原核基因組的進(jìn)化方向和癌/正常細(xì)胞的熵產(chǎn)生

羅遼復(fù)

(內(nèi)蒙古大學(xué)物理學(xué)院，呼和浩特010021)

生物信息學(xué)和理論生物學(xué)兩個學(xué)科有很大交疊。前者著重于下游諸領(lǐng)域的應(yīng)用，后者則更多注意上游的基礎(chǔ)性問題，兩者相互促進(jìn)。和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)生物學(xué)不同，二者都廣泛使用數(shù)學(xué)方法、計(jì)算工具和邏輯推演，但又都必須依賴實(shí)驗(yàn)資料，并為實(shí)驗(yàn)所檢驗(yàn)。生物信息學(xué)/理論生物學(xué)的研究組如果自己動手做實(shí)驗(yàn)，必將大大提高工作的創(chuàng)新性和成果水平。本文將介紹內(nèi)蒙古大學(xué)組的一些經(jīng)驗(yàn)。生命進(jìn)化的時間箭頭，從基因組水平來闡明生物進(jìn)化的方向性，是理論生物學(xué)的一個基本問題。“生命以負(fù)熵為生”，從熵產(chǎn)生的角度來研究細(xì)胞功能，特別地，研究癌細(xì)胞和正常細(xì)胞的熱力學(xué)差別，是理論生物學(xué)的又一個基本問題。這兩個問題的解決，需要創(chuàng)新的思想，需要周密的實(shí)驗(yàn)來配合。近年內(nèi)蒙古大學(xué)理論生物學(xué)研究組在此二問題上進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)，獲得了一些結(jié)果。

1 原核基因組的進(jìn)化方向

研究動因我們曾提出基因組進(jìn)化的信息擴(kuò)增律假設(shè)［1］，認(rèn)為(非寄生)基因組序列的編碼信息量IC在進(jìn)化中隨時間增長。這里I既包括編碼C蛋白質(zhì)的DNA序列，也包括編碼其他功能區(qū)的DNA序列的信息量。我們分析了基因組進(jìn)化中的一些重大事件，如全基因組復(fù)制和基因丟失，寒武紀(jì)大爆發(fā)等幾次適應(yīng)性輻射，靈長類到人類基因組的進(jìn)化等，沒有發(fā)現(xiàn)和編碼信息量擴(kuò)增律矛盾的情況。原核基因組的大小差別不大，IC的差別也不大，這個規(guī)律是否成立?需要通過直接的進(jìn)化實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。

研究方法Barrick等曾對大腸桿菌進(jìn)行長時間的進(jìn)化實(shí)驗(yàn)［2］，觀察了40萬代，獲得了一些堿基插入缺失(indel)的信息。為了加速進(jìn)化，最近宋智青等［3］用 N 離子束(10 keV)輻照 E.coli的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過選擇lac突變型，經(jīng)過6輪輻照，每輪5次傳代，獲得穩(wěn)定突變型S55。對S55做全基因組測序，和野生型對比，找到全部單核苷多態(tài)(SNP)，堿基插入缺失信息和結(jié)構(gòu)變化(SV)資料。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果除了堿基突變和個別indel外，得到9個大的SV區(qū)，它們都是缺失型的(見表1)。現(xiàn)了大腸桿菌進(jìn)化中還存在若干大片段的長于1 300堿基的缺失性結(jié)構(gòu)變化，并且分析這些結(jié)構(gòu)變化，知道它們都是非功能的。因此離子束輻照下的大腸桿菌進(jìn)化中，大量的序列缺失并未使基因組的編碼信息量減少，這和的規(guī)律是一致的。達(dá)爾文的“物競天擇，適者生存”的思想本身就說明進(jìn)化是有方向的。他著重解釋了“性狀分歧”和進(jìn)化樹的形成，而進(jìn)化的樹狀圖式本身便深刻地表明了進(jìn)化的方向性。這種方向性如何從分子生物學(xué)的水平和基因組學(xué)的角度予以說明?我們提出的基因組進(jìn)化方向的信息擴(kuò)增律是一個可能的解答，文獻(xiàn)［3］對這個假設(shè)給出了部分的實(shí)驗(yàn)證明。

2 癌細(xì)胞和正常細(xì)胞熵產(chǎn)生的比較實(shí)驗(yàn)研究

表1 突變型S55基因組中檢測到的結(jié)構(gòu)變化Table 1 Structural variations(SVs)detected in the S55 genome

表中加框標(biāo)出的是沒有功能的假基因，下劃線標(biāo)出的是協(xié)助轉(zhuǎn)座的插入序列(Insertion sequence)，黑體表示的是原噬菌體附著，一種危險的分子定時炸彈。由于頻繁的基因橫向傳遞，細(xì)菌基因組可能包含很多外來基因和嵌入物，它們經(jīng)常是無用的甚至是有害的，并且在進(jìn)化中被消除。S55所缺失的9個SV，都屬于這類序列。它們的被消除，增加了基因組的穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)涵義原核基因組進(jìn)化中普遍存在缺失偏好(Deletion bias)現(xiàn)象［4－5］，序列缺失多于插入，但這些indel一般都是短于100的序列。文獻(xiàn)［3］發(fā)

研究動因我們曾理論估算癌細(xì)胞和正常細(xì)胞的熵產(chǎn)生率，指出前者大于后者［6］，并通過理論分析指出外加適當(dāng)?shù)碾妶觯梢愿淖兌叩南鄬Υ笮。蚨淖冹亓鞯姆较颍?］。通常熵流是從高熵的癌細(xì)胞流向周邊低熵的正常細(xì)胞;如果引入適當(dāng)電場，能使熵流的方向倒過來，這將對癌癥的治療有重要意義。這個問題需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，為此第一步是研究電場作用下癌細(xì)胞和正常細(xì)胞的熵產(chǎn)生，比較測量它們的相對大小。

研究方法細(xì)胞熵產(chǎn)生難于測量。最近丁昌江等提出了一個測量方法［8－9］。他們選取一類癌細(xì)胞或正常細(xì)胞(乳腺癌細(xì)胞MDA-MB-231，正常細(xì)胞MCF10A;肝 癌 細(xì) 胞 SMMC-7721，正 常 細(xì) 胞HL-7702)，放在37 C的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)60分鐘，然后取出裝樣品的96孔板放在一定強(qiáng)度的交變電場中，用溫度傳感器測量300分鐘內(nèi)樣品溫度的變化。對照組為無電場輻照的細(xì)胞樣品。利用傅里葉定律就可算出樣品(癌細(xì)胞或正常細(xì)胞)向環(huán)境傳遞的熱量，從而定出細(xì)胞的電場誘導(dǎo)熵變化量SEEP，和癌細(xì)胞、正常細(xì)胞熵產(chǎn)生比值EEPR。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果文獻(xiàn)［8－9］得到四種細(xì)胞的SEEP和電場的關(guān)系如圖1所示，乳腺細(xì)胞和肝細(xì)胞的EEPR和電場的關(guān)系如圖2所示。由圖1可見兩類癌細(xì)胞MDA-MB-231和 SMMC-7721的SEEP和電場有相同的依賴，隨電場強(qiáng)度單調(diào)上升(在5～40 V/cm范圍內(nèi))，兩類正常細(xì)胞 MCF10A和HL-7702的SEEP和電場也有相似的依賴，但不是單調(diào)的，在5～30 V/cm處出現(xiàn)峰值。由圖1和圖2還可見在5～25 V/cm的區(qū)間內(nèi)兩類正常細(xì)胞(乳腺細(xì)胞和肝細(xì)胞)的電場引發(fā)熵產(chǎn)生都明顯高于相應(yīng)癌細(xì)胞(EEPR＜1并且兩者SEEP差值為10－14J/(K·s)的量級)。

實(shí)驗(yàn)涵義已知平衡鄰近的線性區(qū)中定態(tài)的熵產(chǎn)生率最小。活細(xì)胞如同一臺化學(xué)引擎，循序銜接的酶催化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了高效率的能量和物質(zhì)的轉(zhuǎn)換。生物化學(xué)家把活細(xì)胞“系統(tǒng)是按各部分和過程的最經(jīng)濟(jì)原則運(yùn)轉(zhuǎn)的’看作生命機(jī)體的分子邏輯。這個“最經(jīng)濟(jì)原則”從物理原理的角度看就是“熵產(chǎn)生最小”。薛定諤在《什么是生命》書中提出的“生命以負(fù)熵為生”的原理，被認(rèn)為是生命的熱力學(xué)基礎(chǔ)。如果把這句話再加上熵產(chǎn)生最小化的內(nèi)容，就構(gòu)成了比較完整的生命的熱力學(xué)圖畫。熵產(chǎn)生的重要性還在于熱力學(xué)熵和Shannon信息量存在關(guān)系。它們有相同的公式，但決定熵的微觀態(tài)密度遵守Liouville方程，而決定信息量的概率分布遵守Kolmogorov方程;二者涉及的自由度不同，是投影關(guān)系。因此熵流可能是信息的負(fù)載者，熵流方向的改變意味著信息流方向的改變。文獻(xiàn)［10－11］討論了信息的遷移和擴(kuò)散以及熵流和信息流的關(guān)系。

圖1 電誘導(dǎo)熵產(chǎn)生(SEEP)和電場強(qiáng)度的關(guān)系Fig.1 The relation between Scaled Electro-induced Entropy Production rate(SEEP)and electric field strength

圖2 癌/正常細(xì)胞電誘導(dǎo)熵產(chǎn)生比(EEPR)和電場強(qiáng)度的關(guān)系Fig.2 The relation between Electro-induced Entropy Ratio(EEPR)and electric field strength Production

生物組織中熵流的方向決定于熵密度分布，最終決定于細(xì)胞的熵產(chǎn)生。和癌細(xì)胞相比，正常細(xì)胞在電場中具有較高熵產(chǎn)生，這有兩個可能的機(jī)制。第一，由于兩類細(xì)胞不同的介電性質(zhì)，癌細(xì)胞可能具有比正常細(xì)胞更低的電能耗散率或場致熵產(chǎn)生率，這一機(jī)制是隨著電場單調(diào)變化的。第二，由于兩類細(xì)胞代謝途徑(例如ATP合成途徑)的不同，對于正常細(xì)胞，可能某些生化反應(yīng)更靈敏依賴于一定強(qiáng)度范圍的電場，使得它在此電場中具有較高的熵產(chǎn)生率。圖1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了以上分析。文獻(xiàn)［7］估算了無電場時正常細(xì)胞的熵產(chǎn)生率在2.7×10－16J/(K·s)至2.2×10－14J/(K·s)之間，而癌細(xì)胞熵產(chǎn)生率比正常細(xì)胞高出一個因子2。現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［8－9］證明了一定強(qiáng)度的電場可改變正常細(xì)胞和癌細(xì)胞熵產(chǎn)生率的相對大小，由圖1可知兩類細(xì)胞在5 ～25 V/cm的電場作用下，電場熵產(chǎn)生的差值已達(dá)10－14J/(K·s)的量級。這個附加熵產(chǎn)生已可改變兩類細(xì)胞間熵流方向。這為癌癥的治療提供一個新思路。

關(guān)于理論和實(shí)驗(yàn)的關(guān)系，李政道說:“沒有實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，理論物理學(xué)家就要漂浮不定;沒有理論物理學(xué)家，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家就會猶豫不決。”(被稱為“物理學(xué)家二定理”。)在生物學(xué)規(guī)律的探索中，有類似情況。我國的理論生物學(xué)和生物信息學(xué)研究也必須盡量和自己的實(shí)驗(yàn)工作相結(jié)合。

References)

［1］ LUO Liaofu.Law of genome evolution direction:Coding information quantity grows［J］.Frontiers of Physics，2009，4:241－251.

［2］ SONG Zhiqiang，LUO Liaofu.Escherichia coli mutants induced by multi-ion irradiation［J］.Journal of Radiation Research，2012，53:854 －859.

［3］ BARRICK J E，YU D S，YOON S H，et al.Genome evolution and adaptation in a long-term experiment with Escherichia coli［J］.Nature，2009，461:1243 － U1274.

［4］ MIRA A，OCHMAN H，MORAN N A.，Deletional bias and the evolution of bacterial genomes［J］.Trends Genet.，2001，17:589 －596.

［5］ KUO C H，OCHMAN H.Deletional bias across the three domains of life ［J］.Genome Biol.Evol.，2009，1:145－152.

［6］ LUO Liaofu，MOLNAR J，DING Hui，et al.Physicochemical attack against solid tumors based on the reversal of direction of entropy flow:An attempt to introduce thermodynamics in anticancer therapy［J］.Diagnostic Pathology，2006，1:43.

［7］ LUO Liaofu.Entropy production in a cell and reversal of entropy flow as an anticancer therapy［J］.Frontiers of Physics，2009，4(1):122 －136.

［8］ DING Changjiang，LUO Liaofu.Experimental study of entropy production in cells under alternating electric field［J］.Chin.Phys.Lett.，2012，29(8):088701.

［9］ DINGChangjiang，LUO Liaofu.Measurement of entropy production in living cells under an alternating electric field［J］.Cell biology International，2013，37(3):233 －238.

［10］邢修三.動態(tài)統(tǒng)計(jì)信息理論［J］.中國科學(xué) G輯，2005，35(4):337－368.XING Xiusan.On dynamical statistical information theory［J］.science in china，Ser.G，2005，35(4):337 －368.

［11］ LUO Liaofu，DIGN Changjiang.Electro-magnetic field induced entropy production in a cell:Its difference between cancerous and normal cells［M］.In:Electromagnetic Fields:Principles，Engineering Applications and Biophysical Effects Ch9.NY:Nova Science Pub，2013.