生物研究中不得缺少的数字概念

欢迎关注天下博客：http://blog.genesino.com/2018/01/biological-numbers/
对于我们做数据分析的人来说，需要关注很多数字，如软件安装时系统是64位还是32位，程序的运行时间多久，运行内存需求多大，测序原始文件多大，比对完之后的BAM文件多大，多少基因被检测到了，有多少是差异表达的等。

生物体内也存在一些数据，对我们直观地了解生物体的大小、理解生物体内部的组织方式和调节方式有重要启发作用。

比如看下面几个例子：

生物体有没有足够的时间复制基因组？

大肠杆菌的基因组约为5 M bp，复制速率在200-1000 bp/s。细菌的每条染色体通常只有一个复制起始点。复制子在复制起始位点组装，对向移动，需要至少2500秒，也就是41.7分钟完成基因组的复制。而其在营养条件好的情况下分裂一次只需要20分钟。那么这是怎么实现的呢？

实际上，大肠杆菌基因组的复制是嵌套进行的。第一次复制未完成时，下一次的复制已经开始了。在任何一个给定的时间点，可以有6个或8个复制叉同时进行DNA的复制。因此当子染色体进入分裂后的子细胞时，已经为下一次的分裂准备好了部分复制的染色体。
5 ml的细菌培养液中有多少突变？

大肠杆菌复制错误率为10^-9/bp，基因组大小为10⁷ (双链)，每次基因组复制产生的平均突变为0.02个。在5 ml饱和的大肠杆菌培养液中，有10⁹~10¹⁰个细胞。如果只是考虑最后一次复制，从10⁹个细胞到10¹⁰个就会产生10⁷个单碱基突变 (等同于基因组大小)。如果是从一个菌繁殖而来的，那么理论上每一个非致死性突变都会存在于培养液的菌中。
饱和的大肠杆菌培养液的密度怎样？

饱和的大肠杆菌培养液中大约有10⁹ cells/ml。每个细胞重量为10^-12克，悬液的菌浓度是 1 mg/ml。细胞之间的平均距离是10 um, 这个密度只有白蚁肠道中菌的密度的1/10。可见肠道菌群的丰富。
大分子扩散的距离有多大？

一个蛋白穿过HeLa细胞平均约需要10 s。轴突大约是1 mm长，HeLa细胞的100倍，而扩散时间与距离的平方成反比，所以大约需要两天，一个蛋白才可以从轴突的一端扩散到另一端。这表明需要有其它的机制负责长距离运输大分子。一个速度为1 um/s的分子马达可以在15分钟一个蛋白运输 1 mm的轴突长度。

大小和长度

细菌(大肠杆菌)：直径0.7-1.4 um；体积 0.5-5 um³。10⁸-10⁹ cell/ml的菌液OD600约等于1。

酵母(酿酒酵母)：直径3-6 um; 体检 20-260 um³。

哺乳动物细胞体积：100-10,000 um³；HeLa细胞是500-5000 um³ (贴壁生长时直径是15~30 um)。

细胞核体积一般为细胞体积的1/10。

细胞膜的厚度是 4-10 nm。

平均蛋白的直径是 3-6 nm。

碱基对的大小是：直径 2 nm X 高度 0.34 nm

水分子的直径是 0.3 nm

生命过程时间

细胞周期时间：大肠杆菌 20-40 min；出芽酵母 70-140 min; HeLa细胞 15-30 hr。

DNA复制速度：大肠杆菌 200~1000 bases/s; 人 40 bases/s;

RNA聚合酶的转录速速度：10-100 bases/s。

核糖体的翻译速度：10-20 aa/s。

增殖的细胞中mRNA的半衰期小于细胞周期；蛋白的半衰期大于等于细胞周期。

基因组大小和突变率

大肠杆菌： 5 Mbp

酿酒酵母：12 Mbp

线虫：100 Mbp

果蝇：120 Mbp

拟南芥：120 Mbp

小鼠：2.5 Gbp

人：2.9 Gbp

小麦：16 Gbp

蛋白编码基因数目

大肠杆菌：4000

酿酒酵母：6000

线虫，拟南芥，小鼠，人：20000

DNA复制突变率 10^-8~10^-9/bp

转录的错误插入率是 10^-4~10^-5/bp

翻译的错误插入率是 10^-3~10^-4/bp

这些数字都是实验验证的，但应该作为经验法则而不是一层不变的数字对待。毕竟变化是生活的调味剂，唯一不变的也就只有变化了。

后台回复<数字生物>或点击http://www.cell.com/pb/assets/raw/journals/research/snapshots/PIIS0092867410006732.pdf获取原版Snapshot。

更多生物相关的数字见

http://bionumbers.hms.harvard.edu/search.aspx?task=searchbypop

公众号

http://mp.weixin.qq.com/s/JQBZv6snTkZzFwEG12riWw