基因轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制

戚家銘，王耀來(lái)，唐旭清

(江南大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

1958年，Crick提出了分子生物學(xué)的中心法則：DNA自我復(fù)制，DNA轉(zhuǎn)錄生成RNA，RNA翻譯生成蛋白質(zhì)。轉(zhuǎn)錄是基因表達(dá)的第一環(huán)節(jié)，它把遺傳信息和生理功能的主要執(zhí)行者蛋白質(zhì)聯(lián)系到了一起。轉(zhuǎn)錄調(diào)控，決定著基因的表達(dá)量，從而決定了它對(duì)于生物體的發(fā)育、形態(tài)結(jié)構(gòu)、以及各類生理功能的基礎(chǔ)性地位。近年來(lái)，隨著生化檢測(cè)技術(shù)水平的不斷提高，學(xué)術(shù)界發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新現(xiàn)象——轉(zhuǎn)錄爆發(fā)(Transcriptional bursting)?；驎?huì)從沉默的狀態(tài)突然切換為激活態(tài)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄、并在短時(shí)間內(nèi)(通常不超過(guò)2～3 min)急劇生成產(chǎn)生大量信使RNA；然后再次進(jìn)入沉默的狀態(tài)[1-4]。轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的發(fā)現(xiàn)，意味著已有的轉(zhuǎn)錄調(diào)控知識(shí)需要重新審視；也因?yàn)槿绱?，轉(zhuǎn)錄爆發(fā)迅速成為當(dāng)前生命科學(xué)的熱點(diǎn)問(wèn)題，成為后基因組時(shí)代的研究重點(diǎn)[5-6]。轉(zhuǎn)錄爆發(fā)，從簡(jiǎn)單的原核生物到高等哺乳動(dòng)物細(xì)胞，普遍存在[1-4]。本文綜述真核生物的轉(zhuǎn)錄爆發(fā)及其調(diào)控。

新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，使得科學(xué)家們開始不斷尋找合適的數(shù)學(xué)模型對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行定量解釋。傳統(tǒng)上認(rèn)為，基因轉(zhuǎn)錄是一個(gè)泊松過(guò)程[7]。但是，在很多情況下，泊松模型并不能與數(shù)據(jù)吻合。為了對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，學(xué)術(shù)界提出了兩態(tài)模型。兩態(tài)模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明，應(yīng)用廣泛，與數(shù)據(jù)擬合較好[8-9]。本文首先介紹轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的現(xiàn)象和模型。

基因轉(zhuǎn)錄表現(xiàn)為爆發(fā)式，帶來(lái)一個(gè)富有挑戰(zhàn)性而又有趣的難題。先前認(rèn)為，轉(zhuǎn)錄水平與基因接受的調(diào)控信號(hào)的強(qiáng)度正相關(guān)——通常用希爾函數(shù)表示[10-11]。具體來(lái)講，激活子(也全稱為基因特異性轉(zhuǎn)錄因子)的濃度越高，基因轉(zhuǎn)錄水平越高。轉(zhuǎn)錄爆發(fā)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，意味著傳統(tǒng)觀點(diǎn)不再成立。過(guò)去的幾年來(lái)，多種信號(hào)調(diào)控機(jī)制如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，比如轉(zhuǎn)錄爆發(fā)頻率調(diào)制[8,12]、轉(zhuǎn)錄爆發(fā)尺度調(diào)制[9,13],以及它們的組合調(diào)制等[14]。但是，學(xué)術(shù)界尚未達(dá)成共識(shí)，并且都沒(méi)有拿出壓倒性的證據(jù)。本文將介紹轉(zhuǎn)錄爆發(fā)現(xiàn)象轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)胞調(diào)控信號(hào)的可能機(jī)制及其重要的生物學(xué)意義，并指出轉(zhuǎn)錄爆發(fā)領(lǐng)域待解決的問(wèn)題。

1 轉(zhuǎn)錄爆發(fā)現(xiàn)象

轉(zhuǎn)錄爆發(fā)現(xiàn)象的最初發(fā)現(xiàn)可追溯到1979年。Mcknight和Miller使用電子顯微鏡在對(duì)果蠅胚胎的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象：轉(zhuǎn)錄時(shí)，染色體片段因被無(wú)轉(zhuǎn)錄發(fā)生的區(qū)域隔開而形成許多的新生RNA集群(RNA cluster)。這個(gè)新生RNA的集群現(xiàn)象就是最早的轉(zhuǎn)錄爆發(fā)。他們認(rèn)為這種現(xiàn)象是由于轉(zhuǎn)錄起始的漲落引起的[15]。但是，這一發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有引起足夠的重視。轉(zhuǎn)錄過(guò)程被認(rèn)為是一個(gè)平穩(wěn)過(guò)程，即轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的生成速率(單位時(shí)間內(nèi)生成的RNA數(shù)量)不隨時(shí)間變化?？紤]到分子間相互作用的隨機(jī)性，基因的轉(zhuǎn)錄速率在其均值的上下輕微波動(dòng)[10]。因此，基因被認(rèn)為以常數(shù)概率進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，信使RNA的生成是一個(gè)泊松過(guò)程[7]。

因?yàn)閭鹘y(tǒng)生化技術(shù)是從細(xì)胞群體水平上進(jìn)行檢測(cè)的，所以最終得到的是平均信息，丟失了單細(xì)胞的動(dòng)態(tài)信息。1990年，Ko等首先使用一種報(bào)告基因(Reporter gene)的方法[16]。報(bào)告基因被定義為表達(dá)產(chǎn)物既易于檢測(cè)又易于與內(nèi)源性蛋白的背景區(qū)分的外源性基因。報(bào)告基因技術(shù)是指將報(bào)告基因剪接到目標(biāo)基因啟動(dòng)子之后，再通過(guò)質(zhì)粒轉(zhuǎn)染到細(xì)胞內(nèi)，在特定條件下培養(yǎng)，最終表達(dá)出用于產(chǎn)生信號(hào)的報(bào)告蛋白(如β-半乳糖苷酶、GFP等)。該技術(shù)使得科研人員不再受傳統(tǒng)生化技術(shù)的阻礙，可以在單細(xì)胞水平下觀察基因的表達(dá)。20世紀(jì)90年代，許多研究都陸續(xù)運(yùn)用了reporter gene的方法，這些研究使用的實(shí)驗(yàn)技術(shù)就是最早的單細(xì)胞水平的生化技術(shù)[17-19]。

直到21世紀(jì)初，隨著生物化學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，單細(xì)胞水平甚至單分子水平的檢測(cè)技術(shù)成為目前研究轉(zhuǎn)錄爆發(fā)現(xiàn)象的主要手段[20-21]。單分子熒光原位雜交技術(shù)(Single-molecule Fluorescence in situ hybridization)，其基本原理是將特定的信使RNA序列與熒光探針結(jié)合，從而可在高分辨率顯微鏡下直接觀測(cè)到單個(gè)RNA分子。MS2標(biāo)記技術(shù)是此類技術(shù)的代表，利用了MS2結(jié)合位點(diǎn)(MBS)與名為MS2外殼蛋白(MCP)之間的高度親和性。實(shí)驗(yàn)前，MS2序列被插入到了目標(biāo)基因的起始位點(diǎn)之后；隨著轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行，MS2被轉(zhuǎn)錄出來(lái)以后形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)，該莖環(huán)與結(jié)合有綠色熒光蛋白的MCP特異性結(jié)合。因此，新生成的信使RNA序列可以被跟蹤觀測(cè)[2,22]。結(jié)果表明，基因轉(zhuǎn)錄是一個(gè)斷斷續(xù)續(xù)的爆發(fā)式過(guò)程[2,4](見圖1)。在0秒時(shí)，基因處于非激活態(tài)，不轉(zhuǎn)錄；在0到60 s之間，基因突然被激活，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生大量信使RNA；在120 s時(shí)，基因停止轉(zhuǎn)錄，回到非激活態(tài)。生成的信使RNA由于降解而逐漸減少。在接下來(lái)的時(shí)間內(nèi)，基因不再進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，一直處于非激活態(tài)；之前轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的信使RNA逐漸降解，在視野中漸漸消失。

圖1 顯微鏡下轉(zhuǎn)錄爆發(fā)現(xiàn)象的示意圖Fig.1 Schematic diagram of transcriptional bursting under the microscope

隨著單細(xì)胞檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者在研究中觀察到了轉(zhuǎn)錄爆發(fā)現(xiàn)象。無(wú)論是酵母菌、盤基網(wǎng)柄菌、果蠅還是哺乳動(dòng)物，轉(zhuǎn)錄爆發(fā)普遍存在[1-4]。這說(shuō)明轉(zhuǎn)錄爆發(fā)并非偶然現(xiàn)象，而是基因表達(dá)的一種基本性質(zhì)[2]。這些單細(xì)胞和單基因水平的測(cè)量結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)錄并非傳統(tǒng)上認(rèn)為的穩(wěn)恒泊松過(guò)程[10-11]，而是間歇性的爆發(fā)式的。轉(zhuǎn)錄過(guò)程中，基因會(huì)從一個(gè)無(wú)轉(zhuǎn)錄活性的沉默態(tài)突然轉(zhuǎn)換到一個(gè)激活態(tài)。在激活態(tài)，大量信使RNA被急速生成；激活態(tài)的壽命一般不超過(guò)2～3 min，基因繼而再次進(jìn)入沉默態(tài)。圖2示意了細(xì)胞內(nèi)信使RNA的數(shù)量隨時(shí)間的變化。圖2中展示了6次爆發(fā)，并示意了第五次爆發(fā)的持續(xù)時(shí)間(兩條藍(lán)色直線之間的時(shí)間間隔)。

圖2 細(xì)胞內(nèi)信使RNA數(shù)量隨時(shí)間變化的關(guān)系圖Fig.2 Variation of the amount of messenger RNA with time

2 轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的兩態(tài)模型

傳統(tǒng)的泊松模型，本質(zhì)上基因只維持在一個(gè)狀態(tài)；基因在以常數(shù)速率一直進(jìn)行著轉(zhuǎn)錄。該模型對(duì)早期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有不錯(cuò)的解釋[23]。但隨著單細(xì)胞實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，這種單態(tài)模型無(wú)法解釋單細(xì)胞數(shù)據(jù)，兩態(tài)模型應(yīng)運(yùn)而生。兩態(tài)模型是目前學(xué)術(shù)界研究轉(zhuǎn)錄爆發(fā)使用最廣泛的唯象模型[24]。兩態(tài)模型，在研究信使RNA和蛋白質(zhì)分子的數(shù)量變化、單個(gè)基因的狀態(tài)切換、激活態(tài)基因的穩(wěn)恒轉(zhuǎn)錄、以及信使RNA的指數(shù)降解等方面有很好的效果[4,8-9,25]。

在兩態(tài)模型中，基因啟動(dòng)子只有兩個(gè)狀態(tài)：轉(zhuǎn)錄激活態(tài)(ON)和非轉(zhuǎn)錄態(tài)(OFF)。兩態(tài)模型由四個(gè)參數(shù)描述，分別是kON,kOFF,km,γ(見圖3)。kON表示從OFF態(tài)到ON態(tài)的轉(zhuǎn)換速率；koff表示從ON態(tài)到OFF態(tài)的轉(zhuǎn)換速率。只有啟動(dòng)子處于ON態(tài)時(shí)，基因才進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)錄速率用km表示，km>0；啟動(dòng)子處于OFF態(tài)時(shí)，不轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)錄速率km=0。信使RNA的降解速率為γ。其中，kON,kOFF,km,γ都為常數(shù)[26]。所以，啟動(dòng)子處于ON態(tài)的持續(xù)時(shí)間服從指數(shù)分布[26]。當(dāng)考慮基因只有ON態(tài)而沒(méi)有OFF態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)錄出的信使RNA數(shù)量分布服從泊松分布[25]。

圖3 兩態(tài)模型Fig.3 Two-state model

單態(tài)模型和兩態(tài)模型通常用Gillespie算法和主方程方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬[25,27-28]。兩態(tài)模型的動(dòng)力學(xué)參數(shù)與爆發(fā)頻率、爆發(fā)尺度直接相關(guān)。為了方便對(duì)爆發(fā)調(diào)控機(jī)制的理解，利用圖2進(jìn)行名詞進(jìn)行解釋。圖2展示了6次轉(zhuǎn)錄爆發(fā)，一次爆發(fā)的持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)于信使RNA數(shù)量上升對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔。第5次轉(zhuǎn)錄爆發(fā)上兩條藍(lán)色直線之間的時(shí)間間隔即為第5次爆發(fā)的持續(xù)時(shí)間，其它爆發(fā)依次類推。爆發(fā)幅度(Burst magnitude)被定義為一次轉(zhuǎn)錄爆發(fā)產(chǎn)生的信使RNA分子數(shù)量。爆發(fā)的持續(xù)時(shí)間和爆發(fā)幅度合稱爆發(fā)尺度(Burst size)。爆發(fā)頻率(Burst frequency)即單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)錄爆發(fā)發(fā)生的次數(shù)。

3 轉(zhuǎn)錄爆發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制

目前，基因轉(zhuǎn)錄爆發(fā)現(xiàn)象的普遍性已得到公認(rèn)。隨之而來(lái)的問(wèn)題是，轉(zhuǎn)錄爆發(fā)現(xiàn)象背后的分子調(diào)控機(jī)制和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制是什么？2006年，在諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)演說(shuō)中，Kornberg歸納了真核生物轉(zhuǎn)錄機(jī)器的基本架構(gòu)[29]。轉(zhuǎn)錄機(jī)器的基本架構(gòu)包括通用轉(zhuǎn)錄因子(General transcription factor)、RNA聚合酶II、媒介子(Mediator)和激活子(Activator)等。其中，通用轉(zhuǎn)錄因子包括TFIIA、TFIIB、TFIID、TFIIE、TFIIF和TFIIH[29-30]。激活子攜帶來(lái)自細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的信號(hào)，激活子與增強(qiáng)子相互結(jié)合并以某種方式編碼了上游信號(hào)。媒介子與結(jié)合在增強(qiáng)子上的激活子相互結(jié)合，并將激活子帶來(lái)的上游信號(hào)向后傳遞；最后，媒介子與RNA聚合酶II相互作用，轉(zhuǎn)錄機(jī)器開始起始轉(zhuǎn)錄(見圖4)。而其中的編碼方式則是學(xué)術(shù)界研究的轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制[22]。目前學(xué)術(shù)界出現(xiàn)了多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的猜想與假設(shè)，如轉(zhuǎn)錄的頻率調(diào)制[8，12]、轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的尺度調(diào)制[9，13]、以及這些調(diào)制的組合調(diào)制[14]。這些調(diào)控機(jī)制會(huì)在下文進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖4 RNA聚合酶II的轉(zhuǎn)錄機(jī)制Fig.4 Transcription mechanism of RNA polymerase II

為便于理解，本文以兩態(tài)模型為基礎(chǔ)對(duì)爆發(fā)調(diào)控機(jī)制進(jìn)行解釋(見圖5)。圖中，基因啟動(dòng)子處于爆發(fā)的ON態(tài)和OFF態(tài)的時(shí)間分別標(biāo)注為τon和τoff，虛線表示在某類調(diào)制模式下增加的部分。轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的頻率調(diào)制(Burst frequency)是指在不改變?chǔ)觨n和轉(zhuǎn)錄速率km的前提下，基因啟動(dòng)子通過(guò)縮短時(shí)間τoff來(lái)增加爆發(fā)的次數(shù)，從而增加基因表達(dá)。轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的幅度調(diào)制(Burst magnitude)是指在不改變?chǔ)觨n和τoff的前提下，基因啟動(dòng)子通過(guò)增加轉(zhuǎn)錄速率km來(lái)增加基因表達(dá)。轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的持續(xù)時(shí)間調(diào)制(Burst duration)是指在不改變轉(zhuǎn)錄速率km和τoff的前提下，通過(guò)延長(zhǎng)時(shí)間τon來(lái)增加基因表達(dá)。轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的幅度(Burst magnitude)調(diào)制和時(shí)間(Burst duration)調(diào)制統(tǒng)一稱為轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的尺度(Burst size)調(diào)制。

Senecal的研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄爆發(fā)中主要的調(diào)控機(jī)制是頻率調(diào)制[8]。該文章使用兩種不同的誘導(dǎo)手段激活MAPK途徑研究了早期響應(yīng)基因c-Fos的轉(zhuǎn)錄響應(yīng)，并調(diào)查了不同激活子(血清誘導(dǎo)主要是ERK，鋅誘導(dǎo)主要是p38)對(duì)c-Fos基因的轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的影響。該研究表明在MAPK誘導(dǎo)期間，轉(zhuǎn)錄因子濃度調(diào)節(jié)c-Fos的爆發(fā)頻率，而其他爆發(fā)參數(shù)基本保持不變。具體表現(xiàn)為，在轉(zhuǎn)錄響應(yīng)時(shí)，隨著誘導(dǎo)物濃度的變化，細(xì)胞的激活子濃度和轉(zhuǎn)錄爆發(fā)頻率發(fā)生相似的變化。所以該文認(rèn)為細(xì)胞通過(guò)調(diào)整激活子濃度來(lái)控制爆發(fā)頻率，進(jìn)一步控制整體信使RNA的水平。當(dāng)轉(zhuǎn)錄因子濃度較高時(shí)，細(xì)胞更有可能進(jìn)行激活和進(jìn)行信使RNA的高水平表達(dá)；當(dāng)轉(zhuǎn)錄因子濃度低時(shí)，情況則相反。這種頻率調(diào)制雖然簡(jiǎn)單，但對(duì)c-Fos基因的轉(zhuǎn)錄響應(yīng)是一種通用的機(jī)制。

圖5 轉(zhuǎn)錄爆發(fā)調(diào)制模式Fig.5 Modulation mode of transcriptional bursting

Molina的研究表明轉(zhuǎn)錄爆發(fā)中主要的調(diào)控機(jī)制是爆發(fā)尺度調(diào)制模式[9]。該文針對(duì)哺乳動(dòng)物單細(xì)胞單個(gè)等位基因ctgf進(jìn)行血清誘導(dǎo)和TGF-β1誘導(dǎo)，研究二者引起的不同的轉(zhuǎn)錄響應(yīng)。二者的誘導(dǎo)都引起了基因的轉(zhuǎn)錄響應(yīng)，形成了轉(zhuǎn)錄爆發(fā)現(xiàn)象。血清誘導(dǎo)引起的是瞬時(shí)的轉(zhuǎn)錄響應(yīng)，之后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)約為3小時(shí)的不應(yīng)期。而TGF-β1誘導(dǎo)引起的則是持續(xù)的轉(zhuǎn)錄響應(yīng)。該研究表明血清誘導(dǎo)引起的轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的原因是轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的持續(xù)時(shí)間τon的延長(zhǎng)、轉(zhuǎn)錄速率km的增加，由于是瞬時(shí)的轉(zhuǎn)錄響應(yīng)，所以這是一個(gè)相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)的增長(zhǎng)是一個(gè)短期的效應(yīng)。TGF-β1誘導(dǎo)引起的轉(zhuǎn)錄爆發(fā)原因是轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的持續(xù)時(shí)間τon的延長(zhǎng)、轉(zhuǎn)錄速率km的增加，而轉(zhuǎn)錄速率km長(zhǎng)時(shí)間保持在較高速率，暗示了某些誘導(dǎo)物會(huì)通過(guò)持續(xù)地增加轉(zhuǎn)錄速率km來(lái)誘導(dǎo)一系列的轉(zhuǎn)錄爆發(fā)。時(shí)間τoff的幾乎不變也說(shuō)明TGF-β1誘導(dǎo)引起的轉(zhuǎn)錄爆發(fā)幾乎不受頻率調(diào)制的影響。該研究表明這二種誘導(dǎo)引起的精確的轉(zhuǎn)錄響應(yīng)的主要原因是轉(zhuǎn)錄速率km的增加和爆發(fā)持續(xù)時(shí)間τon的增加，即這兩種誘導(dǎo)引起的轉(zhuǎn)錄響應(yīng)是轉(zhuǎn)錄爆發(fā)尺度調(diào)制。

Dar的研究顯示，因基因表達(dá)水平的不同，爆發(fā)頻率與爆發(fā)尺度都可以是調(diào)制的對(duì)象[14]。該文利用noise space[31]作為提取基因表達(dá)波動(dòng)的研究框架，研究了兩個(gè)問(wèn)題，分別是人類基因組中占主導(dǎo)地位的表達(dá)模式是什么類型的表達(dá)、影響占主導(dǎo)地位的表達(dá)模式的主要因素是什么。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄爆發(fā)模式是轉(zhuǎn)錄過(guò)程的主導(dǎo)形式，爆發(fā)頻率與爆發(fā)尺度在人類基因組都受到了調(diào)制。當(dāng)基因表達(dá)水平較低的時(shí)候，轉(zhuǎn)錄以爆發(fā)頻率調(diào)制為主，即基因啟動(dòng)子會(huì)通過(guò)增加爆發(fā)頻率來(lái)增加基因的表達(dá)。但當(dāng)爆發(fā)頻率達(dá)到一個(gè)閾值之后，轉(zhuǎn)錄以爆發(fā)尺度調(diào)制為主，此時(shí)只能通過(guò)增加爆發(fā)期的轉(zhuǎn)錄速率或持續(xù)時(shí)間來(lái)繼續(xù)增加基因的表達(dá)。在人類基因組中，爆發(fā)頻率和爆發(fā)尺度隨染色體位置的不同而不同。雖然這種二者的變化與啟動(dòng)子序列無(wú)關(guān)，但極強(qiáng)地取決于基因座的表達(dá)水平。

4 轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的生物學(xué)意義

在轉(zhuǎn)錄爆發(fā)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的早期，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為這是一種噪音(Noise)。噪音，即圍繞平均值的隨機(jī)漲落。隨著研究的深入，越來(lái)越多的學(xué)者驚嘆，基因轉(zhuǎn)錄的噪音水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了預(yù)期。學(xué)術(shù)界開始思考噪音對(duì)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的影響，探索噪音水平是如何被控制削弱的[10]。

隨著單細(xì)胞單分子測(cè)量技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的證據(jù)表明，轉(zhuǎn)錄爆發(fā)是一種普遍現(xiàn)象。轉(zhuǎn)錄爆發(fā)存在于從簡(jiǎn)單的原核細(xì)胞到高等真核生物細(xì)胞內(nèi)。學(xué)術(shù)界不得不承認(rèn)，轉(zhuǎn)錄爆發(fā)并非是簡(jiǎn)單的噪音，而是傳遞細(xì)胞調(diào)控信號(hào)的方式[1-4]。

轉(zhuǎn)錄爆發(fā)是如何攜帶調(diào)控信號(hào)的？如前所述，目前尚無(wú)定論。轉(zhuǎn)錄爆發(fā)傳遞信號(hào)的可能方式包括頻率調(diào)制和尺度調(diào)制，也可能二者兼有。如果是前者，就意味著轉(zhuǎn)錄調(diào)控過(guò)程中，信號(hào)轉(zhuǎn)換是數(shù)字式的。另一方面，不同基因的爆發(fā)動(dòng)力學(xué)也不相同，這種不同背后又蘊(yùn)含了什么樣的生物學(xué)意義？基因轉(zhuǎn)錄是爆發(fā)式的，意味著基于高通量測(cè)量方式的數(shù)據(jù)需要重新審視。爆發(fā)式的轉(zhuǎn)錄，客觀上要求單分子標(biāo)記技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的進(jìn)步。

5 總結(jié)

本文詳細(xì)闡述了轉(zhuǎn)錄爆發(fā)現(xiàn)象和轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的兩態(tài)模型，并介紹了轉(zhuǎn)錄調(diào)控領(lǐng)域中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制以及轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的生物學(xué)意義。下面總結(jié)該領(lǐng)域內(nèi)的難點(diǎn)和疑問(wèn)。首先，學(xué)術(shù)界認(rèn)為最有可能的兩種信號(hào)調(diào)制機(jī)制是爆發(fā)頻率調(diào)制機(jī)制和爆發(fā)尺度調(diào)制機(jī)制。轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的尺度，是由爆發(fā)的持續(xù)時(shí)間和爆發(fā)產(chǎn)生的信使RNA分子的數(shù)量決定的。轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的頻率是由單位時(shí)間內(nèi)爆發(fā)的發(fā)生次數(shù)決定的。承載信號(hào)的究竟是尺度還是頻率，抑或二者兼有？關(guān)于轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的信息編碼機(jī)制，學(xué)術(shù)界仍在積極地探索中。其次，由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)的限制，兩次相鄰發(fā)生的轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的邊界難以區(qū)分。另外，轉(zhuǎn)錄涉及到的許多物質(zhì)與形態(tài)結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)錄過(guò)程產(chǎn)生影響，比如增強(qiáng)子[3]、局部啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)[4]、轉(zhuǎn)錄因子[8]、核小體構(gòu)型[32]等。最后，越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)兩態(tài)模型并不能對(duì)所有爆發(fā)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出滿意的解釋[33]；目前，學(xué)術(shù)界中已出現(xiàn)了一些更為新穎的轉(zhuǎn)錄模型，如連續(xù)性模型[28]和多尺度模型[34]等。在研究轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的動(dòng)力學(xué)和分子機(jī)制方面，還有許多工作需要做。