Cellular noise
कोशिकीय शोर कोशिकीय जीव विज्ञान में उत्पन्न होने वाली मात्रा में यादृच्छिक परिवर्तनशीलता है। उदाहरण के लिए, जो कोशिकाएं आनुवंशिक रूप से समान होती हैं, यहां तक कि एक ही ऊतक के भीतर भी, उनमें अक्सर प्रोटीन के विभिन्न अभिव्यक्ति स्तर, विभिन्न आकार और संरचनाएं पाई जाती हैं। इन स्पष्ट रूप से यादृच्छिक अंतरों के महत्वपूर्ण जैविक और चिकित्सा परिणाम हो सकते हैं। कोशिकीय शोर मूल रूप से था, और अभी भी अक्सर, जीन अभिव्यक्ति स्तरों के संदर्भ में जांचा जाता है-या तो कोशिकाओं के भीतर और बीच में जीन के उत्पादों की एकाग्रता या प्रतिलिपि संख्या। चूंकि जीन अभिव्यक्ति का स्तर कोशिकीय जीव विज्ञान में कई मौलिक गुणों के लिए जिम्मेदार है, जिसमें कोशिकाओं की शारीरिक उपस्थिति, उत्तेजनाओं के जवाब में व्यवहार और जानकारी को संसाधित करने और आंतरिक प्रक्रियाओं को नियंत्रित करने की क्षमता शामिल है, इसलिए जीन अभिव्यक्ति में शोर की उपस्थिति का कोशिकीय जीव विज्ञान में कई प्रक्रियाओं के लिए गहरा प्रभाव पड़ता है। परिभाषाएँ शोर की सबसे लगातार मात्रात्मक परिभाषा भिन्नता का गुणांक हैः जहाँ एक मात्रा में शोर है, इसका औसत मूल्य है और इसका मानक विचलन है। यह माप आयामहीन है, जो निरपेक्ष माध्य के ज्ञान की आवश्यकता के बिना, शोर के महत्व की सापेक्ष तुलना की अनुमति देता है। गणितीय सुविधा के लिए अक्सर उपयोग की जाने वाली अन्य मात्राएँ हैं फैनो कारक और सामान्यीकृत विचरणः प्रायोगिक माप प्रोकैरियोट्स में जीन अभिव्यक्ति शोर का पहला प्रयोगात्मक विवरण और विश्लेषण बेस्की और सेरानो और अलेक्जेंडर वैन ऑडेनार्डन की प्रयोगशाला से है। यूकेरियोट्स में जीन अभिव्यक्ति शोर का पहला प्रयोगात्मक विवरण और विश्लेषण जेम्स जे. कॉलिन्स की प्रयोगशाला से है। आंतरिक और बाहरी शोर सेलुलर शोर की अक्सर आंतरिक और बाहरी शोर के ढांचे में जांच की जाती है। आंतरिक शोर एक एकल कोशिका के भीतर समान रूप से विनियमित मात्रा में भिन्नता को संदर्भित करता हैः उदाहरण के लिए, दो समान रूप से नियंत्रित जीनों के अभिव्यक्ति स्तरों में अंतर-कोशिका भिन्नता। बाह्य शोर विभिन्न कोशिकाओं के बीच समान रूप से विनियमित मात्रा में भिन्नता को संदर्भित करता हैः उदाहरण के लिए, किसी दिए गए जीन की अभिव्यक्ति में कोशिका-से-कोशिका भिन्नता। आंतरिक और बाह्य शोर स्तरों की तुलना अक्सर दोहरे रिपोर्टर अध्ययनों में की जाती है, जिसमें दो समान रूप से विनियमित जीन (अक्सर जी. एफ. पी. और वाई. एफ. पी. जैसे फ्लोरोसेंट रिपोर्टर) के अभिव्यक्ति स्तरों को आबादी में प्रत्येक कोशिका के लिए प्लॉट किया जाता है। दोहरे-रिपोर्टर अध्ययनों में मुख्य विकर्ण के साथ एक प्रसार के रूप में बाहरी शोर के सामान्य चित्रण के साथ एक मुद्दा यह धारणा है कि बाहरी कारक दोनों रिपोर्टरों के बीच सकारात्मक अभिव्यक्ति सहसंबंध का कारण बनते हैं। वास्तव में, जब दोनों रिपोर्टर एक लो-कॉपी रेगुलेटर को बांधने के लिए प्रतिस्पर्धा करते हैं, तो दोनों रिपोर्टर विसंगत रूप से एंटीकोरिलेटेड हो जाते हैं, और प्रसार मुख्य विकर्ण के लंबवत होता है। वास्तव में, वृत्ताकार समरूपता से दोहरे-रिपोर्टर स्कैटर प्लॉट का कोई भी विचलन बाहरी शोर को इंगित करता है। सूचना सिद्धांत इस विसंगति से बचने का एक तरीका प्रदान करता है। स्रोत नोटः ये सूचियाँ सचित्र हैं, संपूर्ण नहीं हैं, और शोर स्रोतों की पहचान अनुसंधान का एक सक्रिय और विस्तारित क्षेत्र है। आंतरिक शोर कम प्रतिलिपि-संख्या प्रभाव (असतत जन्म और मृत्यु की घटनाओं सहित): कोशिकीय घटकों के उत्पादन और क्षरण की यादृच्छिक (यादृच्छिक) प्रकृति का अर्थ है कि कम प्रतिलिपि संख्या पर घटकों के लिए शोर अधिक है (क्योंकि इन यादृच्छिक उतार-चढ़ाव का परिमाण प्रतिलिपि संख्या के संबंध में नगण्य नहीं है); विसरणशील कोशिकीय गतिकीः कई महत्वपूर्ण कोशिकीय प्रक्रियाएं अभिकारकों (उदाहरण के लिए, आर. एन. ए. पोलीमरेज़ और डी. एन. ए.) और अन्य भौतिक मानदंडों के बीच टकराव पर निर्भर करती हैं, जो कोशिका की विसरणशील गतिशील प्रकृति को देखते हुए, यादृच्छिक रूप से होती हैं। शोर प्रसारः कम प्रतिलिपि-संख्या प्रभाव और प्रसार गतिशीलता के परिणामस्वरूप एक कोशिका में प्रत्येक जैव रासायनिक प्रतिक्रियाएं यादृच्छिक रूप से होती हैं। प्रतिक्रियाओं की यादृच्छिकता को या तो कम किया जा सकता है या बढ़ाया जा सकता है। प्रतिलिपि संख्या में आंतरिक परिवर्तनशीलता में प्रत्येक प्रतिक्रिया के योगदान को वान काम्पेन के प्रणाली आकार विस्तार के माध्यम से मापा जा सकता है। बाह्य शोर कोशिकीय आयु/कोशिका चक्र चरणः एक विभाजित आबादी में कोशिकाएं जो समय पर दिए गए स्नैपशॉट में समक्रमित नहीं होती हैं, विभिन्न कोशिका चक्र चरणों में संबंधित जैव रासायनिक और भौतिक अंतरों के साथ होंगी; कोशिका वृद्धिः वृद्धि दर में भिन्नता जिससे कोशिकाओं के बीच एकाग्रता में भिन्नता होती है; भौतिक वातावरण (तापमान, दबाव,): भौतिक मात्रा और रासायनिक सांद्रता (विशेष रूप से कोशिका-से-कोशिका संकेत के मामले में) कोशिकाओं की आबादी में स्थानिक रूप से भिन्न हो सकती है, जो स्थिति के एक कार्य के रूप में बाहरी अंतर को उकसाती है; ऑर्गेनेल वितरणः ऑर्गेनेल की मात्रा और गुणवत्ता में यादृच्छिक कारक (उदाहरण के लिए, माइटोकॉन्ड्रिया की संख्या और कार्यक्षमता) एक सीमा में महत्वपूर्ण कोशिका-से-कोशिका अंतर पैदा करते हैं। नियामक प्रतिस्पर्धाः डाउनस्ट्रीम प्रवर्तकों को बांधने के लिए प्रतिस्पर्धा करने वाले नियामक नकारात्मक सहसंबंध पैदा कर सकते हैंः जब एक प्रवर्तक बाध्य होता है तो दूसरा नहीं होता है और इसके विपरीत। ध्यान दें कि बाहरी शोर आंतरिक शोर के स्तर और प्रकारों को प्रभावित कर सकता हैः उदाहरण के लिए, कोशिकाओं की माइटोकॉन्ड्रियल सामग्री में बाहरी अंतर, ए. टी. पी. स्तरों में अंतर के माध्यम से, कुछ कोशिकाओं में दूसरों की तुलना में तेजी से प्रतिलेखन करते हैं, जो जीन अभिव्यक्ति की दरों और आबादी में आंतरिक शोर के परिमाण को प्रभावित करते हैं। प्रभाव नोटः ये सूचियाँ सचित्र हैं, संपूर्ण नहीं हैं, और शोर प्रभावों की पहचान अनुसंधान का एक सक्रिय और विस्तारित क्षेत्र है। जीन अभिव्यक्ति स्तरः जीन अभिव्यक्ति में शोर कोशिकाओं के मौलिक गुणों में अंतर का कारण बनता है, सेलुलर गतिशीलता को जैव रासायनिक रूप से नियंत्रित करने की उनकी क्षमता को सीमित करता है, और प्रत्यक्ष या अप्रत्यक्ष रूप से नीचे दिए गए कई विशिष्ट प्रभावों को प्रेरित करता है; ऊर्जा स्तर और प्रतिलेखन दरः प्रतिलेखन दर में शोर, प्रतिलेखन विस्फोट सहित स्रोतों से उत्पन्न होता है, जो जीन के अभिव्यक्ति स्तरों में शोर का एक महत्वपूर्ण स्रोत है। माइटोकॉन्ड्रियल सामग्री में बाहरी शोर को कोशिकाओं में ए. टी. पी. सांद्रता और प्रतिलेखन दरों (इन तीन मात्राओं के बीच निहित कार्यात्मक संबंधों के साथ) में अंतर को प्रसारित करने के लिए सुझाव दिया गया है, जो कोशिकाओं की ऊर्जावान क्षमता और जीन को व्यक्त करने की क्षमता को प्रभावित करता है; फेनोटाइप चयनः जीवाणु आबादी एक शांत स्थिति में प्रवेश करने के लिए जनसंख्या सबसेट चुनने के लिए बाहरी शोर का फायदा उठाती है। उदाहरण के लिए, एक जीवाणु संक्रमण में, यह उपसमुच्चय जल्दी से प्रसार नहीं करेगा, लेकिन अधिक मजबूत होगा जब आबादी को एंटीबायोटिक उपचार से खतरा होगाः तेजी से प्रतिकृति बनाने वाले, संक्रामक बैक्टीरिया शांत उपसमुच्चय की तुलना में अधिक तेज़ी से मारे जाएंगे, जो संक्रमण को फिर से शुरू करने में सक्षम हो सकते हैं। यही कारण है कि एंटीबायोटिक दवाओं के पाठ्यक्रम को तब भी समाप्त किया जाना चाहिए जब लक्षण गायब हो गए हों; विकास और स्टेम सेल विभेदीकरणः जैव रासायनिक प्रक्रियाओं में विकासात्मक शोर जिसे जैविक विकास के दौरान कसकर नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है (उदाहरण के लिए, शरीर के विभिन्न हिस्सों में विकसित होने वाले जीन अभिव्यक्ति स्तरों का प्रतिरूपण) के नाटकीय परिणाम हो सकते हैं, जिससे मजबूत सेलुलर मशीनरी के विकास की आवश्यकता हो सकती है। स्टेम कोशिकाएँ विभिन्न विशिष्ट जीन के अभिव्यक्ति स्तरों के आधार पर विभिन्न प्रकार की कोशिकाओं में भिन्न होती हैंः जीन अभिव्यक्ति में शोर स्पष्ट रूप से इस प्रक्रिया को बाधित और प्रभावित कर सकता है, और प्रतिलेखन दर में शोर गतिशील परिदृश्य की संरचना को प्रभावित कर सकता है जिस पर विभेदन होता है। बैक्टीरिया से स्तनधारी कोशिकाओं में इन प्रभावों को सारांशित करने वाले समीक्षा लेख हैं; दवा प्रतिरोधः शोर अल्पकालिक उत्तरजीविता और दवा उपचार के उच्च स्तरों पर दवा प्रतिरोध के दीर्घकालिक विकास में सुधार करता है। शोर का दवा उपचार के निम्न स्तरों पर विपरीत प्रभाव पड़ता है; कैंसर उपचारः हाल के काम में जीन अभिव्यक्ति के स्तर से जुड़े बाहरी अंतर पाए गए हैं, कैंसर कोशिकाओं की प्रतिक्रिया में कैंसर-रोधी उपचार के लिए, संभावित रूप से आंशिक हत्या की घटना को जोड़ते हुए (जिससे प्रत्येक उपचार कुछ को मारता है लेकिन सभी ट्यूमर को नहीं) जीन अभिव्यक्ति में शोर से। क्योंकि अलग-अलग कोशिकाएं एक चिकित्सीय पद्धति (कीमोथेरेपी, लक्षित एजेंट, विकिरण, आदि) के प्रति प्रतिक्रियाशीलता में अंतर से जुड़ी अवस्थाओं के बीच बार-बार और यादृच्छिक रूप से संक्रमण कर सकती हैं। ), चिकित्सा को बार-बार प्रशासित करने की आवश्यकता हो सकती है (यह सुनिश्चित करने के लिए कि चिकित्सा-प्रतिक्रियाशील स्थिति में प्रवेश करने के तुरंत बाद कोशिकाओं का इलाज किया जाता है, इससे पहले कि वे चिकित्सा-प्रतिरोधी उप-जनसंख्या में फिर से शामिल हो सकें और फैल सकें) और लंबे समय तक (उन कोशिकाओं का भी इलाज करने के लिए जो चिकित्सा-प्रतिरोधी उप-जनसंख्या के अंतिम अवशेष से देर से निकलती हैं)। जीनोम का विकासः जीनोम को क्रोमैटिन द्वारा कवर किया जाता है जिसे मोटे तौर पर "ओपन" (जिसे यूक्रोमैटिन के रूप में भी जाना जाता है) या "क्लोज्ड" (जिसे हेटेरोक्रोमैटिन के रूप में भी जाना जाता है) में वर्गीकृत किया जा सकता है। ओपन क्रोमैटिन से हेटेरोक्रोमैटिन की तुलना में प्रतिलेखन में कम शोर होता है। अक्सर "हाउसकीपिंग" प्रोटीन (जो प्रोटीन हैं जो सेलुलर उत्तरजीविता के लिए आवश्यक कार्यों को पूरा करते हैं) बड़े मल्टीप्रोटीन परिसरों का काम करते हैं। यदि ऐसे परिसरों के प्रोटीन में शोर को कम किया जाता है, तो यह संभावित रूप से हानिकारक प्रभावों के साथ मल्टीप्रोटीन परिसरों के उत्पादन के स्तर को कम कर सकता है। शोर में कमी खुले क्रोमैटिन में आवश्यक जीनों का एक विकासवादी चयन आंदोलन प्रदान कर सकती है। सूचना प्रसंस्करणः जैसा कि सेलुलर विनियमन उन घटकों के साथ किया जाता है जो स्वयं शोर के अधीन होते हैं, सूचना को संसाधित करने और नियंत्रण करने की कोशिकाओं की क्षमता मौलिक रूप से आंतरिक शोर विश्लेषण द्वारा सीमित होती है क्योंकि कोशिका के भीतर असतत प्रतिलिपि संख्या (एकल डीएनए, दर्जनों एमआरएनए, सैकड़ों प्रोटीन) में कोशिका जैविक रुचि की कई मात्राएं मौजूद होती हैं, असतत यादृच्छिक गणित के उपकरणों का उपयोग अक्सर सेलुलर शोर का विश्लेषण और मॉडल बनाने के लिए किया जाता है। विशेष रूप से, प्रमुख समीकरण उपचार-जहां एक समय पर एक अवस्था में एक प्रणाली को देखने की संभावनाओं को ओडीई के माध्यम से जोड़ा जाता है-विशेष रूप से उपयोगी साबित हुए हैं। शोर जीन अभिव्यक्ति के लिए एक विहित मॉडल, जहां डी. एन. ए. सक्रियण, प्रतिलेखन और अनुवाद की सभी प्रक्रियाओं को दी गई दरों के साथ पॉइसन प्रक्रियाओं के रूप में दर्शाया जाता है, एक प्रमुख समीकरण देता है जिसे विभिन्न धारणाओं के तहत ठीक से (कार्य उत्पन्न करने के साथ) हल किया जा सकता है या वान काम्पेन के प्रणाली आकार विस्तार जैसे यादृच्छिक उपकरणों के साथ अनुमानित किया जा सकता है। संख्यात्मक रूप से, गिलेस्पी एल्गोरिथ्म या स्टोकेस्टिक सिमुलेशन एल्गोरिथ्म का उपयोग अक्सर स्टोकेस्टिक सेलुलर प्रक्रियाओं की प्राप्ति बनाने के लिए किया जाता है, जिससे सांख्यिकी की गणना की जा सकती है। जैविक प्रक्रियाओं के लिए यादृच्छिक मॉडल (पैरामीट्रिक अनुमान) में मापदंडों के मूल्यों का अनुमान लगाने की समस्या, जो आमतौर पर विरल और शोर-शराबे वाले प्रयोगात्मक डेटा द्वारा विशेषता है, अनुसंधान का एक सक्रिय क्षेत्र है, जिसमें बायेसियन एमसीएमसी और अनुमानित बायेसियन गणना सहित विधियां अनुकूलनीय और मजबूत साबित होती हैं। दो-अवस्था मॉडल के संबंध में, एम. आर. एन. ए. के वितरण से मापदंडों के अनुमान के लिए एक क्षण-आधारित विधि का वर्णन किया गया था। संदर्भ कोशिका जीवविज्ञान जैवभौतिकी आणविक जीवविज्ञान जैव सांख्यिकी यादृच्छिकता