メッセンジャーRNAの豊富さの系統および集団測定における細胞周期変動の効果。

Effects of cell cycle variability on lineage and population measurements of messenger RNA abundance.

• Ruben Perez-Carrasco
• Casper Beentjes
• Ramon Grima

抄録

多くの遺伝子発現モデルでは、細胞周期の記述が明示的に組み込まれていない。ここでは、構成性およびバースト性遺伝子発現におけるメッセンジャーRNA(mRNA)の変動が、細胞周期の持続時間とDNA複製のタイミングの確率性にどのように影響されるかを説明する理論を導出した。モーメントの解析的表現は、細胞周期持続時間を省略すると、予測される平均mRNA数の誤差が、平均細胞周期持続時間とmRNA寿命の比に比例して単調に減少する関数であることを示しています。対照的に、mRNA分布の分散の誤差は、多くの生物のゲノムワイドな測定値と一致する中間値の場合に最も大きくなります。真核生物の細胞データを用いて、平均値の誤差は最大でも3％、分散の誤差は最大でも25％と推定した。さらに、mRNA分布の正確な負の二項混合近似を導出した。このことは、細胞周期における確率性が、バースト転写の効果に似たmRNA数の変動をもたらす可能性があることを示している。最後に、実際の実験データについて、細胞周期の確率性を無視すると、転写率の推論に10%以上の誤差が生じることを示した。

Many models of gene expression do not explicitly incorporate a cell cycle description. Here, we derive a theory describing how messenger RNA (mRNA) fluctuations for constitutive and bursty gene expression are influenced by stochasticity in the duration of the cell cycle and the timing of DNA replication. Analytical expressions for the moments show that omitting cell cycle duration introduces an error in the predicted mean number of mRNAs that is a monotonically decreasing function of , which is proportional to the ratio of the mean cell cycle duration and the mRNA lifetime. By contrast, the error in the variance of the mRNA distribution is highest for intermediate values of consistent with genome-wide measurements in many organisms. Using eukaryotic cell data, we estimate the errors in the mean and variance to be at most 3% and 25%, respectively. Furthermore, we derive an accurate negative binomial mixture approximation to the mRNA distribution. This indicates that stochasticity in the cell cycle can introduce fluctuations in mRNA numbers that are similar to the effect of bursty transcription. Finally, we show that for real experimental data, disregarding cell cycle stochasticity can introduce errors in the inference of transcription rates larger than 10%.