1958年，DNA双螺旋结构发现者之一Francis Crick教授提出了著名的中心法则（central dogma）。这条法则指明了遗传信息从DNA传递至RNA，再由RNA传给蛋白质的单向不可逆过程。简单来说，中心法则包含了转录和翻译这两个核心过程。首先在转录过程中，DNA中储存的信息复制到信使RNA（mRNA）中。接下来的翻译过程中，根据mRNA的指令，核糖体将一个个氨基酸分子合成肽链，并完成蛋白质的组装。 整个过程的顺利进行，离不开细胞的调控。在此后的半个多世纪中，中心法则成为分子生物学的核心理论。加州大学圣迭戈分校（UCSD）的研究团队在《科学》杂志的一项最新研究他们从全局性限制的角度出发，定量分析了模式生物大肠杆菌的基因调控与mRNA、蛋白质水平的联系，填补了中心法则的重要一环。

科学家希望知道细胞是如何基于基因表达数据来调控转录和翻译过程，决定mRNA和蛋白质在什么条件下合成的？ 这个问题的答案有着重要意义。以往的研究对这个问题的认识存在明显的不足。这是因为在单个基因的层面，整个过程是单向线性的：从基因启动到生成mRNA再到合成蛋白质。如果说基因表达的改变导致DNA转录出两倍的mRNA，那么合成的蛋白质也会加倍。但实际上，影响细胞调控的不仅有单个基因，还有整个细胞系统。细胞系统会加以全局的限制，尤其是限制了可用的RNA聚合酶和核糖体数量。那么，基因层面与系统层面是如何共同影响细胞蛋白质组的？

研究团队测定了大肠杆菌在不同生长条件下，超过1500个基因的启动子活性以及mRNA、蛋白质水平。这些数据使得研究者可以定量分析RNA聚合酶、核糖体活性与启动子活性和蛋白质浓度之间的相互影响。在这个过程中，研究团队发现了意料之外的结论：决定蛋白质浓度的主要因素是启动子的活性。相比之下，细胞生长条件对合成的蛋白质浓度的影响要小得多。最终，研究提出大肠杆菌的基因调控包含了两个主要原则。首先，蛋白质浓度主要由转录过程决定，而mRNA的翻译过程以及生长条件的影响较小。其次，转录与翻译过程是紧密协调的，这种协调性是通过大肠杆菌的一类反σ因子（抑制细菌开始转录的蛋白质）实现的，这个因子可以调节转录所需的RNA聚合酶在不同生长调节下的可用性。这两项原则共同产生了细菌基因表达中心法则的定量公式，将mRNA和蛋白质浓度与相应启动子的调控联系起来。这项发现可以用于更高效地设计基因回路，帮助解决更多生物技术和健康科学问题。