上皮細胞通過局部募集上皮性鈣粘附蛋白（E-cadherin）建立胞間粘著連接,實驗證實該過程受到肌球蛋白皮層張力的調控.為了從系統層面闡明粘著連接形成動力學過程,本文考察皮層張力調控肌動蛋白（F-actin）解聚從而參與E-cadherin級聯轉導,同時以馬達-離合器機制模擬兩細胞相互作用,據此構建可反映懸浮態(tài)細胞粘附的力學-化學耦合數學模型;對整體包含隨機點源的非線性反應-擴散方程組與平衡微分方程耦合系統采取了自行發(fā)展的格子Boltzmann-粒子法與蒙特-卡洛法數值求解.數值模擬表明,由收縮性肌球蛋白（myosin-II）拉動胞間E-cadherin成鍵可提升皮層張力,進而降低F-actin解聚速率﹑錨定更多的E-cadherin;所構成的力學反饋回路展現出時空效應,可幫助E-cadherin在接觸區(qū)建立初始極性; E-cadherin形成順式二聚體則將初始極性放大,導致接觸區(qū)E-cadherin展現起始、快速增長及慢速增長的積聚動力學特征.皮層呈松散結構時剛度較小,可通過延長胞間E-cadherin成鍵壽命提升張力,而接觸區(qū)弧度適中時（≈1.2 rad） E-cadherin峰值... 

【文章來源】：力學學報. 2020,52(03)北大核心EICSCD

【文章頁數】：10 頁

【部分圖文】：

細胞離散模型.黏彈性單元與D1Q3單元(1維LBM單元,包含3個速度分量)動態(tài)匹配.(b)力學反饋回路示意圖.(c)馬達-離合器機制[15]

圖2(b)是E-cad*時空調控圖,[-π/3,π/3]是平衡時細胞接觸區(qū)域.觀察到50 s后E-cad*依然持續(xù)募集至該區(qū)域,直至約6 min達到穩(wěn)態(tài).E-cad*募集與兩細胞接觸后產生的動態(tài)張力信號密切相關,即由myosin-II持續(xù)地驅動F-actin負向尾流(retrograde flow)引起胞間E-cad*成鍵受拉、傳導皮層張力.張力隨著E-cad*成鍵數增多而增強,繼續(xù)通過減慢F-actin解聚錨定E-cad*,直至E-cad*與E-cad相互轉化速率動態(tài)平衡.圖3(a)是Ct點處F-actin密度時程曲線圖.觀察到正常情況下(ctrl組),活性態(tài)Rac梯度促進F-actin聚合同時張力抑制F-actin解聚,由此產生互補效果即將F-actin密度提高至約16μM,接近初始時2倍.在force-對照組中,令dτ=0 s-1以消除張力對F-actin調控,觀察到由Rac梯度單獨作用僅使得F-actin積聚密度為約12μM;在cis-對照組中,令?=0 s-1以取消E-cad*的成束效應,此時F-actin借助少量E-cad*介導的張力信號將自身穩(wěn)態(tài)密度恢復到約14μM.

圖3(b)是相應的E-cad*密度時程曲線圖.觀察到,ctrl組中E-cad*在F-actin錨定及自身成束的雙重反饋下產生積聚,其密度增長曲線呈現起始(0～30 s)、快速增長(0.5～5 min)及緩慢增長(5～8 min)三階段.在force-組中,F-actin密度最低,因此對E-cad*錨定量最少,E-cad*依靠成束將F-actin賦予的初始極性放大,最終達到約0.6μM;在cis-組中,E-cad*僅依賴與F-actin錨定產生積聚,穩(wěn)態(tài)時僅為約0.3μM.綜上所述并參考迄今少有爭議的真核細胞極化理論[27-30],針對懸浮態(tài)細胞粘附的動力學過程亦可分為“方向感知”與“極化”.細胞接觸初期,接觸區(qū)域Rac活性及皮層張力的提升為E-cad*募集指明方向.兩類信號的起效方式不同:Rac信號受制于Arp2/3總量,它從起效到飽和的周期短,而張力信號受制于E-cad*密度,初始較弱但借助力學反饋回路持續(xù)增強.E-cad*初始極性分布改變了順式二聚體成束的局部速率,后者即為“極化”機制,可引起E-cad向E-cad*加速轉化,直至E-cad大量消耗而達到穩(wěn)態(tài).為定量化兩類信號對AJs的調控作用,后續(xù)將改變模型初始條件(Rac活性或皮層張力)考察最終E-cad*信號輸出.

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于信號分子雙向輸運的運動細胞極性反轉模擬[J]. 馮世亮,朱衛(wèi)平.  力學學報. 2015(02)
[2]基于自然增長的細胞群粘附數值模擬[J]. 呂杰,曹金鳳,許世雄.  力學學報. 2010(04)



本文編號：3211326