数学发现为研究细胞活动和衰老提供了新方法

根据密西西比州立大学的一名研究人员与其来自哈佛医学院和剑桥大学的同事最近共同发表的一篇论文，新的数学工具可以揭示细胞蛋白质分解的速度，有望更深入地了解我们的衰老方式。

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助理教授盖伦·柯林斯 (Galen Collins) 与他人共同撰写了这篇开创性的论文，该论文于 4 月发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS )上。

“我们已经知道蛋白质的生成速度有多快，这可能只需几分钟，”密西西比州农业和林业实验站的科学家柯林斯说。“到目前为止，我们对蛋白质分解需要多长时间的了解还很有限。”

这篇应用数学论文《哺乳动物蛋白质组动力学的最大熵测定》介绍了一种量化细胞蛋白质降解率(即它们分解的速度)的新工具，有助于我们了解细胞如何生长和亡以及我们如何衰老。蛋白质是由各种氨基酸组合构成的复杂分子，承担着细胞内大部分的工作量，提供细胞结构，响应来自细胞外的信息并清除废物。

研究结果证明，并非所有蛋白质的降解速度都相同，而是分为三类，即在几分钟、几小时或几天内降解。虽然之前的研究已经检查过细胞蛋白质的降解，但这项研究首次使用一种称为最大熵的技术，以数学方式量化了所有细胞蛋白质分子的降解率。

“对于某些科学问题，实验通常可以揭示无限多种可能的答案;然而，这些答案并非都同样合理，”主要作者、哈佛大学应用数学研究员亚历山大·迪尔 (Alexander Dear) 说道。“最大熵原理是一个数学定律，它向我们展示了如何精确计算每个答案的合理性——它的&luo;熵&ruo;——以便我们可以选择最有可能的答案。”

“这种数学有点像一个摄像头，从远处放大你的车牌，然后计算出数字应该是多少，”柯林斯说。“最大熵让我们清晰而准确地了解了细胞中蛋白质降解的发生方式。”

此外，该团队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，他们研究了这些速率如何随着肌肉发育和适应饥饿而变化。

“我们发现饥饿对肌肉细胞中中间组蛋白质的影响最大，这些蛋白质的半衰期为几个小时，导致分解发生转移和加速，”柯林斯说。“这一发现可能对因疾病及其治疗而出现恶病质或肌肉萎缩的癌症患者有影响。”

他们还探索了某些细胞蛋白质分解的变化如何导致神经退行性疾病。

“当废物蛋白质(通常分解得很快)存活时间过长时，就会引发这些疾病，”柯林斯说。“大脑就像青少年的卧室，堆积着垃圾，如果不清理，就会变得无法居住。”

迪尔强调，这项研究的价值不仅在于揭示了细胞蛋白质退化的过程，还为科学家提供了一种精确研究细胞活动的新方法。

“我们的工作为量化细胞中的蛋白质代谢提供了一种强大的新实验方法，”他说。“它的简单性和快速性使其特别适合研究代谢变化。”

柯林斯在哈佛大学的博士后导师、本文的合著者、已故的阿尔弗雷德·戈德堡是研究蛋白质生命和亡的先驱。柯林斯指出，这项研究建立在戈德堡近五十年的研究和他职业生涯后期与剑桥大学数学家的合作基础之上。一年前来到密歇根州立大学后，柯林斯继续与同事合作完成了这篇论文。

“能够发表在PNAS上是莫大的荣幸，但成为这个团队的一员也很有趣，”柯林斯说。“看到我前任导师的作品得以整理并出版，意义非凡。”

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