Abstract Transcriptional bursting is a major source of noise in gene expression. The telegraph model of gene expression, whereby transcription switches between “on” and “off” states, is the dominant model for bursting. Recently it was shown that the telegraph model cannot explain a number of experimental observations from perturbation data. Here we study an alternative model that is consistent with the data and which explicitly describes RNA polymerase recruitment and polymerase pause release, two steps necessary for mRNA production. We derive the exact steady-state distribution of mRNA numbers and an approximate steady-state distribution of protein numbers which are given by generalized hypergeometric functions. The theory is used to calculate the relative sensitivity of the coefficient of variation of mRNA fluctuations for thousands of genes in mouse fibroblasts. This indicates that the size of fluctuations is mostly sensitive to the rate of burst initiation and the mRNA degradation rate. Furthermore we show that (i) the time-dependent distribution of mRNA numbers is accurately approximated by a modified telegraph model with a Michaelis-Menten like dependence of the effective transcription rate on RNA polymerase abundance. (ii) the model predicts that if the polymerase recruitment rate is comparable or less than the pause release rate, then upon gene replication the mean number of RNA per cell remains approximately constant. This gene dosage compensation property has been experimentally observed and cannot be explained by the telegraph model with constant rates. Statement of Significance The random nature of gene expression is well established experimentally. Mathematical modelling provides a means of understanding the factors leading to the observed stochasticity. There is evidence that the classical two-state model of stochastic mRNA dynamics (the telegraph model) cannot describe perturbation experiments and a new model that includes polymerase dynamics has been proposed. In this paper, we present the first detailed study of this model, deriving an exact solution for the mRNA distribution in steady-state conditions, an approximate time-dependent solution and showing the model can explain gene dosage compensation. As well, we use the theory together with transcriptomic data, to deduce which parameters when perturbed lead to a maximal change in the size of mRNA fluctuations.

Abstract Recent advances in fluorescence microscopy have made it possible to measure the fluctuations of nascent (actively transcribed) RNA. These closely reflect transcription kinetics, as opposed to conventional measurements of mature (cellular) RNA, whose kinetics is affected by additional processes downstream of transcription. Here, we formulate a stochastic model which describes promoter switching, initiation, elongation, premature detachment, pausing, and termination while being analytically tractable. By computational binning of the gene into smaller segments, we derive exact closed-form expressions for the mean and variance of nascent RNA fluctuations in each of these segments, as well as for the total nascent RNA on a gene. We also derive exact expressions for the first two moments of mature RNA fluctuations, and approximate distributions for total numbers of nascent and mature RNA. Our results, which are verified by stochastic simulation, uncover the explicit dependence of the statistics of both types of RNA on transcriptional parameters and potentially provide a means to estimate parameter values from experimental data.

ABSTRACT Amphibians are a classical object for physiological studies, and they are of great value for developmental studies owing to their transition from an aquatic larval form to an adult form with a terrestrial lifestyle. Axolotls (Ambystoma mexicanum) are of special interest for such studies because of their neoteny and facultative pedomorphosis, as in these animals, metamorphosis can be induced and fully controlled in laboratory conditions. It has been suggested that their metamorphosis, associated with gross anatomical changes in the heart, also involves physiological and electrical remodeling of the myocardium. We used whole-cell patch clamp to investigate possible changes caused by metamorphosis in electrical activity and major ionic currents in cardiomyocytes isolated from paedomorphic and metamorphic axolotls. T4-induced metamorphosis caused shortening of atrial and ventricular action potentials (APs), with no changes in resting membrane potential or maximum velocity of AP upstroke, favoring higher heart rate possible in metamorphic animals. Potential-dependent potassium currents in axolotl myocardium were represented by delayed rectifier currents IKr and IKs, and upregulation of IKs caused by metamorphosis probably underlies AP shortening. Metamorphosis was associated with downregulation of inward rectifier current IK1, probably serving to increase the excitability of myocardium in metamorphic animals. Metamorphosis also led to a slight increase in fast sodium current INa with no changes in its steady-state kinetics and to a significant upregulation of ICa in both atrial and ventricular cells, indicating stronger Ca2+ influx for higher cardiac contractility in metamorphic salamanders. Taken together, these changes serve to increase cardiac reserve in metamorphic animals.

The production of oil on the Arctic shelf and its transport along the Northern Sea Route increase risks of pollution of the ecosystems in the Arctic seas with oil and oil products. Today, polyaromatic hydrocarbons are known as the most toxic oil components, and phenanthrene is predominant in terms of its concentration in oil and physiological effects. Phenanthrene affects the electrical activity of fish heart, but its effects are species-specific. At the same time, the effects of phenanthrene on cardiac function in Arctic fishes, including economically important commercial species, are studied not enough. This study examines the effects of phenanthrene on electrical activity and ionic currents in ventricular myocardium of Atlantic cod (Gadus morhua). The major ionic currents in cod myocardium were IKr, IK1, INa and ICa. Phenanthrene (1 μM) did not affect the duration of action potentials (APs) recorded in isolated cod ventricular cardiomyocytes using patch clamp method. Meanwhile, phenanthrene suppressed rapid delayed rectifier current IKr by 61.33 ± 3.94%, decreasing the repolarization reserve of the myocardium. Phenanthrene did not affect nor the level of resting membrane potential, not background inward rectifier current IK1. Also, application of phenanthrene decreased AP upstroke velocity in cod myocytes, which was due to the suppression of fast sodium current INa. Finally, phenanthrene slightly reduced the amplitude of calcium current ICa and accelerated its inactivation, which overall led to the decrease in ICa charge transfer. Thus, the effects of phenanthrene on cod myocardium at cellular level can be described as potentially proarrhythmic, which makes the populations of cod in Arctic seas vulnerable to pollution of the aquatic environment by oil components after oil spills due to technological disasters.

Abstract Temporal variation of environmental stimuli leads to changes in gene expression. Since the latter is noisy and since many reaction events occur between the birth and death of an mRNA molecule, it is of interest to understand how a stimulus affects the transcript numbers measured at various sub-cellular locations. Here, we construct a stochastic model describing the dynamics of signal-dependent gene expression and its propagation downstream of transcription. For any time-dependent stimulus and assuming bursty gene expression, we devise a procedure which allows us to obtain time-dependent distributions of mRNA numbers at various stages of its life-cycle, e.g. in its nascent form at the transcription site, post-splicing in the nucleus, and after it is exported to the cytoplasm. We also derive an expression for the error in the approximation whose accuracy is verified via stochastic simulation. We find that, depending on the frequency of oscillation and the time of measurement, a stimulus can lead to cytoplasmic amplification or attenuation of transcriptional noise.