改进的De Young-Keizer钙振荡模型

钙离子(Ca~(2+))是细胞内重要的信使分子,其通过钙振荡的形式控制很多细胞活动.为了研究钙振荡产生的机制,研究者们构建了较多钙振荡模型,由De Young和Keizer构建的模型(DYK模型)是其中的典型代表.但DYK模型有一些不足之处,其最主要的问题是Ca~(2+)振荡的振幅与最新实验数据相差较大.该文依据对DYK模型参数敏感性分析的结果,调整了其中的3个参数,并考虑Ca~(2+)缓冲蛋白的作用,提出改进模型.改进模型的时间序列和以[IP_3]为分岔参数分析的结果显示:细胞质和内质网Ca~(2+)振荡的范围符合实验测量结果.此外,微调改进模型的3个参数可以使钙信号编码方式呈现调幅、调频和调幅加调频混合模式.该研究不仅可使人们从理论方面理解钙振荡产生的机制及钙信号的编码方式,而且可为后续研究提供能真实反映实验结果的数学模型及理论框架.     

基于钙响应钟型曲线构建的钙振荡模型

细胞质钙离子(Ca~(2+))常以浓度振荡变化的方式控制许多生理活动,内质网上的三磷酸肌醇受体(inositol 1,4,5-trisphosphate receptor,IP_3R)通道是产生钙振荡的关键因素,因此研究其振荡机制具有重要意义.虽然钙振荡已被广泛建模,但大部分模型细胞质与内质网中钙振荡的范围与实验观测数据差异较大.通过整合最近的实验结果,基于IP_3R通道活性对细胞质Ca~(2+)浓度依赖的钟型曲线构建了一个新的钙振荡模型.模型结果除了可以很好地模拟实验中关于钙振荡范围的数据,还可重复多种实验现象.对模型进行参数敏感性分析后,进一步采用单参数分岔分析分别研究了两个高敏感参数,即细胞质内Ca~(2+)缓冲蛋白的总浓度和IP_3R通道激活Ca~(2+)的解离常数(K_1)对钙振荡的影响,发现它们对钙信号有相反的作用.对三磷酸肌醇(IP_3)浓度和K_1进行双参数分岔分析的结果表明K_1对IP_3能产生钙振荡的区域及其振幅有重要影响,揭示可以通过改变K_1影响细胞对外界刺激的响应及其钙振荡模式.该研究有助于理解钙振荡机制,并可为后续理论研究提供框架.     

大鼠胰腺β细胞内葡萄糖钙信号调控机制

用fura-2显微荧光法测量细胞内自由钙浓度[Ca2+]i,在单个大鼠胰腺β细胞上探讨了葡萄糖诱发的[Ca2+]i初期下降相(GIDP)、钙振荡和钙库释放的影响因素.实验中发现,非刺激浓度的葡萄糖(5 mmol/L)仍可导致β细胞特有的GIDP.GIDP与去极化无关,也不受外钙的影响,但能被内质网钙泵抑制剂thapsigargin抑制,提示此过程可能缘于钙库对胞浆Ca2+的摄取.在胞内钙振荡过程中移去胞外液中的Ca2+,振荡会逐渐停止;若施加thapsigargin,钙振荡仍能继续维持,说明钙振荡主要缘于外钙内流,钙库在钙振荡维持中的作用不大.无外钙条件下,葡萄糖诱导的钙库释放能被钠通道阻断剂TTX所抑制,而高钾对钙库的释放作用却不受TTX的影响,这提示膜去极化可以直接诱导钙库释放.因此,细胞膜去极化、外钙内流、胞内钙库的摄取和释放共同协调着β细胞内的Ca2+平衡.     

细胞内Ca~(2+)对可释放囊泡库的影响

目的:探讨细胞内Ca~(2+)对可释放囊泡库的影响.方法:取体外培养成熟的新生鼠大脑皮层神经元细胞,分别对正常细胞、去除细胞外Ca~(2+)的细胞、同时去除细胞内外Ca~(2+)的细胞,记录微小型兴奋性突触后电流(mEPSCs)和微小型抑制性突触后电流(mIPSCs),观察兴奋性和抑制性突触可释放囊泡库(RRP)大小,研究细胞外和细胞内Ca~(2+)对细胞胞吐的不同影响.结果:去除神经元细胞外Ca~(2+)和细胞内Ca~(2+)均对mEPSCs和mIPSCs的电流频率有抑制作用,细胞外Ca~(2+)对RRP大小并无显著影响,而去除细胞内Ca~(2+)可引起细胞内RRP的显著降低.结论:细胞内Ca~(2+)可影响RRP的维持.     

细胞体系的拓扑构形对钙信号传递的影响

采用细胞内钙动力学模型,考察了在由四个细胞耦合构成的十种可能的构形中,细胞连接的不同构形对噪声诱导的钙信号传递的影响,该噪声施加在其中一个细胞上.研究发现拓扑构形对钙振荡的频率、钙振荡的时间延迟以及钙峰的规整度有着很重要的作用.另外,通过比较网络特性对结果进行了探讨.这些结果表明细胞间的拓扑连接对钙信号的传递有很重要的影响,也有助于理解生物组织体内细胞的合作行为.     

SO_2诱导拟南芥保卫细胞凋亡

以拟南芥叶片下表皮为材料,研究了SO_2体内衍生物-亚硫酸钠和亚硫酸氢钠混合液(3:1,mmol·L~(-1)/mmol·L~(-1))对气孔保卫细胞的致死效应.结果表明,浓度1.0～5.0 mmol·L~(-1)的SO_2衍生物处理表皮3 h可引起保卫细胞死亡,死细胞出现核固缩、核断裂、凋亡小体等典型的核凋亡特征,且胁迫组细胞内活性氧和钙离子水平升高.蛋白酶抑制剂Z-Asp-CH_2-DCB和TLCK能减少SO_2衍生物诱导的细胞凋亡;过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸(AsA),及Ca~(2+)螯合剂乙二醇双四乙酸(EGTA)和Ca~(2+)通道抑制剂LaCl_3均可使SO_2衍生物诱发的细胞死亡率降低.0.1 mmol·L~(-1)的AsA或EGTA能降低胁迫组胞内的活性氧和Ca~(2+)水平,与死亡率降低相伴发生.以上结果表明,一定浓度的SO_2可诱导拟南芥保卫细胞凋亡,胁迫可能通过诱导活性氧产生、胞外钙内流,造成胞内Ca~(2+)浓度升高,引发细胞程序性死亡.     

机械拉伸对人角膜基质细胞水通道蛋白AQP1表达的影响

通过探讨机械拉伸对人角膜基质细胞中水通道蛋白1(AQP1)及下游信号通路相关基因表达的影响,为揭示圆锥角膜等术后并发症的发生机制提供参考。采用FLEX-4000对人角膜基质细胞进行周期性机械拉伸处理,采用Fluo-3荧光探针检测细胞内Ca~(2+)的浓度,ELISA法检测拉伸处理后胞内cAMP的含量,Real-time PCR分析拉伸和Ca~(2+)螯合剂BAPTA处理后AQP1及其下游信号通路相关基因的表达变化。结果发现:机械拉伸可诱导角膜基质细胞中AQP1及其下游FAK、Wnt通路相关基因的表达。机械拉伸处理后胞内Ca~(2+)、cAMP含量显著上升。BAPTA能够抑制拉伸诱导的AQP1及下游ARHGEF2、Wnt11、MMP2基因的表达。结果提示机械拉伸能够通过调节胞内Ca~(2+)浓度和cAMP浓度促进AQP1的表达,并进一步通过下游的FAK、Wnt信号通路诱导MMP2的表达,参与角膜细胞外基质代谢的调节。     

小胶质细胞内的钙离子信号的研究进展

细胞内钙离子(Ca~(2+))对多种生理活动均具有一定的调节作用,它可影响神经递质释放和细胞兴奋性.细胞内钙离子浓度([Ca~(2+)]i)受到多方面调控,[Ca~(2+)]i的变化是重要的信号转导方式之一.小胶质细胞是中枢神经系统中固有的免疫细胞,它们对脑损伤、脑炎症和多种神经退行性疾病有先天性的免疫应答.除了在疾病发生发展中的作用,小胶质细胞也在很大程度上参与了神经元网络的发育和脑组织稳态的维持.受体介导的钙离子信号的传递,是包括小胶质细胞在内的所有细胞中最普遍的信号转导机制.小胶质细胞功能变化与小胶质细胞内钙离子信号的变化密切相关,对小胶质细胞内钙离子信号的研究具有重大的意义.     

细胞钙浓度的变化对周期信号的响应及胞间同步

 钙离子是细胞中一种很重要的第二信使,通常它以钙离子浓度振荡的方式转导多种生理学信息,影响细胞分化、成熟和凋亡等各种生理过程,最终导致生物效应。通过实验研究了细胞钙浓度的变化对周期信号的响应和建立在多细胞模型的基础上,从肝细胞内钙离子振荡的动力学模型出发,以胞间耦合因子作为影响因子,数值分析单细胞、耦合的多细胞下的胞内钙振荡形式。实验结果表明：细胞钙振荡对不同频率和强度的周期信号的响应是不同的：对有的参数周期信号能产生强烈响应,有的不能。数值分析结果表明：细胞间的差异性导致钙振荡不同,胞间耦合影响多细胞钙振荡的同步性。     

Li-Rinzel钙振荡模型的复杂动态

分析了Li-Rinzel钙振荡模型的非线性动态，包括随参数变化时平衡点的类型及其稳定性的变化，从理论上严格证明了系统中振荡现象产生与消失分别是由于平衡点发生supercritical Hopf分岔和subcritical Hopf分岔导致的。当分岔参数c(IP₃)＞0时，系统不会发生静态分岔。通过数值模拟，验证了理论分析结果的正确性。     

Houart-Dupont钙振荡模型的复杂动态

运用中心流形定理和分岔理论分析了Houart-Dupont钙振荡模型的非线性动态,包括随参数变化时平衡点的类型及其稳定性的变化,从理论上严格证明了系统振荡现象产生与消失是由于平衡点发生了2次supercritical Hopf分岔导致的。通过运用matlab软件进行数值模拟,验证了理论分析结果的正确性。     

细胞内钙离子形成的波形图案

目的利用包含缓冲和扩散影响的钙离子Shuai-Jung振荡模型,研究细胞内和钙库上不同的释放位置分布.方法研究细胞内钙离子振荡形成的波形结构,得到细胞内的钙波图案和细胞内一点的钙信号发放.结果细胞内的钙波信号具有各类实验出现的波形结构,细胞内固定点的钙波变化显示钙信号具有传递信使的特性.结论钙离子是细胞内重要的第二信使,其振荡传播可直接传导生理信息.     

v-src,Ca~(2+),PKC和cAMP对3T3-tsLA90细胞间隙连接通讯的调节

以3T3-tsLA 90细胞为正常和转化细胞模型,采用划痕标记染料示踪技术,初步研究了 v-src 基因及 Ca~(2+)-钙调素,蛋白激酶 C,cAMP 等细胞内信号物质对细胞间隙连接通讯的调节作用.40℃时正常表型的细胞间隙连接通讯正常,33℃时转化表型的细胞间隙连接被阻断.用 v—src 基因产物抑制剂、钙通道抑制剂、钙离子载体、钙调素和蛋白激酶 C 抑制剂及 cAMP研究了对细胞间隙连接的作用.当3T3-tsLA 90细胞由40℃转移到33℃时,v-src 基因活化,其产物 pp 60~(v-s c)通过 Ca~(2+)-CaM 和 DG-PKC 通路及 cAMP 系统相互作用对细胞间隙连接通讯功能起下降调节作用,从而导致细胞呈转化表型状态.     

2型糖尿病鼠胰腺β细胞中SERCA泵的变化对钙振荡波形影响的建模研究

在原内质网Ca2+-ATP酶(SERCA)模型的基础上建立了2型糖尿病鼠胰腺β细胞的SERCA模型,并将两模型分别应用于钙振荡模型里来模拟SERCA泵的变化对胞质钙浓度([Ca2+])的影响.分析结果发现:(1)病鼠胰腺β细胞中的[Ca2+]升高,并且钙振荡周期和幅值增大;(2)细胞中ATP浓度([ATP])降低,ATP振荡周期增大,但幅值变化不明显;(3)内质网(ER)中钙振荡波形的周期增大, 幅值减小.结论:在2型糖尿病鼠胰腺β细胞中,其[Ca2+]相对于正常大鼠明显升高的现象与细胞中SERCA泵转运钙的能力下降有关.     

龙葵碱对HepG2细胞内[Ca2+]i的影响

探讨龙葵碱对HepG2细胞形态及细胞内[Ca~(2 )]i的影响,揭示龙葵碱诱导细胞凋亡的机制.以人肝癌细胞HepG2为研究对象,采用AO/EB双染HepG2细胞,激光共聚焦扫描显微镜观察细胞形态学改变,Fluo-3/AM单染HepG2细胞,激光共聚焦扫描显微镜观察细胞内[Ca~(2 )]i的改变.结果发现龙葵碱作用于HepG2 48h后,细胞形态出现典型的细胞凋亡形态;细胞内[Ca~(2 )]i浓度明显升高.表明龙葵碱升高细胞内Ca~(2 )浓度启动细胞凋亡机制.     

Ca2+离子取代对SrRuO3结构与磁性的影响

通过Ca~(2+)取代A位的Sr~(2+),研究SrRuO_3的结构与磁性的变化.结果表明,随Ca~(2+)取代量的增加,晶格常数减小,正交畸变更加明显,饱和磁化强度和居里温度均随之减小,最终铁磁性的SrRuO_3变化到顺磁性的CaRuO_3.临界指数β拟合结果表明,SrRuO_3的磁性可由平均场模型解释.β值随Ca~(2+)取代量的增加而增加.实验证实了SrRuO_3中既有巡游磁性又有局域磁性,且与相关理论研究结果一致.     

钙离子信号及细胞调控信号网络动力学

钙离子(Ca²⁺)是细胞内广泛存在的一种重要的第二信使,参与并控制着几乎所有的生命活动过程.细胞信号分子网络对细胞正常和病理生理活动过程进行着精密调控,确保细胞各项生理功能有序地进行.本文综述了近些年本课题组关于细胞内钙信号及细胞信号网络动力学模型方面的研究进展,包括集团化钙离子通道释放局域钙信号、细胞全局钙波信号、内质网和线粒体钙微域调控钙信号和钙信号调控细胞凋亡信号网络动力学,以及细胞信号调控网络动力学等.这些理论工作为研究钙信号和蛋白质信号网络调控细胞复杂生命过程的动力学机制提供了方向和思路.     

植物生理学博士学位论文通过答辩

植物生理学博士研究生王小菁和叶庆生在潘瑞炽教授指导下,已经完成必修课程和毕业论文,于1990年6月通过学位论文答辩,并获准授予博士学位.这是我校首批理学博士.王小菁的博士论文题目是《红光对绿豆下胚轴切段伸长抑制过程中内源激素及钙水平影响的研究》.这是光生物学目前很活跃的前沿工作,对于阐明环境对植物生长发育影响的机理具有重要的理论意义.作者将红光、钙、钙调素、植物激素、细胞伸长等结合起来,构思新颖.试验证明:(1)红光减少线粒体Ca~(2+)积累和线粒体Ca~(2+)-、Mg~(2+)-ATP酶活性,Ca~(2+)-ATP酶可能作为钙泵控制钙积累,钙和钙调素可能在红光信号传递中起作用.(2)红光抑制自由生长素含量而增加酯结合态生长素,红光也减少赤霉素_(1+3+4+7).(3)红光明显抑制下胚轴切段伸长(与减少切段吸水有关),而远红光可逆转红光的效应,这证实确是光敏素起作用.     

Ca_(v1.2)离子通道马尔科夫随机过程模型的建立与应用

针对Ca_(v1.2)离子通道在功能细胞的Ca~(2+)代谢循环中起着关键作用,并且在细胞交互环境下受到多种因素的调控从而表现出的复杂门控行为,基于现有的Ca_(v1.2)结构信息,提出了改进的连续时间7态马尔科夫随机过程模型。首先抽象出7个通道状态来表征Ca_(v1.2)离子通道的有限构象变化,包括电压相关失活(VDI)和Ca~(2+)相关失活(CDI);其次应用相关实验数据求解7个状态间迁移速率函数的参数,即在贝叶斯框架下利用JAGS软件包,实现蒙特卡洛马尔可夫链(MCMC)算法对参数的后验分布进行Gibbs抽样。最后,将通道随机模型分别应用于描述小空间中Ca~(2+)瞬态行为的随机偏微分方程和Ca_(v1.2)离子通道G406R/G432N突变引发的电生理变化。计算结果表明:改进的Ca_(v1.2)马尔科夫模型不仅在宏观水平上与广泛的电生理实验结果有较好的吻合,而且在心肌细胞微结构以及通道基因的病理研究领域中具有较好的预测性。     

心肌细胞钾通道调控早期后除极的动力学机制

针对心肌细胞动作电位复极期振荡的早期后除极(EAD)现象,研究了细胞模型Hopf分岔和EADs的关系以及钾离子通道的作用。在LR91模型中剔除快钠离子电流并引入控制钙和钾离子通道时常数的控制因子形成子系统模型,分离出模型中不同时间尺度的变量,将跨膜电势、钙离子通道激活及失活门控变量视为快变量构成三变量快子系统,慢变量钾离子通道门控参数视为其分岔参数分析膜电位与快子系统稳定性的关系。计算机仿真结果表明,随着钾离子通道门控变量时常数的增大,膜电位越来越接近快子系统的吸引域和Hopf分岔点。当时常数增大到6倍时动作电位时程延长至1 060ms并开始出现膜电位的振荡,时常数增大到15倍时电位振荡个数增加至15,说明快子系统的Hopf分岔导致了钾通道门控作用下EAD的诱发。