[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出真核细胞发育通过优化细胞内信使蛋白通量以最大化关于核孔复合体（NPC）位置的费舍尔信息，将细胞建模为具有10 µm质膜和6 µm核膜的球形系统。该模型预测了最优的蛋白运输路径，包括1–4条蛋白路径、4 nm的EGFR尺寸，以及约10^16个蛋白/平方米·秒的通量，最大信息传递能力使系统实现类生命非平衡动力学。

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.

研究动机与目标

• 探究细胞发育是否遵循细胞内蛋白质运输中最大费舍尔信息的原则。
• 将细胞建模为具有特定膜直径和核孔复合体的球形系统，以分析蛋白质通量与信息传递。
• 确定核孔复合体（NPC）处的最大费舍尔信息是否可解释观察到的蛋白质路径长度、尺寸和通量速率。
• 将最大信息传递与非平衡动力学联系起来，这是生命的关键特征。

提出的方法

• 将细胞建模为球形系统，具有10 µm的质膜和6 µm的核膜，包含约3000个NPC。
• 应用费舍尔信息理论，量化从信使蛋白轨迹中获得的关于NPC方位角位置的信息。
• 使用牛顿力学建模蛋白质从质膜到NPC的运动，假设磷酸化赋予负电荷，而核定位序列引导其朝向带正电的NPC移动。
• 通过最大化平均蛋白通量F和NPC处的最大费舍尔信息I，并满足一阶与二阶稳定性（δI = 0）来实现优化。
• 应用Kullback-Liebler熵（HKL）分析DNA靶标结合，表明在光滑极限下HKL ≈ IDNA/2，暗示总信息传递达到最大值。
• 使用变分法推导在环境扰动约束下的最优蛋白路径与通量值。

实验结果

研究问题

• RQ1 最大费舍尔信息在蛋白质运输中是否可解释真核细胞中观察到的蛋白质路径长度？
• RQ2 能否从最大费舍尔信息约束中预测关键信号蛋白（如EGFR）的尺寸？
• RQ3 实验测得的约10^16个蛋白/平方米·秒的蛋白质通量是否与NPC处的最大信息传递一致？
• RQ4 CM-NPC-DNA通道中最大信息传递是否对应生命所必需的非平衡动力学？

主要发现

• 该模型预测最优蛋白质运输通过1至4条蛋白路径实现，与生物观察一致。
• EGFR蛋白的估算尺寸约为4 nm，与实验测量结果相符。
• NPC处预测的平均蛋白通量约为10^16个蛋白/平方米·秒，与实证数据一致。
• 当信息的一阶与二阶变化（δI = 0）均被最小化时，NPC处达到最大费舍尔信息，表明对扰动具有鲁棒性。
• CM-NPC-DNA通道整体实现最大费舍尔信息，意味着最大信息传递，从而支持生命系统特有的非平衡动力学。