[논문 리뷰] Universal relationship in gene-expression changes for cells in steady-growth state

Kunihiko Kaneko, Chikara Furusawa외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 14.

Bacterial Genetics and Biotechnology참고 문헌 17인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 안정된 성장 조건에서 세포의 유전자 발현 변화를 규율하는 보편적인 법칙을 제안하며, 모든 유전자가 발현하는 데 있어 로그적 변화가 인구 성장률의 변화에 비례함을 보여준다. 모든 세포 성분이 세포 분열 시 두 배가 되어야 하는 조건에서 유도된 이 이론은 *E. coli*의 전사체 데이터를 통해 검증되었으며, 다양한 스트레스 조건에서 성장률에 따라 변화하는 전역적 상관관계를 드러낸다.

ABSTRACT

Cells adapt to different conditions by altering a vast number of components, which is measurable using transcriptome analysis. Given that a cell undergoing steady growth is constrained to sustain each of its internal components, the abundance of all the components in the cell has to be roughly doubled during each cell division event. From this steady-growth constraint, expression of all genes is shown to change along a one-parameter curve in the state space in response to the environmental stress. This leads to a global relationship that governs the cellular state: By considering a relatively moderate change around a steady state, logarithmic changes in expression are shown to be proportional across all genes, upon alteration of stress strength, with the proportionality coefficient given by the change in the growth rate of the cell. This theory is confirmed by transcriptome analysis of Escherichia Coli in response to several stresses.

연구 동기 및 목표

• 세포 적응 과정 중 고차원 유전자 발현 변화를 규율하는 보편적이고 거시적 관계를 규명하는 것.
• 모든 세포 성분이 세포 분열 시 두 배가 되어야 하는 안정 성장 조건에서 유도된 이론적 프레임워크를 도출하는 것.
• 모든 유전자에 걸쳐 로그적 유전자 발현 변화가 인구 성장률의 변화에 비례하는지 테스트하는 것.
• *E. coli*의 다양한 환경 스트레스 하에서의 전사체 데이터를 사용하여 이론을 검증하는 것.
• 성장률을 유일한 제어 변수로 삼아 세포 적응의 거시적 기술을 수립하는 것.

제안 방법

• 안정 성장 조건에서 모든 세포 내 성분이 세포 분열 시 두 배가 되어야 하는 조건에 기반한 보편적 관계의 이론적 유도.
• 균형 상태 주변에서 유전자 발현 변화를 선형화하여, 로그적 발현 변화와 성장률 변화 사이의 비례 관계를 도출.
• 표현 공간 내에서 성장률 μ가 유일한 제어 매개변수인 일차 매개변수 곡선의 사용으로 전역적 발현 변화를 기술.
• 다양한 스트레스 조건에서 *E. coli*의 전사체 데이터에 모델을 적용하여 예측된 비례 관계를 테스트.
• 환경적 및 유전적 교란을 통합하여 다양한 유형의 스트레스에서 보편성의 정도를 평가.
• 진동하는 동역학이 존재할 경우 진동 주기 동안 평균 성장률 μ_i를 사용하여 이론의 타당성을 유지.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적응 과정에서 모든 유전자에 걸쳐 전역적인 발현 변화를 규율하는 보편적이고 성장률에 의존하는 관계가 존재하는가?
• RQ2 모든 성분이 분열 시 두 배가 되어야 하는 안정 성장 조건이 유전자 발현 변화의 단일 매개변수 기술로 이어질 수 있는가?
• RQ3 다양한 환경 스트레스 조건에서 유전자 간 로그적 발현 변화가 인구 성장률 변화와 얼마나 강하게 상관되는가?
• RQ4 유전자 교란 조건에서 이 이론은 어떻게 유지되며, 적응적 진화를 기술할 수 있는가?
• RQ5 크고 광범위한 발현 변화를 기술할 때 선형화 근사의 한계는 어디까지인가?

주요 결과

• 모든 유전자에 걸쳐 로그적 발현 변화는 성장률 변화에 비례하며, 비례 계수는 성장률의 변화와 동일하다.
• 이론은 항생제 및 영양소 이동 등 다양한 스트레스 조건에서 *E. coli* 전사체 데이터에서 관측된 발현 변화 상관관계를 정확히 예측한다.
• 성장률이 원래 값의 절반 이하로 감소할 때조차도 비례 관계가 유지되어 선형화 근사의 강건성을 보여준다.
• 이 관계는 유전자 교란 조건으로도 확장되며, 적응적 진화가 스트레스 유도 발현 변화를 성장률에 따라 반전시킬 수 있음을 보여준다.
• 특정 성분이 손실되거나 새로운 성분이 생성되더라도 그 영향이 국한되어 있다면 이론은 여전히 근사적으로 타당하다.
• 세포 유형 또는 종을 복제 단위로 간주함으로써, 다세포 생물 및 생태계 시스템을 포함한 정적 성장 조건을 가진 모든 시스템에 이 모델이 광범위하게 적용 가능하다.