[논문 리뷰] Cell development obeys maximum Fisher information

B. Roy Frieden, Robert A. Gatenby|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 29.

RNA and protein synthesis mechanisms참고 문헌 14인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 진핵세포 발달이 세포핵의 핵막포자(핵막포자, NPC) 위치에 대한 피셔 정보를 최대화하도록 세포내 메신저 단백질 유량을 최적화한다고 제안한다. 세포를 10 µm 세포막과 6 µm 핵막을 가진 구형 시스템으로 모델링하며, 최적의 단백질 운반 경로, 즉 1~4개 단백질 경로, 4 nm 크기의 EGFR, 그리고 약 10^16 단백질/m²s의 유량을 예측한다. 최대 정보 전달은 생명다운 비평형 동역학을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 세포 발달이 세포내 단백질 운반에서 최대 피셔 정보 원칙을 따르는지 조사하기.
• 정의된 막 지름과 핵막포자 복합체를 가진 구형 시스템으로 세포를 모델링하여 단백질 유량과 정보 전달을 분석하기.
• 핵막포자(NPC)에서 최대 피셔 정보가 관측된 단백질 경로 길이, 크기, 유량 속도를 설명하는가를 규명하기.
• 최대 정보 전달이 생명의 특징인 비평형 동역학과 연결되는가를 연결하기.

제안 방법

• 세포를 10 µm 세포막과 6 µm 핵막을 가진 구형 시스템으로 모델링하며, 약 3000개의 NPC 포함.
• 메신저 단백질 궤적에서 핵막포자(NPC)의 각도 위치에 대한 정보를 정량화하기 위해 피셔 정보 이론 적용.
• 뉴턴 역학을 사용하여 세포막에서 NPC로의 단백질 운동을 모델링하며, 인산화가 음전하를 부여하고 핵국소화 서열(NLS)이 양전하를 띤 NPC로 유도한다고 가정.
• NPC에서 평균 단백질 유량 F와 피셔 정보 I를 최대화하기 위해 최적화하며, 일계 및 이阶 안정성(δI = 0)을 확보.
• Kullback-Liebler 엔트로피(HKL)를 DNA 목표 결합에 적용하여, 매끄러운 근사 조건에서 HKL ≈ IDNA/2임을 보이며, 이는 총 정보 전달이 최대임을 시사.
• 변분 원리를 사용하여 환경적 요란에 대한 제약 조건 하에 최적의 단백질 경로와 유량 값을 유도.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단백질 운반에서 최대 피셔 정보가 진핵세포의 관측된 단백질 경로 길이를 설명하는가?
• RQ2 EGFR와 같은 핵심 신호 단백질의 크기를 최대 피셔 정보 제약 조건으로 예측할 수 있는가?
• RQ3 실험적으로 관측된 약 10^16 단백질/m²s의 단백질 유량이 핵막포자(NPC)에서 최대 정보 전달과 일치하는가?
• RQ4 CM-NPC-DNA 채널에서 최대 정보 전달이 생명에 필수적인 비평형 동역학과 대응하는가?

주요 결과

• 모델은 최적의 단백질 운반 경로가 1~4개의 단백질로 이루어져 있으며, 생물학적 관측과 일치함을 예측한다.
• EGFR 단백질의 추정 크기는 약 4 nm로 실험 측정치와 일치한다.
• NPC에서 예측된 평균 단백질 유량은 약 10^16 단백질/m²s로 실험 데이터와 일치한다.
• NPC에서 최대 피셔 정보는 정보의 일계 및 이계 변동(δI = 0)이 최소화될 때 달성되며, 이는 외부 요란에 대한 강건성을 시사한다.
• 총 CM-NPC-DNA 채널에서 최대 피셔 정보가 달성되며, 이는 최대 정보 전달을 의미하며, 살아있는 시스템의 특징인 비평형 동역학을 뒷받침한다.