细胞怎样感知与响应微环境机械力学性能

近年来,随着细胞力学行为相关研究的深入发展,细胞与微环境的物理力学联系不断被揭示.细胞力学刺激与响应已被充分证明在微观的细胞铺展、迁移、增殖、分化等行为,以及宏观的胚胎发育、组织形成、疾病发展等至关重要的生物过程中扮演决定性角色.与细胞力刺激相关的刚度、形貌、配体分布等物理性能也因此成为生物材料设计的重要参数.然而,这些静态的物理参数怎样给予细胞力学刺激,细胞又是怎样感受微环境中的机械力学性能,这是一个有趣的话题.本文详细介绍了细胞的力学响应机制,突出了细胞内作用力在细胞力学响应过程中的决定性作用;从分子生物学角度阐述了细胞内力的传递与力学信号转导过程;借此助力生物材料领域学者对细胞与生物材料相互作用的理解,推动细胞与分子生物力学的发展以及新型生物材料的研究与开发.     

植物气孔计算生物学模型及其应用

气孔作为植物与外界进行碳、水交换的重要器官,将光合作用所需要的二氧化碳导入植物体内,并且通过蒸腾作用将水分散失到大气中.因此,深入了解气孔行为、有效调控气孔开度,对于提高植物的光合作用和水分利用效率具有深远的意义.气孔运动是由离子的运输、积累和释放所驱动的保卫细胞体积变化所引起的.然而,复杂的离子交换机制阻碍了人们对气孔运作机制的深入了解.定量系统的计算生物学分析方法为探索微观离子运输与宏观气孔生理活动之间的联系提供了一种有效的研究手段.通过系统整合保卫细胞离子运输、信号传导和离子稳态平衡等相关信息建立定量动态保卫细胞模型,可以为研究者在细胞和分子层面上对保卫细胞离子运输和气孔行为的研究工作提供有效的指导.本文通过回顾气孔建模工作的发展历程和研究现状,比较了传统经验、半经验的气孔模型和新式计算生物学模型,提出进一步发展气孔计算生物学促进计算生物学在我国农业领域的发展.     

病毒与细胞凋亡

本文阐述病毒与细胞凋亡的关系、病毒感染相关的细胞凋亡分子以及病毒感染调控的细胞凋亡机制.     

基于原子力显微镜(AFM)的细胞黏弹特性测量与分析

细胞机械特性在细胞生理病理变化过程中起着重要指示作用,对其进行研究有助于了解生命活动奥秘以及疾病发生发展的内在机理.原子力显微镜(AFM)的发明为单细胞机械特性研究提供了新的技术手段,给细胞力学及癌症等重大疾病带来了大量新的认识.然而现有AFM细胞机械特性探测主要集中在细胞弹性特性,对细胞黏弹特性进行的研究和分析还较为缺乏.本文基于AFM开展了细胞黏弹特性测量和分析研究.首先建立了基于AFM单细胞压痕技术的细胞黏弹特性探测方法,基于此实现了对6种不同类型细胞(包括贴壁细胞、悬浮细胞、正常细胞、癌细胞、细胞系和原代细胞等)黏弹特性(松弛时间)的测量与表征,随后对测量结果进行回归分析揭示出细胞1阶松弛时间和2阶松弛时间之间的关联.研究结果加深了人们对细胞黏弹特性的认识,为单细胞机械特性研究提供了新的思路.     

纳微米沟槽型图案化表面“接触引导”现象及其细胞生理效应

材料表面的拓扑结构对细胞的多种行为及生理功能有着显著影响, 其中沟槽型图案由于能够使细胞产生“接触引导”而备受关注. 本文着重介绍了由该类图案引起的“接触引导”对细胞行为及生理功能影响的研究进展. 所涉及到的内容主要包括影响该现象发生的因素及细胞行为变化和生理效应, 并讨论了“接触引导”发生的可能机制. 最后对该领域的研究趋势和潜在应用进行了展望.     

植物果糖激酶研究进展

植物糖代谢是植物科学研究领域的前沿和热点.果糖是植物糖代谢的重要参与者,果糖磷酸化则是果糖进入代谢途径的第一道生化反应.植物果糖激酶是果糖磷酸化的高效酶,调节细胞中的果糖浓度以及有机碳在细胞中的分配及流向,在调控植物生长发育、代谢和响应环境胁迫中发挥了非常重要的作用.近年来,有关植物果糖激酶的研究越来越多,其参与生理和代谢功能的重要性也逐渐凸显,但果糖激酶参与调控的生理代谢功能和分子机制仍有待进一步深入研究.为系统地总结植物果糖激酶的特点及其在生命活动中的重要功能,本文综述了果糖激酶在调控植物生长发育、响应逆境胁迫、光合作用及代谢通路中的重要作用,并提出了今后的研究趋势,以期为植物果糖激酶研究提供参考.     

细胞突起损伤对细胞活性的影响

研究了嗅鞘细胞突起不同位置的飞秒激光手术损伤对细胞活性的影响, 探讨了细胞损伤、修复和死亡的动力学过程. 功率100 μW、切割速度2 μm/s的紧聚焦飞秒激光对小直径的细胞突起切割两次, 观察突起不同位置的损伤对细胞活性的影响; 采用同样参数对大直径的细胞突起切割6次, 观察损伤后细胞的变化. 当细胞突起直径较小时, 无论是突起末端、中部还是根部的损伤都不能使细胞死亡, 损伤的细胞在3 h内恢复了活性; 当突起直径较大时, 多次的飞秒激光损伤导致细胞的胀亡. 通过飞秒激光手术对细胞突起损伤和诱导胀亡的研究, 提出了飞秒激光细胞损伤的多种机制, 探讨了飞秒激光诱发细胞内部钙波的形成、细胞形态学变化和胀亡的动力学. 因此, 飞秒激光手术为建立细胞损伤模型和研究细胞动力学提供了一个非常重要的方法.     

植物的发育:从细胞到个体

随着分子生物学研究手段的丰富,植物发育生物学也从宏观的植物形态观察走向了微观的细胞和基因水平的研究.植物本身有着显著不同于动物的胚后发育特征,这种发育模式赋予了植物极其灵活的发育可塑性以应对不同的生长环境.在长期进化过程中,植物正是通过持续的调整发育来适应外界环境变化,造就了植物界丰富的多样性.本文以植物干细胞的功能和调控为核心,阐述了干细胞调控植物胚后发育的模式以及植物内源激素对干细胞和植物发育调控的贡献,讨论了内源的遗传信息和外部的环境因素在植物发育过程中的整合,以及这些因素如何调控农作物的器官和形态发育,继而影响到作物的产量.     

我国科学家绘制"生命暗物质"图谱

线粒体、溶酶体、内质网等多种细胞器组成的细胞内膜系统高效支撑了机体的正常生理活动.若将单个细胞视作浩瀚宇宙,各细胞器就是宇宙星空中的点点繁星.如果要解开细胞器在重要细胞活动规律中的深邃奥秘,就需要深入解析细胞器的组分构成及其作用模式.其中,"生命暗物质"长非编码核糖核酸(LncRNA),对细胞稳态和疾病发生发挥了重要的调控作用,而对其作为细胞器组分的分布规律并参与细胞调控的研究尚少.     

稀土元素镱对NIH3T3细胞外向钾电流的影响

利用全细胞膜片钳技术, 在非兴奋性小鼠成纤维细胞上记录到钙依赖性外向钾电流, 并研究了稀土镱离子对该电流大小以及激活和失活动力学的影响. 结果发现, 随着细胞内液中Ca²⁺浓度的增加, 外向钾电流逐渐增大, 当浓度增大到10⁻⁴ mol/L时电流基本上达到饱和. 细胞外液中的镱离子可浓度依赖性地抑制NIH3T3细胞外向钾电流, 胞外10⁻⁶ mol/L的Yb³⁺可改变钾电流激活曲线的半数激活电压V_h值, 使激活曲线左移, 但对其斜率因子k值影响不大, 而对其失活曲线的影响无统计学差异. 研究表明, 抑制钾电流, 可使细胞膜去极化, 细胞的兴奋性增加, 从而增加胞外Ca²⁺向胞内流动, 引起胞内Ca²⁺增加, 由此而诱发一系列的生理和分子生物学事件. 这一过程可能是稀土镱影响NIH3T3成纤维细胞分裂和生殖的作用机制之一.     

高压对牛奶中细菌的生理活性的影响

细菌的生命过程和它的生活环境有极为密切的关系,环境因素极大地影响着细菌的生长、繁殖和代谢. 温度和压力是影响细菌生命活动的两大物理因素.由于细菌生存的温度多在50℃以下,此温度在实验中非常容易实现.长久以来人们相当注重研究温度对细菌生命过程的影响:各种细菌最适宜的生长温度、最高生长温度,最低生长温度以及为什么不同种类的细菌对温度有不同的敏感性都已经相当清楚.然而,压力对细菌生命过程的作用及作用机制很少有人研究.尤其是数十个MPa以上极端高压环境下细菌的生命活动的研究几乎无人问津.这是细菌生命活动研究方面的一大缺陷.研究压力对细菌生长、繁殖、死亡及其他生命活动的影响是全面深入地了解认识微生物,促进有益微生物生长,控制有害微生物生长,造福于人类所不可缺少的.随着高压科学和技术的进步,现在在较大腔体内产生几个GPa以下的高压力已经不是很困难的事情. 近年来一些人相继开展了高压下微生物的研究,得到了一些很有意义的结果.例如,Tamura等人发现在30 MPa压力下培养的大肠杆菌,每个细胞的细胞长度     

AFM单分子力谱技术测量膜蛋白力学特性的研究进展

膜蛋白在细胞生理活动中起着关键性的作用,是大部分药物的作用靶点.对膜蛋白进行研究不仅对理解生命活动的本质有着重要的价值,还可为疾病治疗和医药研发带来帮助.原子力显微镜(AFM)的出现为研究膜蛋白的结构提供了一种新的技术手段.AFM不仅可以对单个天然态膜蛋白分子的形貌结构进行高分辨率成像,同时还可通过将配体分子修饰到AFM针尖,利用单分子力谱(SMFS)技术对膜蛋白生理功能与活动行为(如配体结合、解折叠)中的力学特性进行直接测量,使得人们可以从分子生物力学方面来认识膜蛋白的结构和功能,是对传统结构生物学方法得到的蛋白质静态三维结构的重要补充.SMFS技术在测量膜蛋白力学特性方面取得了巨大的成功,为生命科学和医药卫生领域相关问题的解决提供了新的思路.本文结合作者在AFM病理瘤细胞表面抗体-抗原相互作用力测量方面的研究工作,介绍了SMFS技术的原理与方法,总结了近年来应用SMFS技术研究膜蛋白力学特性的进展,讨论了SMFS技术面临的挑战.     

微生物细胞工厂

微生物细胞工厂是合成生物学的重要研究方向之一.本文以微生物细胞工厂的产业应用为需求牵引,从物质代谢和能量代谢两方面系统阐述了细胞工厂的合成代谢调控机制,为高效细胞工厂创建奠定了理论基础.本团队在物质代谢方面,建立了新酶元件挖掘技术平台,完成了一系列三萜化合物的合成途径解析;开发了染色体多基因文库调控、糖基化酶碱基编辑器(glycosylase base editor, GBE)等途径精准调控使能技术,完成一系列化学品合成途径限速步骤的鉴定,解决了元件与合成途径的适配问题.在能量代谢方面,设计创建了4种葡萄糖新型能量代谢模式,解决了合成途径还原力供给与需求不平衡的问题.在此基础上,创建出一系列微生物细胞工厂, 14个化学品完成技术转让,其中4个化学品实现万吨级产业化,支撑一家企业在科创板上市,推动了微生物细胞工厂的产业应用.最后,对未来微生物细胞工厂的研究进行了展望.     

asy与asyip: 一类新的细胞凋亡诱发基因

细胞凋亡广泛存在于各种多细胞生物的各种组织中, 是细胞内一个积极主动的程序性生理过程. 细胞凋亡在多细胞动物的发育、细胞衰老死亡、机体内环境稳定以及对细菌和病毒感染的抵抗等过程中起着非常重要的作用. 其功能包括: 发育过程中组织结构的构造、无用细胞和组织的消除、生长和细胞数目的调控、异常和危险细胞的清除. 因此, 细胞凋亡是一个严谨和有效的细胞质量控制系统, 它以细胞自杀的方式最大限度地降低了体内有害细胞(如: 自身反应性淋巴细胞、病毒感染细胞、肿瘤细胞)的数目[1]. 细胞凋亡可被多种细胞内或细胞外因素所诱发, 包括…     

脉冲高强磁场对几种细胞的作用

生物磁学在本世纪以来,虽说开展研究不是十分普遍,但亦有数十年的历史。尤其在肺磁学、心磁学、以及恒定弱磁场和交变磁场对生物的影响等,都进行了研究并很有进展。而关于脉冲磁场和细胞活动之间关系的研究,至今未见报道。本实验着重以不同强度的脉冲磁场对各种细胞分别处理,然后研究细胞被处理后的反应和变化。经过一系列的实验证明,不同     

纳米颗粒与细胞的交互作用

与大块材料相比,纳米尺度材料有着独特的光学、电学、力学和生物学性质,这使得纳米颗粒在药物输运和肿瘤成像等医学方面展现出巨大的应用前景.同时,愈来愈多的工业化纳米颗粒和纳米材料的制备,使得其生物安全性也受到很大的关注.由于纳米颗粒进入体内后的作用发生在细胞层面上,这要求我们很好地去理解纳米颗粒与细胞之间的相互作用.大量的实验表明,纳米颗粒吸附在细胞膜表面,并通过不同方式被细胞所摄取.纳米颗粒的尺寸、形状、表面化学性质、表面电荷分布、拓扑结构以及颗粒弹性性能等都对两者间的相互作用有着显著的影响.本文简要介绍颗粒进入细胞的路径,着重阐述影响颗粒/细胞交互作用的关键因素,并对后续的研究方向进行展望.     

体外诱导脑膜来源的iPS 细胞形成神经样的细胞

单层贴壁的培养方法能够在无血清的情况下将胚胎干细胞(ES 细胞)诱导分化形成神经 样的细胞. 重编程小鼠脑膜细胞产生的多能干细胞(iPS 细胞) C5, 也可以运用诱导ES 细胞神经 发生的方法来诱导神经特异性标志基因Sox1, Sox3, Pax6, Nestin 和Tuj1 的表达; 与之相反, 随 着分化的进行, ES 细胞特异性的标志基因Oct4 和Nanog 的表达量迅速降低. 通过细胞免疫荧 光技术, 可以检测到大量Pax6 和Nestin 阳性的神经前体细胞的存在, 并且随着时间的推移, 这 些前体细胞能够分化形成3 类中枢神经系统的细胞, 分别是神经元、星形胶质细胞和少突胶质 细胞. 体外诱导iPS 细胞形成的个体特异性细胞可以作为研究遗传类疾病机制的工具, 并且可 用来治疗机能紊乱和年老的神经组织. 此外, 脑膜细胞由于高表达胚性调控因子Sox2, 更容易 被逆分化形成iPS 细胞, 为此将更加胜任于临床治疗应用.     

间隙连接蛋白类似物在蚕豆叶肉细胞原生质体上的定位

细胞之间的连接和交通对生物体的生长发育过程具有非常重要的作用.作为细胞之间交通通道的胞间连丝和间隙连接,既有结构上的差异,又有功能上的相似性.这说明它们之间有着某些相似的生化调控机制.目前的研究结果表明间隙连接的主要结构成分是连接蛋白,并且通过构象变化能够调控细胞间物质的运输.由于目前对胞间连丝的分子结构所知甚少,所以使得对它的研究相对落后于间隙连接的研究.尽管有研究表明植物体中有类似动物间隙连接蛋白的物质存在,但是该物质在植物中(尤其在胞间连丝上)存在的确切位置仍不十分清楚。     

论多细胞物种的进化机制

本文对生命史中多细胞物种的形成机制提出了创新性的观点并对此进行论述。该新观点认为:生命进化的本质是各种生命生存效率优化的过程。在此过程中,多细胞物种的产生必然要解决一对矛盾,即单细胞局部利益最大化与多细胞整体利益之间的矛盾。解决这对矛盾是保证多细胞整体生存竞争效率的前提。因此,多细胞物种的进化必然是不断优化整体调控机制过程。调控机制的建立与完善是通过细胞的智能活动完成的。文章对多细胞物种的成种过程进行了逻辑推理,并依此推理过程提出了6个重要的预测,通过列举与这些预测相一致的事实证据来说明笔者该观点的合理性。     

诱导产生多能性干细胞(iPS细胞)的研究进展

最近, 将人类体细胞诱导成为多能性干细胞(induced pluripotent stem cells, iPS细胞)的研究成果在生命科学领域引起了又一次轰动, 被誉为人类生命科学新的里程碑. 这些突破性进展为进一步研究多能性的调控机制带来了观念上的创新并提供了新的研究模型, 同时也建立了一种全新的体细胞核重编程的方法. 由于这种方法相对容易操作, 而且比较稳定, 因而在生物学基础研究和临床应用方面具有潜在的价值. 本文从iPS细胞的研究历程、获得iPS细胞的几个关键步骤、iPS细胞研究所引发的相关科学问题以及iPS细胞的应用价值和发展方向4个方面进行了评述.