生物研究中不得缺少的数字概念

对于我们做数据分析的人来说,需要关注很多数字,如软件安装系统是64位还是32位程序的运行时间多久,运行内存需求多大测序原始文件多大比对完之后的BAM文件多大,多少基因被检测到了,有多少是差异表达的等。

生物体内也存在一些数据,对我们直观地了解生物体的大小、理解生物体内部的组织方式和调节方式有重要启发作用。

比如看下面几个例子:

  1. 生物体有没有足够的时间复制基因组?

    大肠杆菌的基因组约为5 M bp,复制速率在200-1000 bp/s。细菌的每条染色体通常只有一个复制起始点。复制子在复制起始位点组装,对向移动,需要至少2500秒,也就是41.7分钟完成基因组的复制。而其在营养条件好的情况下分裂一次只需要20分钟。那么这是怎么实现的呢?

    实际上,大肠杆菌基因组的复制是嵌套进行的。第一次复制未完成时,下一次的复制已经开始了。在任何一个给定的时间点,可以有6个或8个复制叉同时进行DNA的复制。因此当子染色体进入分裂后的子细胞时,已经为下一次的分裂准备好了部分复制的染色体。

  2. 5 ml的细菌培养液中有多少突变?

    大肠杆菌复制错误率为10-9/bp,基因组大小为107 (双链),每次基因组复制产生的平均突变为0.02个。在5 ml饱和的大肠杆菌培养液中,有109~1010个细胞。如果只是考虑最后一次复制,从109个细胞到1010个就会产生107个单碱基突变 (等同于基因组大小)。如果是从一个菌繁殖而来的,那么理论上每一个非致死性突变都会存在于培养液的菌中。

  3. 饱和的大肠杆菌培养液的密度怎样?

    饱和的大肠杆菌培养液中大约有109 cells/ml。每个细胞重量为10-12克,悬液的菌浓度是 1 mg/ml。细胞之间的平均距离是10 um, 这个密度只有白蚁肠道中菌的密度的1/10。可见肠道菌群的丰富。

  4. 大分子扩散的距离有多大?

    一个蛋白穿过HeLa细胞平均约需要10 s。轴突大约是1 mm长,HeLa细胞的100倍,而扩散时间与距离的平方成反比,所以大约需要两天,一个蛋白才可以从轴突的一端扩散到另一端。这表明需要有其它的机制负责长距离运输大分子。一个速度为1 um/s的分子马达可以在15分钟一个蛋白运输 1 mm的轴突长度。

大小和长度

细菌(大肠杆菌):直径0.7-1.4 um;体积 0.5-5 um3。108-109 cell/ml的菌液OD600约等于1。

酵母(酿酒酵母):直径3-6 um; 体检 20-260 um3

哺乳动物细胞体积:100-10,000 um3;HeLa细胞是500-5000 um3 (贴壁生长时直径是15~30 um)。

细胞核体积一般为细胞体积的1/10

细胞膜的厚度是 4-10 nm。

平均蛋白的直径是 3-6 nm。

碱基对的大小是:直径 2 nm X 高度 0.34 nm

水分子的直径是 0.3 nm

生命过程时间

细胞周期时间:大肠杆菌 20-40 min;出芽酵母 70-140 min; HeLa细胞 15-30 hr。

DNA复制速度:大肠杆菌 200~1000 bases/s; 人 40 bases/s;

RNA聚合酶的转录速速度:10-100 bases/s。

核糖体的翻译速度:10-20 aa/s。

增殖的细胞中mRNA的半衰期小于细胞周期;蛋白的半衰期大于等于细胞周期。

基因组大小和突变率

大肠杆菌: 5 Mbp

酿酒酵母:12 Mbp

线虫:100 Mbp

果蝇:120 Mbp

拟南芥:120 Mbp

小鼠:2.5 Gbp

人:2.9 Gbp

小麦:16 Gbp

蛋白编码基因数目

大肠杆菌:4000

酿酒酵母:6000

线虫,拟南芥,小鼠,人:20000

DNA复制突变率 10-8~10-9/bp

转录的错误插入率是 10-4~10-5/bp

翻译的错误插入率是 10-3~10-4/bp

这些数字都是实验验证的,但应该作为经验法则而不是一层不变的数字对待。毕竟变化是生活的调味剂,唯一不变的也就只有变化了。

后台回复<数字生物>或点击<http://www.cell.com/pb/assets/raw/journals/research/snapshots/PIIS0092867410006732.pdf>获取原版Snapshot。

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http://bionumbers.hms.harvard.edu/search.aspx?task=searchbypop

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积微,月不胜日,时不胜月,岁不胜时。凡人好敖慢小事,大事至,然后兴之务之。如是,则常不胜夫敦比于小事者矣!何也?小事之至也数,其悬日也博,其为积也大。大事之至也希,其悬日也浅,其为积也小。故善日者王,善时者霸,补漏者危,大荒者亡!故,王者敬日,霸者敬时,仅存之国危而后戚之。亡国至亡而后知亡,至死而后知死,亡国之祸败,不可胜悔也。霸者之善著也,可以时托也。王者之功名,不可胜日志也。财物货宝以大为重,政教功名者反是,能积微者速成。诗曰:德如毛,民鲜能克举之。此之谓也。

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