国家自然科学基金(10572085)
- 作品数：5 被引量：8H指数：2
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- 运动细胞自适应性过程中双相性现象的分子机制及动态数值模拟被引量：1
- 2012年
- 盘基网柄菌细胞(Dictyostelium)和白细胞(leukocyte)等真核运动细胞受到外界信号刺激时,在最初的1～2 min内,胞内信号转导的首要成员PI(3,4,5)P3的浓度随时间变化呈现"双相性"(biphasic adaptation),即先后出现一大一小两个峰值,然后平息。为解释这一现象,特别是第二个峰值产生的原因,根据已有实验资料,分析了有关分子机制,建立了相应的数学模型。其中,PI(3,4,5)P3及其激活酶和抑制酶的浓度变化由一组耦合的非稳态反应-扩散方程描述,外界刺激及效应因子(如Rac和Scar/WAVE)的相互激励包含在源项中,并由蒙特-卡诺(Monte-Carlo)法处理,数值模拟结果与已有实验一致。研究发现,质膜上处于激活态的效应因子Scar/WAVE是影响PI(3,4,5)P3第二个峰值的关键,起正反馈作用。在受到胞外信号刺激后的前期,Scar/WAVE的激活态浓度受到小G蛋白Rac活性的抑制,后期反过来受到PI(3,4,5)P3的抑制,从而始终处于较低水平,这使得第二个峰值较小;当Scar/WAVE的总浓度低于0.005μmol/L后,PI(3,4,5)P3不会出现第二个峰值。由于Scar/WAVE是肌动蛋白结合蛋白,可以推测:许多经肌动蛋白合成抑制剂处理过的盘基网柄菌细胞在实验中仍然出现"双相性",应与此时的细胞骨架活性未被完全抑制有关。
- 冯世亮朱卫平
- 关键词：信号转导数值模拟
- 运动细胞初始极化阶段胞内信号的分子机制及数学模型
- <正>某些真核细胞(eukaryotes),如:盘基网柄菌细胞(Dictyostelium)、白细胞(Leukocyte),受到胞外环境中信号分子的刺激,会朝向信号源而运动。初始极化(initial polarizati...
- 冯世亮朱卫平
- 文献传递
- 神经系统轴突三维定向生长的数值模拟被引量：2
- 2008年
- 目的研究轴突在三维组织中的定向生长问题,探讨轴突沿非平坦基底定向生长时基底的低起伏程度对轴突的生长速率、成束和解束速率的影响。方法根据实验观察,设轴突生长的牵引力与靶细胞分泌的可扩散吸引分子的浓度梯度成正比,轴突成束和解束的侧向力与生长锥分泌的可扩散吸引分子和排斥分子的浓度梯度成正比,并且,吸引力指向浓度高的方向,排斥力指向浓度低的方向,浓度满足扩散方程。对于非平坦基底,有效力为沿基底轮廓线的切向分量。数值计算采用三维有限差分法和改进的Euler法。结果(1)轴突在三维组织中定向生长的基本特征与在二维培养基实验中的观察是一致的,只是在形态上有三维与二维之分;(2)非平坦基底的低起伏程度影响轴突的生长,随着起伏加剧,生长锥的前进速率减小、侧向速率增加。结论(1)许多基于二维培养实验所揭示的轴突生长的基本规律在三维情况下仍然是成立的;(2)基底的几何性质是影响轴突生长速率的重要因素之一。
- 张翟朱卫平
- 关键词：神经发育轴突生长靶细胞数值模拟
- 运动细胞初始极化阶段胞内信号分子双向积聚的分子机制及动态数值模拟被引量：4
- 2012年
- 真核细胞(Eukaryotes),如盘基网柄菌细胞(Dictyo stelium)和白细胞(Leukocyte)等,受到前方传来的外信号刺激后,胞内物质发生两种方向相反的运动:胞质中与质膜结合的磷酸激酶PI3K及其在质膜上的生成物磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸PI(3,4,5)P3以向前扩散的方式积聚到前沿;而胞质中与质膜结合的磷酸酶PTEN及其在质膜上的生成物磷脂酰肌醇-4,5-双磷酸PI(4,5)P2以向后扩散的方式积聚到质膜的后边.通过这种"双向积聚",细胞形成头部和尾部,并在前沿生出伪足,完成初始极化.本文根据已知的实验,分析了"双向积聚"的分子机制,建立了相应的数学模型,通过数值模拟加以分析.以胞内被激活的小G蛋白(Rac)为触发信号,其梯度与外信号场的梯度一致;PI3K和PTEN作为调控因子,PI(3,4,5)P3和PI(4,5)P2作为标识细胞极化的信号分子,它们的浓度变化由一组耦合的非稳态二维反应-扩散方程描述.该反应-扩散体系源项中包含:PI(3,4,5)P3对PI3K,PI(4,5)P2对PTEN的识别和结合过程,是由蒙特-卡诺(Monte-Carlo)法处理;质膜结合态PI3K和PTEN对PI(3,4,5)P3和PI(4,5)P2施加的酶催化作用,由Michaelis-Menten动力学过程描述.反应-扩散方程组采用格子Boltzmann方法进行数值求解.数值试验显示,产生"双向积聚"的关键是受外信号梯度刺激后的胞内信号分子相互激发或抑制所形成的正反馈或负反馈回路:给细胞质膜头部一个较高的Rac激活率,Rac→PI3K?PI(3,4,5)P3将形成短程正反馈回路(亦即"局部激励"),引起PI3K和PI(3,4,5)P3快速在细胞头部积聚;头部PI(3,4,5)P3增多,限制了PTEN与PI(4,5)P2结合,使得PI(3,4,5)P3?PTEN→PI(4,5)P2形成长程负反馈回路(亦即"全局抑制");引起PTEN和PI(4,5)P2慢慢在细胞尾部积聚.同时发现,PI3K和PTEN含量对细胞极化有明显的影响,并存在使细胞正确极化的最佳值.
- 冯世亮朱卫平
- 关键词：信号转导
- 脊髓损伤再生轴突生长的数学模型和三维格子波尔兹曼法数值模拟
- 2012年
- 中枢神经系统损伤是当今社会最具破坏力的疾病之一,虽然已经有办法使损伤后残存的神经元出芽,但如何保证处于萌芽状态的再生轴突继续生长直至与远端的靶细胞正确连接,是困扰至今的难题。为探讨中枢神经损伤所形成的胶质瘢痕和其所诱导的抑制因子对再生轴突生长进程的影响,根据轴突生长速度与其微环境中影响因子的浓度梯度成比例的原理,以脊髓损伤为背景构建数学模型,并采用格子波尔兹曼法进行三维数值模拟。数值试验中的主要观察指标为:1)当微环境中轴突生长抑制因子释放率和促进因子释放率一定时,胶质瘢痕的轴向厚度对轴突生长速率的影响,并跟踪记录生长锥所经过路线上的抑制因子浓度和促进因子浓度;2)当胶质瘢痕的轴向厚度一定时,抑制因子释放率和促进因子释放率对轴突生长速率的影响,并跟踪记录生长锥所经过路线上的抑制因子浓度和促进因子浓度。结果表明:1)胶质瘢痕的轴向厚度越大、抑制因子的释放率越强,轴突生长速率越小;2)轴突生长速率本质上取决于生长锥所在位置抑制因子浓度与促进因子浓度的比值,当该比值平均小于某个阈值时,再生轴突能够顺利生长并与靶细胞成功对接。为正确设计有关动物试验提供了理论参考。
- 朱卫平陈旭宁孙燕萍冯世亮
- 关键词：轴突再生胶质瘢痕数学模型
- 神经系统轴突生长的数值模拟被引量：1
- 2005年
- 目的数值模拟神经系统在发育过程中轴突的生长情况。方法根据神经发育原理,建立具有一定刚性的非线性混合抛物型偏微分方程组,运用ADI差分格式和改进的欧拉法作数值分析。结果 (1)在一个正方形平面区域内有10个轴突以相等的间距围成圆形,当中心有1个靶细胞时,轴突生长路径的数值模拟结果与前人所做的有关结果一致;(2)轴突的初始位置同(1),当中央有4个两两上下并排分布的靶细胞时,数值模拟结果很好地反映了轴突生长时的趋化性;(3)在区域的近上、下边界分别有一串靶细胞和一串轴突时,数值模拟结果较好地反映了轴突结集生长时的成束和解束现象。结论本文给出的数学模型和数值主法能够较好地模拟有关实验所观测到的主要现象。
- 唐莲朱卫平
- 关键词：神经发育轴突生长靶细胞数学模型数值模拟
