细胞-分子生物力学研究进展

摘要细胞-分子生物力学作为生物力学的重要分支,近三十年来在力学-生物学、力学-化学耦合等方面取得了重大进展,已成为生物力学乃至生物医学工程领域最活跃的领域,并对生物学、医学乃至农业产生了重要影响。本文介绍了细胞-分子生物力学研究领域的基本概念、科学问题和研究方法,并讨论了尚待解决的问题。

P-选择素Lectin结构域变构的模拟预测

粘附分子选择素(selectin)家族成员与其配体间相互作用介导的细胞粘附在炎症级联反应、肿瘤转移和淋巴细胞归巢等病理、生理过程中起重要作用(Bevilacqua and Nelson,1993)。

CD44增强E-选择素与PSGL-1配体互作的结构基础

目的选择素-体相互作用在炎症级联反应过程中起重要作用。E-选择素由于具有多种配体,而且不同配体间存在协同作用,从而导致其在炎症级联反应过程中的作用更为复杂。PSGL-1、CD44作为E-选择素的典型配体,二者间存在协同作用,但机制尚不清楚,且E-选择素-D44相互作用的微观结构特征也尚无报道。

力学科学处2011年重点项目结题审查情况的简要介绍

按照《国家自然科学基金重点项目管理办法》的有关规定：自然科学基金委应当自收到结题材料之日起90日内，组织同行专家对重点项目完成情况进行审查．为了促进重点项目之间的交流，加强对比，提高效率，数理科学部于2012年3月15日至16在北京召开会议组织专家对2011年结题的重点项目进行了集中审查，会议采取分学科处进行的方式．力学科学处共有10项重点项目进行了结题审查（见表1）．各项目负责人就研究计划的完成情况、取得的成果及水平，以及人才培养和国际合作与交流的成效等进行了汇报．评审专家进行了认真讨论，形成了结题审查专家组评价意见．

2012年度力学科学处面上项目、青年科学基金和地区科学基金资助情况介绍

经力学专家评审、数理科学部工作会议及基金委员会委务会审议,2012年度力学科学处面上项目、青年科学基金和地区科学基金资助项目已确定（见附表1）.现将有关信息公布如下：（1）国家自然科学基金委员会目前已确立了研究项目、人才项目和环境条件项目3个项目资助系列.这3个资助项目系列的定位各有侧重,相辅相成,构成了国家自然科学基金资助格局.面上项目属于研究项目系列,以获得科研创新成果为主要目的,并通过创新性科学研究培养科技人才,促进学科均衡、协调和可持续发展,

2012 年度力学科学处基金项目受理情况介绍

为便于力学科研人员及时了解2012年度基金项目申请信息,现将数理科学部力学科学处受理的面上项目、青年科学基金项目、地区科学基金项目、重点项目、优秀青年科学基金、国家杰出青年科学基金和海外及港澳学者合作研究基金项目的申请情况做一介绍.

2011年度力学科学处基金项目受理情况介绍

为便于力学科研人员及时了解2011年度基金项目申请信息,现将数理科学部力学科学处受理的面上项目、青年基金项目、地区基金项目、重点项目、国家杰出青年科学基金和海外及港澳学者合作研究基金项目的申请情况做一介绍.

力学科学处2010年重点项目结题审查情况的简要介绍

按照《国家自然科学基金重点项目管理办法》的有关规定：自然科学基金委应当自收到结题材料之日起90日内，组织同行专家对重点项目的完成情况进行审查．为了促进重点项目之间的交流，加强对比，提高效率，数理科学部于2011年3月15日至16日在北京召开会议组织专家对2010年结题的重点项Et进行了集中审查，会议采取分学科进行的方式．

2011年度力学科学处面上项目、青年科学和地区科学基金资助情况介绍

经力学专家评审、数理科学部工作会议及基金委员会委务会审议，2011年度力学科学处面上项目、青年科学基金和地区科学基金资助项目已确定（见附表1）．现将有关信息公布如下：

力学微环境调控肝血窦内皮细胞表型维持与去分化

目的肝血窦内皮细胞(liver sinusoidal endothelial cells,LSEC)是肝内一种高度分化的非实质细胞,具有独特的表型特征,在肝脏组织稳态维持中起关键作用。基质硬度、血流剪切等力学微环境的变化是多种肝脏疾病发展过程中的重要因素,但其是否可以直接调控LSEC的表型维持或去分化尚不明确。方法体外培养小鼠原代LSEC细胞。

CD44-配体相互作用的生物力学与功能调控

作为一种广谱表达的细胞粘附分子,Ⅰ型跨膜糖蛋白CD44(cluster of differentiation 44)参与细胞增殖、分化、迁移,血管生成等生物学过程,对于介导细胞信号转导,调节组织稳态等功能具有关键作用.特别地,CD44-选择素、CD44-透明质酸相互作用介导的细胞粘附动力学在经典炎症反应、肿瘤转移或组织特异的肝脏免疫中具有重要作用.该综述分别从细胞层次粘附动力学、二维与三维条件下的分子层次反应动力学、原子层次微观结构以及胞内信号转导通路等方面综述了CD44-选择素、CD44-透明质酸相互作用的研究进展及尚待回答的生物力学问题.力学、物理因素对生命活动的不可或缺性逐渐被研究者们接受,力学医学、力学免疫学、力学组学等新概念相继提出.生理、病理条件下,CD44-配体相互作用介导的细胞粘附必将受到血流剪切、基底硬度等力学、物理微环境的调控,但是其调控机制还远不清楚.基于此,本文就CD44-配体相互作用相关的未来研究方向做出展望,主要包括:力学、物理因素如何调控CD44-配体相互作用介导的细胞粘附动力学及其内在机制;CD44-配体相互作用反应动力学的力学调控规律及结构基础是什么;以及力学作用下CD44-配体相互作用原子层次的微观结构如何发生动态演化.本文可为深入理解CD44-配体相互作用的生物学功能及其结构功能关系提供线索.

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.

单个和多个肌动蛋白力学性能的分子动力学模拟

目的探究细胞核、细胞质和细胞内外结构中单个和多个肌动蛋白的力学性能以及力学信号转导过程。方法设计特定氨基酸序列的多肽链作为单体肌动蛋白(G-actin)层次的力探针分子,采用拉伸分子动力学模拟方法研究单个和多个肌动蛋白受力和变形的关系,并与实验结果进行对比。首先,直接对探针分子两端施加拉力获得探针分子的力-移曲线,并与实验结果进行比较。其次,探究单个和多个G-actin分子在载荷作用下的机械力和变形关系,进一步分析G-actin的构象变化和规律。

基于纳米孔传感的整合素不同构象态和变构路径解析

目的蛋白质的构象是其履行生物学功能的基础。探究蛋白质的构象以及不同构象态之间的变构路径,对阐释蛋白质的结构-功能关系有重要意义。方法纳米孔传感技术具有单分子、无标记、高通量等优点,可在单分子层面探究蛋白质的种类、构象和分子间相互作用。然而,该技术在鉴别大尺寸、非球形蛋白质的构象时仍面临挑战。

基质硬度和流体剪切对肝细胞功能的调控作用

目的肝血窦力学微环境是肝细胞功能维持的基础,而基质硬度、流体剪切等力学因素的变化是肝纤维化等疾病发展过程中调控肝细胞损伤与再生的重要因素,其调控机制目前尚不清楚。方法采用微流控技术构建了具有双层流道的体外肝血窦体微组织,两层流道间以多孔膜间隔,在下层流道采用不同浓度的胶原水凝胶包埋肝细胞,模拟正常和肝纤维化时胞外基质沉积的情况;并在上层流道接种肝血窦内皮细胞,通过注射泵控制流速,模拟不同血流剪切。