原核基因組的進化方向和癌/正常細胞的熵產生

羅遼復

(內蒙古大學物理學院，呼和浩特010021)

生物信息學和理論生物學兩個學科有很大交疊。前者著重于下游諸領域的應用，后者則更多注意上游的基礎性問題，兩者相互促進。和傳統的實驗生物學不同，二者都廣泛使用數學方法、計算工具和邏輯推演，但又都必須依賴實驗資料，并為實驗所檢驗。生物信息學/理論生物學的研究組如果自己動手做實驗，必將大大提高工作的創新性和成果水平。本文將介紹內蒙古大學組的一些經驗。生命進化的時間箭頭，從基因組水平來闡明生物進化的方向性，是理論生物學的一個基本問題。“生命以負熵為生”，從熵產生的角度來研究細胞功能，特別地，研究癌細胞和正常細胞的熱力學差別，是理論生物學的又一個基本問題。這兩個問題的解決，需要創新的思想，需要周密的實驗來配合。近年內蒙古大學理論生物學研究組在此二問題上進行了初步實驗，獲得了一些結果。

1 原核基因組的進化方向

研究動因我們曾提出基因組進化的信息擴增律假設［1］，認為(非寄生)基因組序列的編碼信息量IC在進化中隨時間增長。這里I既包括編碼C蛋白質的DNA序列，也包括編碼其他功能區的DNA序列的信息量。我們分析了基因組進化中的一些重大事件，如全基因組復制和基因丟失，寒武紀大爆發等幾次適應性輻射，靈長類到人類基因組的進化等，沒有發現和編碼信息量擴增律矛盾的情況。原核基因組的大小差別不大，IC的差別也不大，這個規律是否成立?需要通過直接的進化實驗來檢驗。

研究方法Barrick等曾對大腸桿菌進行長時間的進化實驗［2］，觀察了40萬代，獲得了一些堿基插入缺失(indel)的信息。為了加速進化，最近宋智青等［3］用 N 離子束(10 keV)輻照 E.coli的方法進行實驗，通過選擇lac突變型，經過6輪輻照，每輪5次傳代，獲得穩定突變型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(SNP)，堿基插入缺失信息和結構變化(SV)資料。

實驗結果除了堿基突變和個別indel外，得到9個大的SV區，它們都是缺失型的(見表1)。現了大腸桿菌進化中還存在若干大片段的長于1 300堿基的缺失性結構變化，并且分析這些結構變化，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，這和的規律是一致的。達爾文的“物競天擇，適者生存”的思想本身就說明進化是有方向的。他著重解釋了“性狀分歧”和進化樹的形成，而進化的樹狀圖式本身便深刻地表明了進化的方向性。這種方向性如何從分子生物學的水平和基因組學的角度予以說明?我們提出的基因組進化方向的信息擴增律是一個可能的解答，文獻［3］對這個假設給出了部分的實驗證明。

2 癌細胞和正常細胞熵產生的比較實驗研究

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

表中加框標出的是沒有功能的假基因，下劃線標出的是協助轉座的插入序列(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，細菌基因組可能包含很多外來基因和嵌入物，它們經常是無用的甚至是有害的，并且在進化中被消除。S55所缺失的9個SV，都屬于這類序列。它們的被消除，增加了基因組的穩定性。

實驗涵義原核基因組進化中普遍存在缺失偏好(Deletion bias)現象［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［3］發

研究動因我們曾理論估算癌細胞和正常細胞的熵產生率，指出前者大于后者［6］，并通過理論分析指出外加適當的電場，可以改變二者的相對大小，因而改變熵流的方向［7］。通常熵流是從高熵的癌細胞流向周邊低熵的正常細胞;如果引入適當電場，能使熵流的方向倒過來，這將對癌癥的治療有重要意義。這個問題需要進行實驗研究，為此第一步是研究電場作用下癌細胞和正常細胞的熵產生，比較測量它們的相對大小。

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

實驗結果文獻［8－9］得到四種細胞的SEEP和電場的關系如圖1所示，乳腺細胞和肝細胞的EEPR和電場的關系如圖2所示。由圖1可見兩類癌細胞MDA-MB-231和 SMMC-7721的SEEP和電場有相同的依賴，隨電場強度單調上升(在5～40 V/cm范圍內)，兩類正常細胞 MCF10A和HL-7702的SEEP和電場也有相似的依賴，但不是單調的，在5～30 V/cm處出現峰值。由圖1和圖2還可見在5～25 V/cm的區間內兩類正常細胞(乳腺細胞和肝細胞)的電場引發熵產生都明顯高于相應癌細胞(EEPR＜1并且兩者SEEP差值為10－14J/(K·s)的量級)。

實驗涵義已知平衡鄰近的線性區中定態的熵產生率最小。活細胞如同一臺化學引擎，循序銜接的酶催化反應實現了高效率的能量和物質的轉換。生物化學家把活細胞“系統是按各部分和過程的最經濟原則運轉的’看作生命機體的分子邏輯。這個“最經濟原則”從物理原理的角度看就是“熵產生最小”。薛定諤在《什么是生命》書中提出的“生命以負熵為生”的原理，被認為是生命的熱力學基礎。如果把這句話再加上熵產生最小化的內容，就構成了比較完整的生命的熱力學圖畫。熵產生的重要性還在于熱力學熵和Shannon信息量存在關系。它們有相同的公式，但決定熵的微觀態密度遵守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，是投影關系。因此熵流可能是信息的負載者，熵流方向的改變意味著信息流方向的改變。文獻［10－11］討論了信息的遷移和擴散以及熵流和信息流的關系。

圖1 電誘導熵產生(SEEP)和電場強度的關系Fig.1 The relation between Scaled Electro-induced Entropy Production rate(SEEP)and electric field strength

圖2 癌/正常細胞電誘導熵產生比(EEPR)和電場強度的關系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，最終決定于細胞的熵產生。和癌細胞相比，正常細胞在電場中具有較高熵產生，這有兩個可能的機制。第一，由于兩類細胞不同的介電性質，癌細胞可能具有比正常細胞更低的電能耗散率或場致熵產生率，這一機制是隨著電場單調變化的。第二，由于兩類細胞代謝途徑(例如ATP合成途徑)的不同，對于正常細胞，可能某些生化反應更靈敏依賴于一定強度范圍的電場，使得它在此電場中具有較高的熵產生率。圖1的實驗結果證實了以上分析。文獻［7］估算了無電場時正常細胞的熵產生率在2.7×10－16J/(K·s)至2.2×10－14J/(K·s)之間，而癌細胞熵產生率比正常細胞高出一個因子2。現在的實驗結果［8－9］證明了一定強度的電場可改變正常細胞和癌細胞熵產生率的相對大小，由圖1可知兩類細胞在5 ～25 V/cm的電場作用下，電場熵產生的差值已達10－14J/(K·s)的量級。這個附加熵產生已可改變兩類細胞間熵流方向。這為癌癥的治療提供一個新思路。

關于理論和實驗的關系，李政道說:“沒有實驗物理學家，理論物理學家就要漂浮不定;沒有理論物理學家，實驗物理學家就會猶豫不決。”(被稱為“物理學家二定理”。)在生物學規律的探索中，有類似情況。我國的理論生物學和生物信息學研究也必須盡量和自己的實驗工作相結合。

References)

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［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.