と確率フリー推論を組み合わせた包括的な枠組みの開発.
単細胞解像度および時間領域におけるストキャスティック遺伝子発現の特徴化.
ハイブリッドストキャスティック/デターミニストモデルを検証するために,運動速度のパラメータを推論する.

主要な成果:

時間のノイズ (CVt) と人口のレベルのノイズ (CVp) の間で大きな違いが観察されました.
ネガティブなフィードバックの強さと協力性は,平均タンパク質レベルとその変動を定量的に制御することが示されました.
この研究では,変化係数 (CV) と平均タンパク質レベルの関係に対する予測モデルが検証されました.

結論:

転写のネガティブなフィードバックは,一時的および集団レベルの遺伝子発現ノイズの両方を調節する上で重要な役割を果たします.
フィードバックの強さと協調性は,集団内および時間とともにタンパク質の変動範囲を決定する重要なパラメータです.
開発されたフレームワークは,複雑な生物システムのストキャスティック遺伝子発現ダイナミクスを解剖するための強力なツールを提供します.

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