[논문 리뷰] Quantitative study of crossregulation, noise and synchronization between microRNA targets in single cells

Carla Bosia, Francesco Sgrò외 7명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 23.

Gene Regulatory Network Analysis인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 정량적 단세포 유세세포 분석 및 확률적 티트레이션 모델을 사용하여, 공유되는 miRNA 풀에 대한 경쟁적 결합을 통해 microRNA(miRNA) 타겟이 상호조절, 노이즈 조절 및 동기화를 나타냄을 입증한다. 주요 발견은 생리적 mRNA 농도(~10–100 molecules/cell)에서 상호작용이 최대가 되며, 최적의 스토이키오메트리가 이중표현형 발현과 강한 상관관계를 유도함을 보여주며, 단세포에서 miRNA 매개 유전자 조절 모델을 검증한다.

ABSTRACT

Recent studies reported complex post-transcriptional interplay among targets of a common pool of microRNAs, a class of small non-coding downregulators of gene expression. Behaving as microRNA-sponges, distinct RNA species may compete for binding to microRNAs and coregulate each other in a dose-dependent manner. Although previous studies in cell populations showed competition in vitro, the detailed dynamical aspects of this process, most importantly in physiological conditions, remains unclear. We address this point by monitoring protein expression of two targets of a common miRNA with quantitative single-cell measurements. In agreement with a detailed stochastic model of molecular titration, we observed that: (i) crosstalk between targets is possible only in particular stoichiometric conditions, (ii) a trade-off on the number of microRNA regulatory elements may induce the coexistence of two distinct cell populations, (iii) strong inter-targets correlations can be observed. This phenomenology is compatible with a small amount of mRNA target molecules per cell of the order of 10-100.

연구 동기 및 목표

• 생리적 조건에서 단세포 내 miRNA 타겟의 상호조절 역학적 행동을 조사하기 위해.
• miRNA와 타겟 mRNA 간의 스토이키오메트리 균형이 상호작용, 노이즈 및 동기화에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 확률적 티트레이션 모델이 인간 세포에서 단백질 발현 및 상관관계에 대한 실험 관측을 정확히 예측할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 다양한 타겟에 의한 경쟁적 miRNA 결합으로 인해 세포 집단에서 이중표현형 발현 상태가 어떻게 발생하는지 탐구하기 위해.

제안 방법

• 두 개의 형광 표지된 miRNA 타겟의 단백질 발현을 측정하기 위해, 공형전도된 인간 세포에서 정량적 단세포 유세세포 분석을 수행하였다.
• 두 타겟 mRNA의 miRNA 매개 티트레이션을 기술하기 위해, 번역, 결합 및 분해 동역학을 포함한 확률적 화학 마스터 방정식 모델을 수립하였다.
• 마스터 방정식의 가우시안 근사화를 통해 다섯 종류의 분자 종에서 평균 단백질 농도와 노이즈(변동계수)를 분석적으로 계산하였다.
• 모멘트 생성 함수 접근법을 적용하여 평균 벡터 및 공분산 행렬에 대한 20개의 방정식 조합을 유도하였으며, 이는 수치적으로 해석 가능하였다.
• 실험적 검증을 위해, 이중 형광 레포터를 포함하고 MRE 복제 수를 변화시킨 이방향 플라스미드를 사용하였다.
• 모델 예측를 실험 데이터와 비교하였으며, 단백질 발현의 피어슨 상관계수 및 변동계수(CV)를 포함하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단세포에서 miRNA 타겟 간 상호조절이 유의미해지는 스토이키오메트리 조건은 무엇인가?
• RQ2 타겟 mRNA에 존재하는 miRNA 조절 요소(MRE)의 수가 단백질 발현 노이즈와 상관관계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 여러 타겟에 의한 miRNA의 경쟁적 티트레이션으로 인해 단백질 발현에서 이중표현형 분포가 나타날 수 있는가?
• RQ4 실험적 관측된 단백질 상관관계 및 노이즈가 확률적 티트레이션 모델의 예측과 얼마나 일치하는가?
• RQ5 내재된 mRNA 분자 수를 고려할 때, miRNA 타겟 상호작용의 생리적 의미는 무엇인가?

주요 결과

• miRNA 타겟 간 상호작용는 세포당 타겟 mRNA 분자 수가 생리적 범위인 10에서 100 사이일 때 최대가 된다.
• 타겟에 존재하는 miRNA 조절 요소(MRE) 수에 대한 상충관계가, 고표현형과 저표현형을 가진 두 개의 별개 세포 집단이 나타나게 한다.
• miRNA 억제의 임계점 근처에서 타겟 간 강한 상관관계(비조절 대비 최대 12배 높음)가 관측되었으며, 이는 모델 예측과 일치한다.
• MRE 복제 수에 따라 단백질 발현 노이즈(CV)가 조절된다: mCherry의 CV는 mCherry MRE 수에 따라 증가하지만, mCerulean MRE 수에 따라 감소함으로써 비대칭 조절이 있음을 나타낸다.
• mCherry 형광의 이중표현형 분포가 MRE 수의 임계점 이상에서 나타나며, 이는 경쟁적 miRNA 티트레이션에 의해 유도된 스위치 유사 행동을 시사한다.
• 확률적 티트레이션 모델은 평균 단백질 농도와 상관관계 역학을 정확히 예측하며, 가우시안 근사화를 통해 모멘트에 대한 신뢰할 수 있는 추정치를 제공한다.