PNAS：数学与癌细胞活动、衰老变化

　　根据密西西比州立大学的一名研究人员及其来自哈佛医学院和剑桥大学的同事最近发表的一篇论文，揭示细胞蛋白质分解速度的新数学工具有望揭示我们如何衰老的更深层次的见解。

　　

根据密西西比州立大学的一名研究人员及其来自哈佛医学院和剑桥大学的同事最近发表的一篇论文，揭示细胞蛋白质分解速度的新数学工具有望揭示我们如何衰老的更深层次的见解。

盖伦·柯林斯是密歇根州立大学生物化学、分子生物学、昆虫学和植物病理学系的助理教授，他是今年4月发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的这篇开创性论文的合著者。

“我们已经了解蛋白质的制造速度有多快，这可能在几分钟内发生，”柯林斯说，他也是密西西比州农业和林业实验站的科学家。“到目前为止，我们对它们分解需要多长时间知之甚少。”

《应用数学》杂志上的一篇论文《哺乳动物蛋白质组动力学的最大熵测定》，介绍了量化细胞蛋白质降解率的新工具——它们分解的速度有多快——帮助我们了解细胞是如何生长和死亡的，以及我们是如何衰老的。蛋白质——由各种氨基酸组合而成的复杂分子——承担着细胞内的大部分工作，提供细胞结构，响应细胞外的信息并清除废物。

结果证明，并不是所有的蛋白质都以同样的速度降解，而是分为三种类型之一，在几分钟、几小时或几天的过程中分解。虽然以前的研究已经检查了细胞蛋白质的分解，但这项研究是第一次用数学方法量化所有细胞蛋白质分子的降解率，使用的是一种称为最大熵的技术。

“对于某些类型的科学问题，实验往往可以揭示无限多种可能的答案;然而，它们并非都同样可信，”主要作者、哈佛大学应用数学研究员亚历山大·迪尔说。“最大熵原理是一个数学定律，它向我们展示了如何精确地计算每个答案的合理性——它的‘熵’——这样我们就可以选择最可能的那个。”

柯林斯说:“这种数学运算有点像一个相机，从远处放大你的车牌，找出应该是什么数字。”“最大熵为我们提供了细胞中蛋白质降解如何发生的清晰而精确的画面。”

此外，研究小组还利用这些工具研究了蛋白质降解对人类和动物的一些具体影响。首先，他们研究了随着肌肉的发育和适应饥饿，这些速率是如何变化的。

柯林斯说:“我们发现饥饿对肌肉细胞中中间蛋白质群的影响最大，这种蛋白质的半衰期只有几个小时，会导致分解的转变和加速。”“这一发现可能对患有恶病质或因疾病及其治疗而导致肌肉萎缩的癌症患者产生影响。”

他们还探索了某些细胞蛋白质分解的变化是如何导致神经退行性疾病的。

柯林斯说:“这些疾病发生的原因是，通常分解得很快的废弃蛋白质活得比应有的时间长。”“大脑就像青少年的卧室，堆积着垃圾，如果你不清理，它就会变得不适合居住。”

Dear肯定这项研究的价值不仅在于它揭示了细胞蛋白退化，而且还为科学家提供了一种精确研究细胞活动的新方法。

他说:“我们的工作为定量细胞中的蛋白质代谢提供了一种强有力的新实验方法。”“它的简单和快速使它特别适合于研究代谢变化。”

柯林斯在哈佛大学的博士后导师、这篇文章的合著者之一、已故的阿尔弗雷德·戈德堡(Alfred Goldberg)是研究蛋白质生与死的先驱。柯林斯指出，这项研究建立在戈德堡近50年的研究以及他在职业生涯后期与剑桥大学数学家合作的基础上。一年前来到密歇根州立大学后，柯林斯继续与他的同事合作完成了这篇论文。

柯林斯说:“能在美国国家科学院院刊上发表论文是一种难以置信的荣誉，但作为这个团队的一员也很有趣。”“看到我的前导师的大量作品被整理出版，这是非常有意义的。”