动态细胞骨架网络的自组织与力学性能

细胞骨架是由微管、肌动蛋白丝和中间纤维三种蛋白丝为主要成分组成的复合动态网络结构,在结合蛋白、辅助调节蛋白和马达蛋白的参与下帮助细胞实现运动、分裂和生长等基本生命过程。研究体外纯化的细胞骨架蛋白和马达蛋白网络,可以深入了解控制自组织亚细胞结构动力学行为的基本原理,为设计类似生命的活性物质和机器提供方向。本文综述了近年来基于纯化蛋白在体外简化环境中实现的细胞骨架蛋白-马达蛋白网络,重点介绍其非平衡本质、活性应力和动态网络的产生,以及这种动态网络对亚细胞结构和宏观尺度活性材料自组织过程的影响。此外,还简要介绍了细胞骨架蛋白-马达蛋白网络在构建体外仿生系统中的应用。

非肌肉Ⅱ型肌球蛋白在细胞骨架网络中动力学行为的图像分析

贴壁细胞的形状和弹性(硬度)与细胞骨架网络的形态以及纤维的交联方式密切相关.而细胞骨架网络的形态和组成与细胞中的二型肌球蛋白的活动,尤其是肌球蛋白组装成的肌球蛋白粗丝(minifilament)的活动有关.细胞通过与其外部环境的机械传感(mechanosensing)来调节二型肌球蛋白的活动和肌球蛋白粗丝的相互作用,从而实现对细胞骨架网络重组(remodeling)的控制.当前对活体细胞内二型肌球蛋白的研究从实验测量到理论模型的建立之间还有不小距离,主要是因为直接测量会对细胞结构和生理活动产生影响,而间接测量不能得到肌球蛋白在细胞内活动的准确数据.因此本文提出利用新的免疫荧光显微图像分析技术,例如免疫荧光蛋白图像追踪和局部图像相关函数分析技术,分析He La细胞体内肌球蛋白在细胞骨架网络中的动态分布,总结出肌球蛋白主导的细胞骨架和张力纤维组装与分解过程中的基本动力学规律.图像分析结果说明:肌球蛋白纤维在细胞骨架网络构建过程中依次动态处于组装与分解状态,通过其粗丝相对旋转对齐与收缩产生张力以维持纤维束稳定,并形成有不同肌球蛋白和粘着斑数量与分布形态的三类稳定性肌动球蛋白网络,其稳定性和收缩力大小呈正相关、与所结合肌球蛋白数量密度成正比.

囊泡运输和细胞骨架在植物发育和环境适应中的协同作用

微管和微丝构成的植物细胞骨架对于植物发育和响应环境刺激至关重要。细胞骨架是高度动态且严格调控的网络,为胞内和胞间的交流与生理活动提供微环境。植物内膜系统由内质网、高尔基体、内体、液泡等膜封闭的细胞器组成。这些细胞器相互联系,完成囊泡运输、增殖、免疫、胁迫应答等细胞活动。内质网是蛋白质合成的平台和分泌途径起始位点。内质网形态和功能的维持主要依赖微丝骨架。真核生物普遍具有内质网-质膜接触位点(EPCS),其功能与内膜动力学、细胞骨架排列以及胞间信号转导密切相关。EPCS还是响应环境刺激的信号平台。由皮层微管和皮层微丝构成的皮层细胞骨架与质膜、细胞壁、植物激素协同作用,调控植物细胞分裂、形态建成和防御。细胞结构与信号之间的相互作用受多种因素以及信号通路的严格调控。简言之,内膜系统与细胞骨架网络协同调控植物发育及其响应并适应环境刺激。本文综述了植物细胞骨架网络和内膜系统在植物发育和防御中的协同作用。

基于找形模型研究微丝束对细胞骨架刚度的影响(英文)

研究目的:基于找形分析建立的细胞骨架力学模型研究微丝束对细胞骨架刚度的影响。创新要点:目前存在的细胞模型很少考虑微丝束对细胞力学特性的重要作用。本文基于细胞找形模型模拟了同时包含微丝和微丝束的细胞骨架网络结构,并且分析了细胞中微丝束的排列方向、微丝束的含量以及微丝波动对细胞刚度的影响。研究方法:基于找形模型,随机生成由微丝、微丝束(梁单元)以及交联蛋白(索单元)形成的细胞骨架网络结构,依靠非线性有限元计算和样本统计,计算出模型的弹性模量。通过分别改变模型中微丝束的排列方向、微丝束的含量以及模型初始最大位移等参数,得出细胞骨架模型的弹性模量随这些参数的变化趋势,以此来研究微丝束对细胞刚度的影响。重要结论:细胞骨架网络中微丝的波动会导致细胞刚度降低;与拉伸方向平行排列的微丝束可以显著地提高细胞的刚度,相比之下随机分布的微丝束对细胞刚度没有贡献;在微丝材料总量固定的情况下,细胞刚度随着平行排列微丝束含量的增加呈现出先升高后降低的趋势。