[論文レビュー] Cell development obeys maximum Fisher information

B. Roy Frieden, Robert A. Gatenby|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2014

RNA and protein synthesis mechanisms参考文献 14被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、真核細胞の発達が、核小体複合体（NPC）の位置に関するフィッシャー情報量を最大化するように、細胞内シグナル伝達タンパク質のフラックスを最適化すると提案している。細胞を10 µmの細胞膜と6 µmの核膜を有する球体としてモデル化し、その中でタンパク質のフラックスと情報伝達を解析する。モデルは、1〜4タンパク質経路、4 nmのEGFRサイズ、および約10^16 proteins/m²sのフラックスを予測し、最大情報伝達が生命に特徴的な非平衡状態を可能にする。

ABSTRACT

Eukaryotic cell development has been optimized by natural selection to obey maximal intracellular flux of messenger proteins. This, in turn, implies maximum Fisher information on angular position about a target nuclear pore complex (NPR). The cell is simply modeled as spherical, with cell membrane (CM) diameter 10 micron and concentric nuclear membrane (NM) diameter 6 micron. The NM contains about 3000 nuclear pore complexes (NPCs). Development requires messenger ligands to travel from the CM-NPC-DNA target binding sites. Ligands acquire negative charge by phosphorylation, passing through the cytoplasm over Newtonian trajectories toward positively charged NPCs (utilizing positive nuclear localization sequences). The CM-NPC channel obeys maximized mean protein flux F and Fisher information I at the NPC, with first-order delta I = 0 and approximate 2nd-order delta I = 0 stability to environmental perturbations. Many of its predictions are confirmed, including the dominance of protein pathways of from 1-4 proteins, a 4nm size for the EGFR protein and the approximate flux value F =10^16 proteins/m2-s. After entering the nucleus, each protein ultimately delivers its ligand information to a DNA target site with maximum probability, i.e. maximum Kullback-Liebler entropy HKL. In a smoothness limit HKL approaches IDNA/2, so that the total CM-NPC-DNA channel obeys maximum Fisher I. Thus maximum information approaches non-equilibrium, one condition for life.

研究の動機と目的

• 細胞発達が細胞内タンパク質輸送において最大フィッシャー情報量の原則に従っているかどうかを調査すること。
• 細胞膜と核膜の直径が定められた球体モデルを用いて、タンパク質フラックスと情報伝達を解析するため、細胞を球体系としてモデル化すること。
• 核小体複合体（NPC）における最大フィッシャー情報量が、観察されたタンパク質経路長、サイズ、フラックスレートを説明できるかどうかを特定すること。
• 最大情報伝達が、生命の特徴である非平衡状態にどのように関連するかを結びつけること。

提案手法

• 細胞膜が10 µm、核膜が6 µmの球体モデルを用い、約3000個のNPCを含む。
• フィッシャー情報理論を用いて、メッセンジャーたんぱく質の軌跡からNPCの方位角位置に関する情報を定量化する。
• ニュートン力学を用いて、細胞膜からNPCへのタンパク質運動をモデル化し、リン酸化が負電荷を付与し、核内局在配列が正に帯電したNPCに向かって誘導することを仮定する。
• NPCにおける平均タンパク質フラックスFとフィッシャー情報量Iの両方を最大化するように最適化し、1次および2次安定性（δI = 0）を満たす。
• カルバック＝ライブラー・エントロピー（HKL）をDNA標的結合に適用し、滑らかさの極限でHKL ≈ IDNA/2が成り立つことを示し、全情報伝達量が最大であることを示唆する。
• 変分原理を用いて、環境的摂動の制約下で最適なタンパク質経路とフラックス値を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タンパク質輸送における最大フィッシャー情報量が、真核細胞における観察されたタンパク質経路長を説明できるか？
• RQ2 EGFRのような主要なシグナル伝達タンパク質のサイズが、最大フィッシャー情報量の制約から予測可能か？
• RQ3 実験的に観察された約10^16 proteins/m²sのタンパク質フラックスが、NPCにおける最大情報伝達と整合するか？
• RQ4 CM-NPC-DNAチャネルにおける最大情報伝達が、生命に不可欠な非平衡状態に対応しているか？

主な発見

• モデルは、生物学的観察と整合する1〜4タンパク質経路を介した最適なタンパク質輸送が実現すると予測する。
• EGFRタンパク質の推定サイズは約4 nmであり、実験的測定値と一致する。
• NPCにおける予測平均タンパク質フラックスは約10^16 proteins/m²sであり、実測データと一致する。
• NPCにおける最大フィッシャー情報量は、情報量の1次および2次変動（δI = 0）が最小化されたときに達成され、摂動に対して頑健であることを示している。
• 全CM-NPC-DNAチャネルが最大フィッシャー情報量に達しており、これは最大情報伝達を意味し、生命系に特徴的な非平衡状態を支持する。