悬浮态上皮细胞粘附的力学-化学耦合模型及数值模拟

上皮细胞通过局部募集上皮性钙粘附蛋白 (E-cadherin) 建立胞间粘着连接, 实验证实该过程受到肌球蛋白皮层张力的调控. 为了从系统层面阐明粘着连接形成动力学过程, 本文考察皮层张力调控肌动蛋白 (F-actin) 解聚从而参与E-cadherin级联转导, 同时以马达-离合器机制模拟两细胞相互作用, 据此构建可反映悬浮态细胞粘附的力学-化学耦合数学模型; 对整体包含随机点源的非线性反应-扩散方程组与平衡微分方程耦合系统采取了自行发展的格子Boltzmann-粒子法与蒙特-卡洛法数值求解. 数值模拟表明, 由收缩性肌球蛋白 (myosin-II) 拉动胞间E-cadherin成键可提升皮层张力, 进而降低F-actin解聚速率﹑锚定更多的E-cadherin; 所构成的力学反馈回路展现出时空效应, 可帮助E-cadherin在接触区建立初始极性; E-cadherin形成顺式二聚体则将初始极性放大, 导致接触区E-cadherin展现起始、快速增长及慢速增长的积聚动力学特征. 皮层呈松散结构时刚度较小, 可通过延长胞间E-cadherin成键寿命提升张力, 而接触区弧度适中时($\approx$1.2 rad) E-cadherin峰值最高; 两者可分别作为启动力学反馈回路及调控粘着连接成熟度的有效手段.      

基于信号分子双向输运的运动细胞极性反转模拟

为解释运动细胞极性反转实验所发生的现象, 依据调控细胞极化的信号级联转导关系, 构建了包含一对非稳态二维反应—扩散方程的数学模型, 并采用格子Boltzmann 方法数值求解. 数值实验显示, 当反向信号使胞内Rac 的活化梯度值达到和超过初始正向极化梯度的1.5 倍时, 负责细胞极化的Rac-PIs 反馈回路产生时空调控效应, 可驱动伪足标识信号分子(如磷酸激酶(PI3K) 和磷脂酰肌醇-3, 4, 5- 三磷酸(PIP₃)) 和尾部标识信号分子(如磷酸酶(PTEN) 和磷脂酰肌醇-4, 5- 双磷酸(PIP₂)) 发生双向输运, 并最终重新积聚于对极. 模拟得到的极性反转时程曲线与已有实验吻合. 此外, 针对实验观测到的新伪足开始形成与原先伪足完全消失之间存在着延滞时间(~30 s), 该文证实这是由于细胞两极对游离态激活酶(例如, PI3K) 展开竞争所致, 无需引入前人所设想的全局性抑制因子的作用.      

悬浮态上皮细胞粘附的力学-化学耦合模型及数值模拟

上皮细胞通过局部募集上皮性钙粘附蛋白(E-cadherin)建立胞间粘着连接,实验证实该过程受到肌球蛋白皮层张力的调控.为了从系统层面阐明粘着连接形成动力学过程,本文考察皮层张力调控肌动蛋白(F-actin)解聚从而参与E-cadherin级联转导,同时以马达-离合器机制模拟两细胞相互作用,据此构建可反映悬浮态细胞粘附的力学-化学耦合数学模型;对整体包含随机点源的非线性反应-扩散方程组与平衡微分方程耦合系统采取了自行发展的格子Boltzmann-粒子法与蒙特-卡洛法数值求解.数值模拟表明,由收缩性肌球蛋白(myosin-II)拉动胞间E-cadherin成键可提升皮层张力,进而降低F-actin解聚速率﹑锚定更多的E-cadherin;所构成的力学反馈回路展现出时空效应,可帮助E-cadherin在接触区建立初始极性; E-cadherin形成顺式二聚体则将初始极性放大,导致接触区E-cadherin展现起始、快速增长及慢速增长的积聚动力学特征.皮层呈松散结构时刚度较小,可通过延长胞间E-cadherin成键寿命提升张力,而接触区弧度适中时(≈1.2 rad) E-cadherin峰值最高;两者可分别作为启动力学反馈回路及调控粘着连接成熟度的有效手段.