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.     

基于全内反射荧光显微镜的单个心肌细胞内钙信号斑图的介观表征

利用基于近场光学原理组建的全内反射荧光显微镜研究单个大鼠心肌细胞内钙离子信号的斑图.结果表明:存在于盖玻片表面约100nm区域的隐失场可较好地照射活体细胞,并能清晰地显示胞内信号;心肌细胞内钙信号包括钙火花、钙靶波、钙平面波和钙螺旋波等形式,钙信号各形式间存在相互作用;在钙诱导钙释放机制作用下,心肌细胞具有较强的可激发特性.     

异三聚体G蛋白参与调节花粉细胞内钙离子浓度

利用激光共聚焦显微镜测定了川百合(Lilium daviddi)花粉细胞内游离钙离子浓度,研究了细胞质膜上异三聚体G蛋白激活剂和抑制剂对花粉细胞内钙离子浓度的影响以及G蛋白激活后钙信号产生的可能途径.结果表明异三聚体G蛋白激活剂霍乱毒素(CTX)可以明显提高细胞内钙离子水平,产生带有一定时空特征的钙信号,而其抑制剂百日咳毒素(PTX)则显著降低细胞内钙离子水平;L型钙通道阻断剂异搏定和IP 3 受体抑制剂肝素都可以明显抑制霍乱毒素引起的钙离子水平升高.由此推断,异三聚体G蛋白可能在花粉细胞内钙离子水平调控过程中发挥重要调节作用,它有可能是通过促进细胞外钙离子内流和细胞内钙库释放两条途径起作用的.     

生长抑素对胰岛素分泌的调控机制研究

生长抑素(Somatostatins,SST)对胰腺β细胞胰岛素的分泌有重要的调节作用,这一调节作用与细胞内钙离子浓度变化相偶联.以大鼠胰腺β细胞为研究对象,采用显微荧光测钙技术和膜片钳技术,研究了胞外SST对胞内钙离子信号的影响,初步探讨了其作用机制.结果表明:在细胞外液有钙时,胞外SST可减少由去极化产生的胞外钙离子内流;而在细胞外液无钙时,胞外SST通过动员胞内钙库释放而引起胞浆内钙离子浓度显著增高,并触发胰岛素的分泌.     

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.     

细胞内圆柱形空间钙波的Fire-Diffuse-Fire模型

考察Fire-Diffuse-Fire模型在圆柱区域内钙波的传播情况.通过求解扩散方程,得到了圆柱区域内Ca2+浓度的解析表达式.分析证明了钙波的存在性、稳定性依赖于半径和Ca2+泵率,产生钙释放的阈值在有限区间内随半径增大而增大.此结果有助于了解细胞内的内质网以及Ca2+泵在细胞Ca2+动力学上的作用.     

细胞内钙离子振荡的调制作用

分别考虑了简单周期性和复杂性钙离子振荡对一些特殊规律的细胞功能的影响,例如,肝细胞中磷酸化-去磷酸化循环的肝糖磷酸化激活酶的控制和基因表达等.结果表明简单周期的钙离子振荡表现出许多共同的表型且有很多数学模型.在简单钙离子振荡情况下细胞内钙离子振荡的周期随IP3浓度的增大而减少,Ca2+浓度的平均值在振荡发生区域内随IP3浓度的增大而增大.爆发性、混沌和准周期的复杂钙离子振荡会调制肝糖磷酸化激活酶在同样的区域内出现振荡.     

噪声诱导的钙离子体系随机共振研究

研究了外噪声对细胞内钙离子体系振荡的影响,结果表明外噪声可以在确定性体系不存在振荡的区域诱导出随机钙离子振荡。随着噪声强度的改变,振荡会在某一强度下显示最佳的行为,表明随机共振现象的出现。     

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.     

稀土对红豆杉细胞内游离钙含量的影响

采用Ｆｕｒａ－２／ＡＭ双波长荧光分光光度计测定了稀土不同作用时间和不同剂量,以及红豆杉细胞不同生长时期和在钙通道阻断剂存在的情况下,红豆杉细胞内游离钙离子浓度的变化,实验结果表明,稀土对红豆杉细胞内钙离子浓度的影响随作用时间和剂理的不同而改变,细胞不同的生长时期对稀土的敏感程度不同,引外发现稀土引起细胞内钙离子浓度的振荡是由于胞内钙库释放和胞外钙内流所致。     

色散补偿光纤中呼吸波周期行为的剖析

沿用近似描述含色散补偿光纤中呼吸波形成与传播机制的一个非自治、二维常微模型 ,讨论此模型中所有可能出现的周期呼吸波 ,按其相空间结构进行分类及全面刻划 ,给出各类呼吸波振幅和周期的一些定性与定量的结果 ,为超高比特率远程通讯光纤的设计提供理论依据     

叠层橡胶支座隔震结构地基结构动力相互作用分析

扼要介绍了对一个带有叠层橡胶支座隔震结构的减震台进行不同位置天然地震波的观测,根据减震台的结构设置建立了一个地基结构动力相互作用的计算模型,然后输入观测到的天然地震加速度波形,计算减震台台面的地震响应,并把计算结果与观测结果进行比较分析,计算结果与试验结果吻合程度较好·     

倾斜入射地震下结构-地基的透射边界

为正确反映结构-地基动力相互作用,消除传统固定边界模型将地震能量全部陷入计算模型的不合理现象,该文提出倾斜入射地震下结构-地基动力反应分析的有限元模型及其透射边界.有限元模型由主网格、自由场网格和侧边透射层网格组成,地震以入射平面波形式输入,以入射波运动作为非惯性参考坐标系建立相对运动的动力方程.结构-地基实际反应为相对运动与入射波动之和,算例表明透射边界模型能有效地透射倾斜入射地震下结构-地基动力反应的辐射分量.     

高能推进剂多孔床中致密波研究

对一维反应两相流模型进行了研究，建立了定常致密波计算模型，对推进剂多孔床中不同速度的致密波进行了计算，得到了致密波区内的参数分布，通过分析致密波的结构，发现亚音速致密波从波前到波后所有物理量光滑过度；而超音速致密波波头存在间断。     

Numerical Study of Void Fraction Distribution Propagation in Gas-Liquid Two-Phase Flow

A dynamic propagation model was developed for waves in two-phase flows by assuming that continuity waves and dynamic waves interact nonlinearly for certain flow conditions. The drift-flux model is solved with the one-dimensional continuity equation for gas-liquid two-phase flows as an initial-boundary value problem solved using the characteristic-curve method. The numerical results give the void fraction distribution propagation in a gas-liquid two-phase flow which shows how the flow pattern transition occurs. The numerical simulations of different flow patterns show that the void fraction distribution propagation is determined by the characteristics of the drift-flux between the liquid and gas flows and the void fraction range. Flow pattern transitions begin around a void fraction of 0.27 and end around 0.58. Flow pattern transitions do not occur for very high void concentrations.     

利用Calcium Orange测定Harderian腺细胞中的钙离子浓度

探讨了Calcium Orange作为Harderian腺细胞胞浆Ca^2 荧光指示探针的可能性,发现选用559nm作为激发光波长时,Calcium Orange有较强制 吸收,而Harderian腺细胞（含大量卟啉）在此波长没有吸收,利用Calcium Orange作为指示剂可以避免紫外光所引发的原卟啉介导的光动力作用,在Calcium Orange加载的Harderian腺细胞,Ionomycin引起荧光强度的增加,而用TritonX-100破裂细胞后加入钙离子螯合剂EGTA,可使Calcium Orange荧光降到低于加入Ionomycin前的强度,说明用559nm为激发光波长,Calcium Orange可以用于Harderian腺细胞胞浆Ca^2 的测定。     

利用超声波在线检测液态金属洁净度的模拟研究

通过水模型实验研究了利用超声波在线检测液态金属中夹杂物的可能性。首先考察和比较了不同性质的夹杂物对超声波传播规律的影响,发现当溶液中存在夹杂物时超声波声压减小,超声波的波形也发生明显变化,而且不同性质的夹杂物对超声波的影响也存在较大差异。进一步考察夹杂物浓度和粒径对超声波传播的影响,发现随着夹杂物浓度的增加和粒径的增大,超声波声压逐渐减小,而且声压对上述因素的微小变化反应灵敏。研究表明,利用超声波在线检测液态金属洁净度是可能的。     

二维点阵夹芯板导波传播特性与频散曲线计算

通过建立导波传播的等效分析模型推导了二维点阵夹芯板中导波的频散方程, 并计算得到频散曲线. 建立了基于二维点阵真实结构的有限元模型, 并利用ABAQUS 软件模拟了导波在正六边形点阵夹芯板中的传播过程. 结果表明, 当频率较低时, 等效模型能够较好地描述导波沿整个夹芯板的传播过程.     

Calbindin immunoreactivity alternates with cytochrome c-oxidase-rich zones in some layers of the primate visual cortex

Calcium ions have a pivotal role in many neuronal activities, but little is known about their involvement in the cortical processing of visual information. Using immunohistochemical methods, we have now detected a calcium-binding protein, calbindin-D-28K, which may confer on certain compartments of cortical area 17 the ability to modulate Ca2+ metabolism. Thus, calbindin occurs in the primate striate cortex in a pattern almost complementary to that displaying strong cytochrome c-oxidase activity. From this and other observations, we deduce that the distribution of calbindin-immunoreactive sites corresponds mainly to extra-geniculocortical connections of the primary visual cortex. This implies that the geniculocortical and extra-geniculocortical compartments of area 17 differ in an intracellular system for Ca2+ homeostasis.     

Travelling waves and spatial hierarchies in measles epidemics.

Spatio-temporal travelling waves are striking manifestations of predator-prey and host-parasite dynamics. However, few systems are well enough documented both to detect repeated waves and to explain their interaction with spatio-temporal variations in population structure and demography. Here, we demonstrate recurrent epidemic travelling waves in an exhaustive spatio-temporal data set for measles in England and Wales. We use wavelet phase analysis, which allows for dynamical non-stationarity--a complication in interpreting spatio-temporal patterns in these and many other ecological time series. In the pre-vaccination era, conspicuous hierarchical waves of infection moved regionally from large cities to small towns; the introduction of measles vaccination restricted but did not eliminate this hierarchical contagion. A mechanistic stochastic model suggests a dynamical explanation for the waves-spread via infective 'sparks' from large 'core' cities to smaller 'satellite' towns. Thus, the spatial hierarchy of host population structure is a prerequisite for these infection waves.