유전 조절 요소의 정보 용량

초록

이 논문은 전사인자 농도 변화를 입력으로 하는 유전 조절 회로가 내재된 잡음에 의해 제한되는 정보 전송 능력을 정보 이론으로 정량화한다. 물리적으로 현실적인 잡음 모델, 협동성, 신호 분자 생산 비용 등을 고려한 채널 용량을 계산하고, 이론적으로 1비트 이상, 즉 이진 온오프 스위치보다 더 풍부한 표현이 가능함을 보여준다.

상세 분석

본 연구는 유전 조절 요소를 통신 채널로 모델링하고, 입력(전사인자 농도)과 출력(표현량) 사이의 상호작용을 확률적 전송 함수로 기술한다. 잡음은 크게 두 종류로 구분한다. 첫째는 전사인자 결합 및 해리 과정에서 발생하는 ‘입력 잡음’으로, 전사인자 수가 적을 때 포아송 통계에 의해 크게 변동한다. 둘째는 전사·번역 과정에서 발생하는 ‘출력 잡음’으로, 단백질 합성의 이산적 특성과 분해율 변동을 포함한다. 저자는 이 두 잡음을 각각 가우시안 근사와 선형 노이즈 모델로 표현하고, 전체 잡음 분산을 입력 농도 함수로 전개한다.

채널 용량 C는 입력 분포 p(x)를 최적화한 뒤, 상호 정보 I(X;Y)=∫dx p(x)∫dy p(y|x)log