果蝇感光细胞突触上钙离子促进组胺释放模型

发布时间：2017-08-31 21:27

  本文关键词：果蝇感光细胞突触上钙离子促进组胺释放模型

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【摘要】：课题研究背景在相当长的一段时间内人们对生物体的研究主要是依靠实验进行的,即使是现在实验也是一种重要的研究手段。但是,随着对生物研究的不断深入,尤其是研究涉及到微观层面,如细胞、神经等的一些定量研究时,仅仅依靠实验来完成就比较困难。计算机仿真技术和数学建模的兴起使生物系统研究进入了一个新的时代,人们开始提出利用数学模型在计算机上对生命系统进行模拟和仿真,生物系统数学建模由此提出。生物系统数学建模方法的应用不仅极大地节约了实验成本,也使人们在生物微观层面的研究更加的简便易行。脊椎动物和无脊椎动物视觉系统的研究已经有很长的历史且从宏观和微观方面都对它们有了一定的认识。果蝇由于其很有规则的复眼结构常作为无脊椎动物视觉系统研究的一个理想模型。果蝇复眼是由约750个相同的六边形小眼按照一定规则组合而成的,不同于脊椎动物具有视网膜结构的眼,复眼可以更好的接收光信号且视觉范围更大,但是分辨率却低于单眼。果蝇眼睛由一个也称之为神经节的复眼层和四个进行信号处理的视叶层,即神经节层(1amina)、外髓(medulla)、内髓板(lobula plate)和内髓(lobula),五部分组成。光子的接收和传导是由神经节层小眼内的感光细胞上的微绒毛完成的,经光传导链转换而成的电信号经过离子通道的进一步放大传递到感光细胞突触,突触释放神经递质经突触间隙将信号传递到神经节层的单极神经元(L1,L2),接着信号由神经节层层神经元继续传递到外髓层上的神经元,最后信号被传递到内髓板和内髓进行最后的处理加工。光电信号的转换是由磷酸肌醇链调控的分子反应链,称为光传导链,其基本过程如下：感光细胞微绒毛吸收光子后,基态视紫质(R)转变为激活态视紫质(M*),M*激活细胞膜上的G蛋白生成G*,G*进一步激活PLC。PLC水解PIP2生成IP3和DAG, DAG参与到钙通透性TRP和TRP1通道的激活过程,通道打开允许钙离子内流进入微绒毛产生电流,称为光诱导电流。光诱导电流作用于细胞膜上的各种离子通道引起离子在细胞膜表面的流动,产生相应的离子电流和去极化电压。去极化电压传递到感光细胞突触激活细胞膜上的钙内流通道和细胞内的钙离子释放,各种来源的钙离子共同作用于细胞膜上的囊泡促使其进行胞吐反应,释放组胺作为神经递质刺激突触后端单极神经元上的组胺依赖型氯通道,引起后级神经元的兴奋完成信号在感光细胞和单极神经元之间的传递。虽然我们已经知道了感光细胞和神经节层的单极神经元之间是依靠感光细胞突触上释放到突触间隙的组胺进行信号传递的,但是组胺是如何释放到突触间隙的以及钙离子是怎样促进组胺释放的尚没有一个明确的分析和研究。若是通过实验方法进行研究,不仅需要耗费大量的人力物力,实验本身的难度就是一个很大的挑战。因此,用数学建模的方法对感光细胞突触上组胺释放和促进组胺释放的钙离子产生机制进行研究是一种有效的手段。课题研究目的及意义果蝇作为无脊椎动物视觉系统研究的一个常用模型,其眼睛基本结构以及感光机制已经有了比较清晰的认识。果蝇的视觉信号最终要通过神经系统传递到大脑进行最后的处理及反馈,这时通过实验来研究信号传递及反馈系统就会比较难以进行。光信号经过感光细胞微绒毛上光传导链转换为电信号之后,再经过感光细胞胞体细胞膜上的各种离子电流作用对电信号进行进一步放大。经过光电信号转换和电压放大处理产生的去极化电压作用于感光细胞突触细胞膜上的cacophony钙通透性通道引起细胞膜上的钙离子内流,同时钙离子的内流促进IP3的生成和内质网膜上的IP3R通道打开,内质网钙离子释放。内质网钙离子浓度低于一定额阈值时又会激活细胞膜上的SOC通道,钙离子通过这些通道内流进入细胞内。各种来源的钙离子共同作用于细胞膜上的囊泡,促使囊泡发生胞吐作用释放神经递质组胺。本文就是要对感光细胞突触上组胺的释放以及促进组胺释放的各种机制进行建模,用数学模型将分子反应过程直观的表现出来。本文有以下3个目的：].建立细胞内钙离子浓度的调控机制模型。主要包括cacophony通道钙离子内流模型、内质网钙离子释放模型、SOC通道钙离子内流模型2.建立组胺释放模型。揭示不同来源的钙离子对组胺释放的促进作用。3.建立组胺对钙离子抑制作用模型。通过建立感光细胞突触上钙离子模型和组胺模型,可以直观的看到细胞内各种来源浓度钙离子对组胺释放的促进作用,也揭示了组胺对钙离子内流的抑制作用主要是对cacophony通道的抑制。本文模型的建立标志着光信号在感光细胞上的整个处理机制已全部可以用数学模型来揭示,作为感光细胞和视神经节上单极神经元之间的神经递质,组胺释放模型的确立为单极神经元(L1、L2)上的组胺依赖型氯通道的激活以及L1、L2神经元对感光细胞的反馈作用研究奠定了基础。课题研究方法在课题的研究过程中主要采用数学建模和计算机仿真的方法,而其中最主要的就是如何建立数学模型以及利用何种计算机软件对模型进行仿真和分析。具体来说有5个方面：系统的简化：感光细胞产生的去极化电压传递到细胞突触时,引起膜上各种钙离子通道上的钙离子内流和细胞内的钙离子释放共同促进细胞膜上囊泡的组胺释放,参与到该过程的分子很多,其中的一部分仅是作为介质存在的,在建立模型时我们只取参与到各个过程的关键分子。通过系统的简化,我们得到一个简化的分子模型：去极化电压首先引起细胞膜上电压门控型钙离子通道的开放,钙离子内流的同时激活细胞膜上的各种受体产生IP3, IP3从细胞膜上快速转移到内质网(ER)膜上并与其上的IP3R结合,促进内质网内的钙离子释放进入细胞质。当内质网的钙离子浓度低于一定的阈值时,内质网膜上的钙内流因子(CIF)快速扩散到细胞膜上,CIF到达细胞膜后激活膜上的SOC通道(一种库操纵性钙离子通道),钙离子经由这些通道内流进入细胞内。同时,细胞内的钙离子通过内质网膜上的SERCA通道和细胞膜上的PMCA通道分别流到内质网内和细胞外。最后,细胞膜上内流的钙离子和内质网释放的钙离子共同促进细胞膜上组胺的释放。非线性的处理：模型中各个参数之间存在复杂的关系和相互作用,很多不能直接用线性的关系表达,如组胺释放对钙离子的依赖,钙离子促进组胺的释放主要是通过调控囊泡的活性,而囊泡的活性是一个固有的特性,钙离子浓度达到一定的水平时囊泡的活性不会持续的增加,这种情况下就不能用一个简单的线性模型来表示。对于不能用简单线性关系表示的分子作用机制,我们采用常用的非线性关系表达式希尔函数来处理。数值解方法：我们建立的模型是由简单的一阶微分方程组组成的,MATLAB中提供了一些常用的微分方程求数值解函数,定步长函数如ode23、ode45等,以及变步长函数ode23s等。但是无论定步长求解函数还是变步长求解函数都不能满足我们的需求,因此无法直接简单的调用系统固有的函数来求数值解。我们利用Jnatlab将变步长求解函数用程序编写出来,可以自己控制步长和误差,得到符合期望的数值解。参数估计：参数估计是数学建模中很关键的一个环节,可以直接影响到-个模型的好坏。对于生物模型的参数估计不像一般数学模型那样简单,它不仅需要模型可以准确的仿真出想要的结果,参数也要与生物系统的生理特性相符,不能完全脱离生物实验数据。在生物实验数据的基础上,对模型中的各个参数进行适当的估计和调整,使模型可以仿真出预期的结果。系统仿真：利用MATLAB软件对模型进行编译与仿真,观察系统中各变量的动态特性。通过比较不同条件下的变量响应特性揭示某一参数或变量在系统整体功能中的作用,如通过比较有无内质网钙离子释放情况下的细胞内钙离子浓度动态变化可以得出内质网钙离子释放也参与促进组胺的释放。结果根据已有的建模方法和从实验得来的分子作用机制,建立了果蝇感光细胞和椎板层细胞之间信号传递的模型,定量地研究了感光细胞突触上神经递质组胺的释放调控机制。通过模型仿真,产生了以下结果,这些结果直观的反映了感光细胞突触上的不同来源的钙离子共同促进组胺释放。1.感光细胞突触内钙离子促进细胞膜上的组胺释放,细胞膜上cacophony通道钙离子内流、内质网钙离子释放和SOC通道钙离子内流是细胞内钙离子的主要来源,三种来源均会促进组胺释放。2.释放到突触间隙的组胺对钙离子内流产生抑制作用,且该抑制作用可能主要是对cacophony通道钙离子内流的抑制。3.细胞内各种钙离子来源之间是相互依赖的,cacophony通道钙离子内流促进内质网钙离子释放,而内质网钙离子释放诱发SOC通道的钙离子内流。
【关键词】：钙离子 Cacophony 组胺 SOC 模型 内质网
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318
【目录】：

• 摘要3-9
• ABSTRACT9-17
• 第一章 绪论17-31
• 1.1 研究背景17-29
• 1.2 国内外研究现状29-30
• 1.3 本文研究工作30-31
• 第二章 模型的技术基础31-37
• 2.1 系统的简化31-33
• 2.2 常微分方程数值解方法33-34
• 2.3 参数的估计与设置34-37
• 第三章 钙离子促进组胺释放模型37-41
• 3.1 钙离子模型37-40
• 3.2 组胺模型40
• 3.3 组胺抑制钙内流40-41
• 第四章 离子促进组胺释放模型仿真41-55
• 4.1 Cacophony通道钙离子内流41-42
• 4.2 SOC通道钙离子内流42-45
• 4.3 组胺抑制钙离子内流45-47
• 4.4 钙离子浓度对电压响应影响47-49
• 4.5 Cacophony钙离子内流促进组胺释放49-50
• 4.6 内质网钙离子释放促进组胺释放50-51
• 4.7 组胺抑制Cacophony通道钙离子内流51-55
• 第五章 讨论55-63
• 5.1 钙离子促进组胺释放55-59
• 5.2 组胺释放和循环机制59-60
• 5.3 组胺抑制钙离子内流60-61
• 5.4 本研究的创新点与不足61-63
• 第六章 结论63-65
• 6.1 细胞内钙离子促进组胺释放63-64
• 6.2 组胺抑制钙离子内流64-65
• 参考文献65-71
• 攻读学位期间成果71-72
• 致谢72-73

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 ;TRPC6:an underlying target for human glaucoma[J];International Journal of Ophthalmology(English Edition);2012年04期

2 崔瑞冰;阎明;;肝细胞钙离子通道及其在乙醇诱导肝细胞损伤中作用研究进展[J];中国肝脏病杂志(电子版);2012年04期

3 叶红丽;肖凤;;基质交感分子1在肿瘤细胞生长中的研究进展[J];实用临床医学;2013年08期

4 张璐;刘湘蓉;李凤娟;冯一涛;;支架蛋白INAD的PDZ5结构域点突变对其氧化还原电势的影响[J];生物物理学报;2014年07期

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1 石燕昆;HGF/c-Met在血管损伤修复中促进内皮祖细胞增殖机制及归巢作用的研究[D];第三军医大学;2010年

2 王团结;单色光对鸡胚肝脏发育和IGF-1分泌的影响及其作用的信号通路[D];中国农业大学;2014年

3 田雪君;钙离子电压门控通道调节溶酶体与内涵体和自噬体融合及其维持神经系统稳态平衡的功能研究[D];浙江大学;2015年

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1 张奇;钙池操纵性钙内流及其功能蛋白TRPC、ORAI和STIM1在人非小细胞肺癌中的表达研究[D];广州医学院;2010年

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本文编号：768034