Biological cells sense external concentrations via stochastic receptor signals and respond by regulating the expression of target proteins. Two main signaling mechanisms have been found to encode signal molecular concentrations: continuous modulation (CM), where the receptor signals continuously whenever a ligand is bound, and bursty modulation (BM), where the receptor signals shortly and with fixed size only upon the binding of a ligand. The two mechanisms are often subject to noise which influences the reliability of information transmission. However, how the relationship between noise and information transmission works in the two mechanisms is still unanswered. Here, we analyze a two-component signaling system with multiple receptors which can produce continuous or bursty signals, and decompose the total noise into three terms: intrinsic noise, extrinsic noise and correlated noise. Based on the obtained formulas, we study the information transmission and noise correlations in two signaling mechanisms. We find that (1) the intrinsic noise of BM is always not less than that of CM, whereas the correlation noise of the former is negative and that of the latter is zero; (2) the extrinsic noise of BM can be higher or lower than that of CM, or the former equals the latter, which depends on the mean duration ratio of the receptors at active and inactive states; and (1) the relationship between output noise and mutual information is inversely proportional in the two signaling mechanisms. Our results reveal the correlation between information transmission and noise which can be used to analyze the dynamics of two-component systems.

中文翻译：

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连续和突发信号系统中的信息传输和噪声相关性

生物细胞通过随机受体信号感知外部浓度，并通过调节靶蛋白的表达做出反应。已发现两种主要的信号传导机制来编码信号分子浓度：连续调制 (CM)，其中只要结合配体，受体就会连续发出信号，以及突发调制 (BM)，其中受体仅在结合时发出短时间且具有固定大小的信号的配体。这两种机制经常受到影响信息传输可靠性的噪声的影响。然而，噪声和信息传输之间的关系如何在这两种机制中发挥作用仍然没有答案。在这里，我们分析了一个具有多个受体的双分量信号系统，它可以产生连续或突发信号，并将总噪声分解为三个项：固有噪声、外在噪声和相关噪声。基于得到的公式，我们研究了两种信号机制中的信息传输和噪声相关性。我们发现（1）BM的固有噪声总是不小于CM的，而前者的相关噪声为负，后者的相关噪声为零；(2) BM的外在噪声可以高于或低于CM，或者前者等于后者，这取决于受体在活跃和不活跃状态的平均持续时间比；(1) 输出噪声与互信息之间的关系在两种信令机制中成反比。我们的结果揭示了信息传输与噪声之间的相关性，可用于分析双分量系统的动力学。基于得到的公式，我们研究了两种信号机制中的信息传输和噪声相关性。我们发现（1）BM的固有噪声总是不小于CM的，而前者的相关噪声为负，后者的相关噪声为零；(2) BM的外在噪声可以高于或低于CM，或者前者等于后者，这取决于受体在活跃和不活跃状态的平均持续时间比；(1) 输出噪声与互信息之间的关系在两种信令机制中成反比。我们的结果揭示了信息传输与噪声之间的相关性，可用于分析双分量系统的动力学。基于得到的公式，我们研究了两种信号机制中的信息传输和噪声相关性。我们发现（1）BM的固有噪声总是不小于CM的，而前者的相关噪声为负，后者的相关噪声为零；(2) BM的外在噪声可以高于或低于CM，或者前者等于后者，这取决于受体在活跃和不活跃状态的平均持续时间比；(1) 输出噪声与互信息之间的关系在两种信令机制中成反比。我们的结果揭示了信息传输与噪声之间的相关性，可用于分析双分量系统的动力学。我们发现（1）BM的固有噪声总是不小于CM的，而前者的相关噪声为负，后者的相关噪声为零；(2) BM的外在噪声可以高于或低于CM，或者前者等于后者，这取决于受体在活跃和不活跃状态的平均持续时间比；(1) 输出噪声与互信息之间的关系在两种信令机制中成反比。我们的结果揭示了信息传输与噪声之间的相关性，可用于分析双分量系统的动力学。我们发现（1）BM的固有噪声总是不小于CM的，而前者的相关噪声为负，后者的相关噪声为零；(2) BM的外在噪声可以高于或低于CM，或者前者等于后者，这取决于受体在活跃和不活跃状态的平均持续时间比；(1) 输出噪声与互信息之间的关系在两种信令机制中成反比。我们的结果揭示了信息传输与噪声之间的相关性，可用于分析双分量系统的动力学。或者前者等于后者，这取决于受体在活动和非活动状态的平均持续时间比；(1) 输出噪声与互信息之间的关系在两种信令机制中成反比。我们的结果揭示了信息传输与噪声之间的相关性，可用于分析双分量系统的动力学。或者前者等于后者，这取决于受体在活动和非活动状态的平均持续时间比；(1) 输出噪声与互信息之间的关系在两种信令机制中成反比。我们的结果揭示了信息传输与噪声之间的相关性，可用于分析双分量系统的动力学。