悬浮态上皮细胞粘附的力学-化学耦合模型及数值模拟

发布时间：2021-06-03 21:58

　　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... 

【文章来源】：力学学报. 2020,52(03)北大核心EICSCD

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

细胞离散模型.黏弹性单元与D1Q3单元(1维LBM单元,包含3个速度分量)动态匹配.(b)力学反馈回路示意图.(c)马达-离合器机制[15]

图2(b)是E-cad*时空调控图,[-π/3,π/3]是平衡时细胞接触区域.观察到50 s后E-cad*依然持续募集至该区域,直至约6 min达到稳态.E-cad*募集与两细胞接触后产生的动态张力信号密切相关,即由myosin-II持续地驱动F-actin负向尾流(retrograde flow)引起胞间E-cad*成键受拉、传导皮层张力.张力随着E-cad*成键数增多而增强,继续通过减慢F-actin解聚锚定E-cad*,直至E-cad*与E-cad相互转化速率动态平衡.图3(a)是Ct点处F-actin密度时程曲线图.观察到正常情况下(ctrl组),活性态Rac梯度促进F-actin聚合同时张力抑制F-actin解聚,由此产生互补效果即将F-actin密度提高至约16μM,接近初始时2倍.在force-对照组中,令dτ=0 s-1以消除张力对F-actin调控,观察到由Rac梯度单独作用仅使得F-actin积聚密度为约12μM;在cis-对照组中,令?=0 s-1以取消E-cad*的成束效应,此时F-actin借助少量E-cad*介导的张力信号将自身稳态密度恢复到约14μM.

图3(b)是相应的E-cad*密度时程曲线图.观察到,ctrl组中E-cad*在F-actin锚定及自身成束的双重反馈下产生积聚,其密度增长曲线呈现起始(0～30 s)、快速增长(0.5～5 min)及缓慢增长(5～8 min)三阶段.在force-组中,F-actin密度最低,因此对E-cad*锚定量最少,E-cad*依靠成束将F-actin赋予的初始极性放大,最终达到约0.6μM;在cis-组中,E-cad*仅依赖与F-actin锚定产生积聚,稳态时仅为约0.3μM.综上所述并参考迄今少有争议的真核细胞极化理论[27-30],针对悬浮态细胞粘附的动力学过程亦可分为“方向感知”与“极化”.细胞接触初期,接触区域Rac活性及皮层张力的提升为E-cad*募集指明方向.两类信号的起效方式不同:Rac信号受制于Arp2/3总量,它从起效到饱和的周期短,而张力信号受制于E-cad*密度,初始较弱但借助力学反馈回路持续增强.E-cad*初始极性分布改变了顺式二聚体成束的局部速率,后者即为“极化”机制,可引起E-cad向E-cad*加速转化,直至E-cad大量消耗而达到稳态.为定量化两类信号对AJs的调控作用,后续将改变模型初始条件(Rac活性或皮层张力)考察最终E-cad*信号输出.

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于信号分子双向输运的运动细胞极性反转模拟[J]. 冯世亮,朱卫平.  力学学报. 2015(02)
[2]基于自然增长的细胞群粘附数值模拟[J]. 吕杰,曹金凤,许世雄.  力学学报. 2010(04)



本文编号：3211326