[論文レビュー] Modeling, simulations, and analyses of protein synthesis: Driven lattice gas with extended objects

Leah B. Shaw, R. K. P. Zia+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2003

Stochastic processes and statistical mechanics被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、TASEP（完全非対称排除過程）を拡張し、空間的広がりを持つ粒子（拡張対象）を組み込むことで、翻訳をモデル化する。これにより、閉じた系では正確な解が得られ、開放系では連続極限とドメインウォール理論を用いて予測可能なモデリングが可能になる。主な貢献は、リボソームがmRNA上で移動する際の正確な相図と電流予測であり、モンテカルロシミュレーションと照合されている。

ABSTRACT

The process of protein synthesis in biological systems resembles a one dimensional driven lattice gas in which the particles have spatial extent, covering more than one lattice site. We expand the well studied Totally Asymmetric Exclusion Process (TASEP), in which particles typically cover a single lattice site, to include cases with extended objects. Exact solutions can be determined for a uniform closed system. We analyze the uniform open system through two approaches. First, a continuum limit produces a modified diffusion equation for particle density profiles. Second, an extremal principle based on domain wall theory accurately predicts the phase diagram and currents in each phase. Finally, we briefly consider approximate approaches to a non-uniform open system with quenched disorder in the particle hopping rates and compare these approaches with Monte Carlo simulations.

研究の動機と目的

• リボソームの空間的広がりを反映させるために、複数の格子サイトを占める粒子を用いた駆動系格子ガスとしての翻訳をモデル化すること。
• TASEPフレームワークを拡張対象に対応させ、閉じた系における正確な解を得ること。
• 均一な遷移確率を持つ開放系を、連続極限と極値原理を用いて分析すること。
• ドメインウォール理論を用いてリボソーム翻訳における相挙動と粒子電流を予測すること。
• 遷移確率にクエンチドディスオーダーを有する非一様系に対する近似手法の評価すること。

提案手法

• リボソームがmRNA上に存在するのを反映させるために、粒子が複数の格子サイトを占めるようにTASEPモデルを変更する。
• 空間的広がりを持つ粒子を有する均一で閉じた系における粒子密度の正確な解を導出する。
• マスター方程式に連続極限を適用し、開放系における密度分布を記述する修正された拡散方程式を導出する。
• ドメインウォール理論に基づく極値原理を用いて、開放系における相境界と電流値を予測する。
• クエンチドディスオーダーを有する遷移確率を持つ系に対する近似手法の妥当性を確認するため、モンテカルロシミュレーションをベンチマークとして用いる。
• 非一様系における平均場近似やその他の粗視化手法を、シミュレーションデータと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 駆動系格子ガスモデルにおける粒子の空間的広がりは、密度分布と電流にどのように影響を与えるか？
• RQ2 拡張対象を有する開放系において、連続極限が粒子密度を正確に記述できるか？
• RQ3 極値原理に基づくドメインウォール理論は、このような系における相転移と電流値をどの程度正確に予測できるか？
• RQ4 クエンチドディスオーダーを有する非一様系において、平均場近似法はモンテカルロシミュレーションとどの程度一致するか？
• RQ5 拡張対象のサイズは、リボソーム交通と翻訳効率にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 空間的広がりを持つ粒子を有する均一で閉じた系において、粒子密度の正確な解が得られ、解析的取り扱いの可能性が裏付けられた。
• 連続極限により得られた修正された拡散方程式は、開放系における密度分布を正確に記述した。
• ドメインウォール理論に基づく極値原理は、異なる相における相図と電流値を成功裏に予測した。
• ドメインウォール理論による予測された相境界と電流値は、均一な開放系においてモンテカルロシミュレーションと強く一致した。
• クエンチドディスオーダーを有する非一様系における平均場近似法は、シミュレーションと合理的に一致したが、高ディスオーダー領域ではずれが生じた。
• 本モデルは、粒子サイズが標準TASEPと比較して輸送挙動を顕著に変化させることを示した。特に相転移付近で顕著であった。