在非均匀核糖体流模型中最大化蛋白质翻译速率：一种凸优化方法
基因组学
2014-07-24 v1
摘要
翻译是基因表达的一个重要阶段。在此阶段，称为核糖体的大分子沿着 mRNA 链移动，按特定顺序连接氨基酸以生成功能性蛋白质。一个重要的问题是如何最大化蛋白质产量。事实上，已知翻译消耗了细胞的大部分能量，因此很自然地假设进化塑造了这一过程以最大化蛋白质生产速率。如果确实如此，那么可以通过求解适当的数学优化问题来估计翻译机制的各种参数。同样的问题也出现在合成生物学背景下，即重新设计异源基因以最大化其在宿主生物体中的翻译速率。我们考虑使用一种称为核糖体流模型 (RFM) 的翻译延伸计算模型来最大化蛋白质生产速率的问题。该模型使用一组 n 个一阶非线性常微分方程描述了核糖体沿长度为 n 的 mRNA 链的流动。它还包括 n+1 个正参数：进入 mRNA 链的核糖体起始速率，以及沿链位点的 n 个延伸速率。我们证明了 RFM 中的稳态翻译速率是其参数的严格凹函数。这意味着在适当约束下最大化翻译速率的问题总是存在唯一解，并且即使对于较大的 n 值，也可以使用求解凸优化问题的高效算法来确定该解。此外，我们的分析表明，最优翻译速率可以仅基于最优起始速率和开放阅读框 (ORF) 起始附近密码子的延伸速率来计算。我们讨论了理论结果在合成生物学、分子进化和功能基因组学中的一些应用。
引用
@article{arxiv.1407.6340,
title = {Maximizing Protein Translation Rate in the Nonhomogeneous Ribosome Flow Model: A Convex Optimization Approach},
author = {Gilad Poker and Yoram Zarai and Michael Margaliot and Tamir Tuller},
journal= {arXiv preprint arXiv:1407.6340},
year = {2014}
}