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刘峰课题组和张磊课题组构建验证了力-化耦合的细胞极化模型


  北京大学定量生物学中心的刘峰课题组和张磊课题组,1月30日在PLoS Computational Biology杂志上发表题为Exploring the inhibitory effect of membrane tension on cell polarization 的文章。文章通过单细胞实验和理论模型阐明细胞膜表面张力对细胞极化有抑制作用,较高的表面张力能维持极化的稳定性。


  细胞极化在细胞分裂和迁移等的生命现象中都起重要作用。实验证明,极化通常受到细胞的生化反应和细胞张力等力学因素调控,比如细胞张力对细胞极化有长程抑制作用。但是,现有文献中的极化模型大部分基于蛋白的反应扩散方程,忽略了力学机制。 因此构建力-化耦合的细胞极化模型具有十分重要的意义。


  该研究构建了基于极化相场(phase-field)的力-化耦合的细胞极化模型,定量刻画了极化调控蛋白Rac-GTPase、细胞骨架蛋白F-actin和细胞张力之间的耦合。同时,该研究发现癌干细胞(cancer stem cell)比非癌干细胞(non-cancer stem cell)更易形变,具有较小的表面张力。并通过单细胞成像实验观测细胞在微流控阵列中的自发极化,验证了模型的预测结果:癌干细胞自发极化的比例更高,而且其极化方向更易发生改变。该研究的另一创新之处在于首次通过数值模拟重现了Houk et al.的推测张力在细胞极化中起长程抑制的作用两个经典实验(Cell,2012)。第一个是“aspiration-release”实验:增加细胞膜表面张力能使得原本形成极化分布的Rac-GTP去极化,然后减小张力则Rac-GTP又能在外界刺激下,逐渐形成极化分布。第二个是“pseudopod-neck-body”实验:减少膜张力能使细胞在内部噪声下产生极化。


  该论文构建的力-化耦合的数学模型不仅能解释细胞极化现象,而且对真核细胞的其他细胞行为(细胞迁移,细胞命运选择等)的建模有着重要的指导意义。另一方面,该研究也揭示对肿瘤转移起重要作用的癌干细胞极化和迁移的特性,为开发基于力学因素调控的抗肿瘤药物的开发奠定了基础。

  该文章的并列第一作者为王维康(北京大学物理学院博士,匹兹堡大学博士后)与陶宽(定量生物学中心博士三年级),通讯作者为刘峰研究员和张磊研究员。相关工作受国家自然科学基金资助。

原文链接:
http://journals.plos.org/ploscompbiol/article?id=10.1371/journal.pcbi.1005354