Numerical simulation of the viral entry into a cell driven by receptor diffusion
目前的研究集中在受体驱动的典型的病毒进入细胞的内吞作用。在这种情况下,在细胞与病毒接触时局部增加的受体密度是必要的。病毒被认为是一种在其表面上具有固定受体的底物,而宿主细胞的受体可以自由地在其膜上移动,从而允许其浓度的局部变化。在接触区,细胞膜弯曲并在病毒周围形成包膜。产生的囊泡将其货物输入细胞。本文假设扩散方程伴随着边界条件,要求保守的粘合剂来描述的过程。此外,它引入了一个条件,定义的能量平衡在前面的粘附区。后者给出了可以被细胞膜吞噬的病毒大小的上限。所描述的移动边界问题的粘结剂的密度和速度的粘附前的良好设置和数值求解,通过使用有限差分法。已选择的说明性的例子,以显示的过程参数的影响的启动和持续时间的过程。
2021-01-27 q-bio.CB
Chemotaxis in uncertain environments: hedging bets with multiple receptor types
真核细胞能够在广泛的环境中感知化学梯度。我们表明,如果一个细胞暴露在一个高度可变的环境中,它可能会获得趋化性的准确性,表达多种受体类型与不同的亲和力相同的信号,如常见的化学趋化细胞,如Dictyosteopathy。随着环境不确定性的增加,细胞会在偏好单一受体类型和多种类型的混合受体之间发生转变--从而避免不利环境的可能性。我们预测给定特定环境的最佳受体亲和力。在化学趋化中,细胞也可以随时间整合它们的测量。令人惊讶的是,与多种受体类型的时间整合是定性的梯度传感不同的一个单一的类型-细胞可以提取数量级的趋化信息比预期的幼稚的时间整合。我们的研究结果显示了细胞何时应该表达多种受体类型来进行chemotax,以及细胞如何有效地解释来自这些受体的数据。
2020-09-21 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Confirmation that T cell receptor activation is digital, not analog. Hence individual T cell cytolytic capacity is independent of initial stimulation strength
无论是通过降低配体浓度还是降低其亲和力来实现次优淋巴细胞刺激,初始TCR活化应答都可能是数字化的。我们现在知道培养的外周血单核细胞(PBMC),当被植物凝集素如伴刀豆球蛋白-A(Con-A)激活时,响应细胞是T细胞,并且早期转录和代谢变化与T细胞对与MHC蛋白(pMHC)复合的特异性肽的反应非常相似。罗宾斯很久以前就指出,凝集素激活的PBMC反应是数字化的。这已经在pMHC激活的T细胞中得到证实。因此,一般来说,单个T细胞的反应与初始信号强度无关。
2018-09-08 q-bio.CB
Dynamics of Natural Killer cell receptor revealed by quantitative analysis of photoswitchable protein
自然杀伤(NK)细胞的激活是由大量的激活和抑制表面受体,积累在免疫突触动态调节。受体动力学的定量分析受到依赖于间接测量的方法的限制,例如光漂白后的荧光恢复。在这里,我们报告了一种新的方法来研究如何使用NK细胞受体标记的光开关荧光蛋白tdEosFP,它可以不可逆地从绿色到红色荧光状态的紫外线光开关蛋白质交通和免疫突触。因此,在局部切换事件之后,可以通过监测两个感兴趣区域中的荧光来在时间和空间上分辨光开关分子的移动。通过将图像与数学模型进行比较,我们评估了受体KIR 2 DL 1的扩散系数(0.23 +- 0.06 micron^2/s),并评估了突触形成如何影响受体动力学。我们的数据得出结论,抑制性NK细胞受体KIR 2DL 1不断被贩运到突触中,并在那里保持惊人的稳定。然而,出乎意料的是,在同时与多个靶细胞形成突触的NK细胞中,一个突触处的KIR 2DL 1可以重新定位到另一个突触。因此,我们的研究结果揭示了以前未检测到的突触间蛋白质交换。
2013-10-09 physics.bio-ph q-bio.CB
Universal energy-accuracy tradeoffs in nonequilibrium cellular sensing
本研究结合多理论推导单细胞浓度传感精度极限,发现简单观测下非平衡受体存在能量-精度帕累托最优权衡,提出新型热力学不确定关系并推广经典Berg-Purcell极限。
2021-12-17 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Petri-net modeling of B-cell receptor signaling pathways: A case study in CLL
免疫学是一个新兴的研究领域,它涉及任何生物体中免疫系统的研究。它是通过各种计算和数学模型建模,以处理所面临的问题,同时提高生物体的免疫系统或在最初阶段与传染病作斗争。这些模型对于更好地理解细胞内通路的复杂行为非常重要。细胞之间的信号传导途径是复杂的,难以在人类的免疫系统中可视化。因此,分别研究这些细胞的功能很重要。T细胞和B细胞是免疫系统的重要组成部分,它们都有自己的受体和不同的信号通路,通过这些通路它们可以处理任何抗原。在本文中,我们讨论了B细胞受体及其不同的信号转导通路下游的BCR。我们设计了一个Petri网模型来描述不依赖于T细胞的B细胞收集抗原的过程及其对机体免疫系统的影响。我们还将讨论BCR在选择CLL中的前体肿瘤细胞中的作用。
2019-06-20 q-bio.CB
Thymic selection of T-cell receptors as an extreme value problem
T淋巴细胞(T细胞)在活化时协调适应性免疫应答。T细胞活化需要其表面上的T细胞受体(TCR)与源自外源蛋白的短肽(p)足够强的结合,所述短肽(p)与主要组织相容性(MHC)基因产物(在抗原呈递细胞上展示)结合。在胸腺中选择多样性和自身耐受性T细胞库。我们将胸腺选择过程映射到一个极值问题,并为选定TCR的氨基酸组成(使其具有识别功能)提供了一个分析表达式。
2009-07-12 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Single-cell directional sensing at ultra-low chemoattractant concentrations from extreme first-passage events
University of Notre Dame(圣母大学);University of Utah(犹他大学)
该研究通过分析早期受体结合事件,揭示了单细胞在超低浓度趋化因子下快速准确判断源方向性的机制。
2026-08-13 q-bio.CB
Trait-structured chemotaxis: Exploring ligand-receptor dynamics and travelling wave properties in a Keller-Segel model
该研究提出一个性状结构Keller-Segel模型,显式模拟配体-受体结合,揭示趋化与增殖的权衡,并通过行波分析和数值实验阐明表型多样性在细胞迁移中的作用。
2025-02-26 q-bio.CB
Revising Berg-Purcell for finite receptor kinetics
从营养吸收到化学感受,再到突触传递,细胞生物学中的许多系统都依赖于分子扩散和结合到膜受体。这种系统的数学分析往往忽略了受体以有限的动力学速率处理分子的事实。一个关键的例子是Berg和Purcell关于细胞表面受体捕获细胞外分子的速率的著名公式。事实上,只有当受体以比分子到达受体更快的速度通过细胞壁运输分子时,这个有影响力的结果才是有效的。从数学的角度来看,忽略受体动力学是方便的,因为它使扩散分子独立。相比之下,包括受体动力学引入了扩散分子之间的相关性,因为例如结合的受体可能暂时被阻止结合另外的分子。在这项工作中,我们提出了一个建模框架耦合体扩散到表面受体有限的动力学速率。该框架使用边界均匀化将扩散方程耦合到边界上的非线性常微分方程。我们使用这个框架来推导出一个明确的公式,细胞的吸收率,并表明伯格和珀塞尔的分析显着高估了吸收在一些典型的生物物理场景。我们证实了我们的分析,通过数值模拟的多粒子随机系统。
2021-01-15 math.PR q-bio.CB q-bio.QM
Bistability in Apoptosis by Receptor Clustering
细胞凋亡是一种高度调控的细胞死亡机制,参与许多生理过程。细胞外激活的细胞凋亡的一个关键成分是死亡受体Fas,其在与其同源配体FasL结合时寡聚化以形成死亡诱导信号复合物。受最近的实验数据的启发,我们提出了一个数学模型的死亡配体-受体动力学的FasL作为一个聚集剂Fas,形成局部稳定的信号平台,通过邻近诱导的受体相互作用。值得注意的是,该模型表现出滞后,提供了一个上游机制的双稳态和鲁棒性。在低受体浓度下,双稳态取决于FasL的三聚体。此外,不可逆的双稳态,代表一个承诺的细胞死亡的决定,出现在高浓度,这可能是通过受体预协会或本地化到膜脂筏。因此,我们的模型提供了一个新的理论,这些观察到的生物现象的统一背景下的双稳态。重要的是,由于Fas相互作用启动了外源性凋亡途径,我们的模型还表明了一种机制,通过该机制,细胞可以独立于其下游组件中的任何此类动力学而充当非生命/死亡开关。我们的研究结果突出了死亡受体在决定细胞命运中的作用,并增加了归因于受体聚集的信号处理能力。
2010-09-08 q-bio.BM q-bio.CB
Broad cross-reactivity of the T-cell repertoire achieves specific and sufficiently rapid target searching
本研究通过字符串模型量化T细胞受体与抗原肽的交叉反应性,发现天然T细胞库的广泛交叉反应性能够平衡快速筛选与解离惩罚,实现特异且快速的目标搜索。
2024-02-13 q-bio.CB
The influence of T cell development on pathogen specificity and autoreactivity
T细胞在激活时协调适应性免疫应答。T细胞活化需要其表面上的T细胞受体与短肽足够强的结合,所述短肽来源于与主要组织相容性(MHC)基因产物的蛋白产物结合的外源蛋白,所述主要组织相容性(MHC)基因产物展示在抗原呈递细胞的表面上。T细胞也可以与肽-MHC复合物相互作用,其中肽来源于宿主(自身)蛋白。在胸腺中选择相对自身耐受的T细胞受体的多样性库。我们研究了一个模型,计算和分析,描述如何胸腺选择形状的T细胞受体库,使T细胞受体识别的致病肽是特异性和退化。我们还讨论了自身免疫性T细胞从胸腺逃逸的可能性。
2011-08-02 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Perfect adaptation in eukaryotic gradient sensing using cooperative allosteric binding
Johns Hopkins University(约翰斯·霍普金斯大学)
研究提出通过变构因子调控受体结合状态,实现细胞在不同浓度下对化学梯度的精准感知,并发现适应速度与感知精度存在权衡关系。
2025-08-29 physics.bio-ph q-bio.CB
Target shape dependence in a simple model of receptor-mediated endocytosis and phagocytosis
吞噬作用和受体介导的内吞作用是许多细胞类型(从单细胞生物到免疫细胞)中至关重要的颗粒摄取机制。在这两个过程中,细胞的吞噬主要取决于颗粒的形状和方向。然而,大多数以前的理论工作只集中在球形颗粒,因此忽略了自然界中广泛存在的颗粒形状,例如细菌。在这里,通过实施一个简单的模型在一个和两个维度,我们比较和对比受体介导的内吞作用和吞噬作用的生物相关的形状,包括球体,椭圆体,加盖圆柱体,沙漏。我们发现了一系列不同的吞噬行为,其中一些椭圆体吞噬速度比球体快,并且吞噬作用能够比其他类型的内吞作用吞噬更大范围的目标形状。此外,2D模型可以解释为什么一些非球形颗粒在呈现给膜尖端时(平放)吞噬最快(根本没有)。我们的工作揭示了一些细菌如何仅仅因为它们的形状而避免被内化,并提出了最佳药物输送的形状。
2016-05-10 q-bio.CB
Triangulation sensing: how cells recover a source from diffusing particles in three dimensions
嵌入梯度浓度的细胞如何三角形定位源的位置并向其最终目的地迁移?源三角测量需要从位于细胞表面的窄窗口(接收器)处的扩散线索的通量恢复源的三维坐标。我们在这里开发了一种方法来解决这个问题,我们表明,在快速结合率的限制,至少有三个受体是必要的。我们使用渐近方法求解稳态扩散方程,这与混合随机分析模拟一致。有趣的是,如果源位于细胞大小几十倍的距离处,则精度为百分之几,无法定位源。最后,源恢复的精度随着接收器的数量而增加。
2019-11-07 cond-mat.stat-mech math.PR q-bio.CB
Efficiency of initiating cell adhesion in hydrodynamic flow
我们从理论上研究了线性剪切流中受体涂层球和配体涂层壁之间的初始结合效率。结合的平均首次通过时间随剪切速率的增加而单调减小。在几个100受体补丁的数量级的饱和阈值以上,通过增加它们的数量和大小仅微弱地增强结合效率,但是通过增加它们的高度强烈地增强结合效率。这就解释了为什么血液中的白细胞通过位于微绒毛尖端的受体斑块粘附,以及为什么疟疾感染的红细胞形成升高的受体斑块(旋钮)。
2006-09-05 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft q-bio.CB
Reconstructing the gradient source position from steady-state fluxes to small receptors
从通过小受体的扩散粒子的通量中恢复源的位置允许生物细胞确定其相对位置、空间定位并将其引导到最终目标。然而,如何从点通量中恢复源仍然不清楚。使用窄逃逸时间方法的一个开放的域,我们计算的布朗粒子的扩散通量产生的稳态梯度从一个单一的源通过小孔分布在一个表面上的二维。{We发现当存在至少3个接收器并且源定位在不超过10个单元半径的距离时,可以恢复源的位置,但是在窄带中该条件不是必需的。本方法为单细胞水平梯度方向感测的第一步提供了计算基础。
2017-05-06 physics.bio-ph q-bio.CB
The Effects of EGF-Receptor Density on Multiscale Tumor Growth Patterns
我们研究了表皮生长因子受体(EGFR)密度对肿瘤生长动力学的影响,无论是在亚细胞和多细胞水平上使用我们以前开发的模型。该算法使用多尺度二维基于代理的方法与集成的转化生长因子α(TGF α)诱导的EGFR-基因-蛋白质相互作用网络来模拟脑肿瘤的生长。结果证实,细胞受体密度的增加与肿瘤系统时空扩张动力学的加速相关。这种多细胞的行为不能仅仅解释的基础上的空间亚细胞动力学,这仍然是定性相似的三个胶质瘤细胞系研究在这里在计算机上。相反,我们发现具有较高EGFR密度的细胞显示增殖和迁移性状之间的表型转换活性的早期增加,这与PLC γ介导的TG α-EGFR自分泌网络的较高水平的初始自刺激有关。这表明在这些趋化作用的肿瘤系统中更活跃的蛋白质水平相互作用,并支持翻译后调节对所实施的EGFR途径的作用。这些结果的实验癌症研究的影响进行了讨论。
2005-02-01 q-bio.CB q-bio.MN q-bio.OT
Tracking yeast pheromone receptor Ste2 endocytosis using fluorogen-activating protein tagging
为了观察内化的酵母信息素受体Ste 2通过荧光显微镜在活细胞中的实时,我们可视化只有那些分子存在于细胞表面的激动剂接合时(而不是总细胞池),通过标记该受体在其N-末端与细胞外的荧光激活蛋白(FAP)。FAP是一种单链抗体,经工程改造可紧密结合非荧光、细胞不可渗透的染料(荧光团),从而产生荧光复合物。利用FAP标记研究具有细胞壁的酵母中的整合膜蛋白的运输,以前没有被检查过。探索了一组不同的信号肽和前肽序列以使表达最大化。维持最佳FAP-Ste 2嵌合体的完整性需要删除两个旁系同源的糖基磷脂酰肌醇(GPI)锚定的细胞外蛋白酶(Yps 1和Mkc 7)。FAP-Ste 2表现出比Ste 2-GFP或Ste 2-mCherry更明亮和明显的质膜信号,但表现非常相似。使用FAP-Ste 2,获得了关于其内化机制的新信息,包括关于货物选择性内吞衔接子Ldb 19/Art 1,Rod 1/Art 4和Rog 3/Art 7的作用的新见解。
2019-01-21 q-bio.CB
Autocrine signaling and quorum sensing: Extreme ends of a common spectrum
“分泌-感觉细胞”可以通过分泌信号分子进行交流,同时也产生检测该分子的受体。细胞可以潜在地与自己“交谈”(“自我通信”)或与具有相同受体的相邻细胞交谈(“邻居通信”)。分泌和感觉细胞的主要形式是自我沟通的“自分泌细胞”,主要存在于动物中,以及邻居沟通的“群体感应细胞”,主要与细菌有关。虽然假设功能彼此独立,但最近的研究发现了群体感应器官和自分泌信号微生物。此外,类似类型的遗传回路控制着许多自分泌和群体感应细胞。我们概述了这些最新的发现,并解释如何自分泌和群体感应是一个多方面的“骰子”的多才多艺的分泌和感觉细胞创建的两个方面。
2016-02-18 q-bio.CB
Predicting chemical environments of bacteria from receptor signaling
感官系统已经进化到对某些统计特性的输入刺激做出反应,并通过生物化学途径可靠地传递这些信息。因此,对于一个在实验上得到很好表征的感觉系统,人们应该能够从刺激的统计数据中提取有价值的信息。基于细菌趋化性感觉系统的体内荧光共振能量转移(FRET)实验的剂量-响应曲线,我们预测了趋化性大肠杆菌细胞在其自然环境中通常遇到的化学梯度。为了预测平均梯度细胞的经验,我们重新评估的现象学韦伯定律及其概括的韦伯-费希纳定律和折叠变化检测。为了获得完整的梯度分布,我们使用信息理论和模拟,考虑到从细胞外部和内部噪声的信息传输的限制。我们确定广泛的指数梯度分布,这导致对数正态刺激和最大漂移速度。因此,我们的研究结果为破译复杂的、实验上难以接近的细胞微环境(如人类肠道)的化学性质迈出了第一步。
2014-10-27 q-bio.CB
Multiscale modeling of glioma invasion: from receptor binding to flux-limited macroscopic PDEs
我们提出了一种新的方法来模拟细胞迁移在各向异性的环境中的生化异质性和种间相互作用,作为一个范例胶质瘤侵袭脑组织的影响下,缺氧触发血管生成。多尺度程序链接单细胞和介观动力学与人口水平的行为,导致宏观尺度上的流量限制胶质瘤扩散和多个的士。我们验证了所得到的宏观PDE-ODE系统的正则解的非负性(假设它们存在),并进行数值模拟,以说明在几种情况下的解决方案的行为。
2021-04-13 math.AP q-bio.CB q-bio.TO
A dynamical model of the adaptive immune system: effects of cells promiscuity, antigens and B-B interactions
我们分析了适应性免疫系统中主要反应的最小模型,该系统包括三个不同的参与者:抗原,T细胞和B细胞。我们假设B-T相互作用被稀释,并从非均匀度分布中局部采样,这模拟了B细胞受体的混杂性。我们推导出动力学方程的顺序参数量化的B细胞激活和研究的性质和稳定性的固定解决方案,使用线性稳定性分析和Monte Carlo simulations.The系统的行为进行了研究,在不同的缩放制度的数量的B细胞,稀释的相互作用和抗原的数量。我们的分析表明:(i)B细胞活化取决于受体的数量,使得具有不足数量的触发受体的细胞不能被活化;(即B-B)相互作用增强了多个克隆的并行激活,提高了系统并行对抗不同病原体的能力;(iii)宿主内抗原的分数越高,系统就越难维持对B细胞的平行信号传导,这对于细胞数量的稳态控制至关重要。
2015-05-14 cond-mat.soft q-bio.CB
Label-free cell signaling pathway deconvolution of Angiotensin type 1 receptor reveals time-resolved G-protein activity and distinct AngII and AngIII\IV responses
血管紧张素II(AngII)1型受体(AT 1 R)是一种G蛋白偶联受体,已知其在许多生理过程中的作用以及其在许多血管疾病中的意义。其功能通过G蛋白依赖性和非依赖性信号通路介导。AT 1 R有几种内源性肽激动剂,都来源于血管紧张素原,以及几种已知引发偏向性信号传导反应的合成配体。在此,表面等离子体共振(SPR)被用作基于细胞的和无标记的技术,以实时定量稳定表达人AT 1 R的HEK 293细胞的响应。目的是利用该试验的综合性质,在由多种内源性和合成的AT 1 R配体产生的反应谱特征中鉴定特异性信号通路。首先,我们评估了Gq、G12/13、Gi、Gbg、ERK 1/2和\b{eta} -抑制蛋白通路在SPR测量的细胞反应中的贡献,其中发现Gq、G1/2/Rho/ROCK与\b{eta} -抑制蛋白和ERK 1/2一起起重要作用。更具体地说,我们确定了G1/2在AT 1 R依赖性反应的早期事件中的主要作用,随后是与信号后期相关联的鲁棒ERK 1/2组分。有趣的是,内源性AT 1 R配体(AngII,AngIII和AngIV)表现出不同的响应签名与ERK 1/2样成分的显着增加AngIII和AngIV,这可能指向后者不同的生理作用。我们还测试了AT 1 R偏向配体,所有这些都影响了早期和晚期事件。我们的研究结果支持SPR为基础的综合细胞分析作为一个强大的方法来描绘特定的信号通路的贡献,为…
2019-03-26 q-bio.CB q-bio.MN
Determining the accuracy of spatial gradient sensing using statistical mechanics
许多真核细胞能够通过直接测量空间浓度差来感知化学梯度。这种梯度感测的精度受到扩散颗粒与细胞表面上的特定受体结合的波动的限制。在这里,我们探索的空间传感机制的物理限制,通过建模的趋化细胞作为一个伊辛自旋链受到空间变化的领域。这使我们能够得到梯度参数的最大似然估计以及其渐近不确定性的明确表达式。准确性随着细胞的大小而增加,并且我们的结果表明,通过在相邻受体之间引入非零协同性,可以进一步提高这种准确性。因此,与最近的实验数据一致,小细菌可以进行梯度的空间测量。
2010-06-02 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.QM
Precision of flow sensing by self-communicating cells
转移性癌细胞通过自我交流检测淋巴流向:它们分泌并检测一种化学物质,由于流动,该化学物质各向异性地返回细胞表面。分泌速率低,意味着检测噪声可能起重要作用,但尚未探索这种机制的感官精度。在这里,我们推导出两种普遍存在的检测方法的流量传感精度:吸收与与表面受体的可逆结合。我们发现,由于吸收扭曲了细胞旨在检测的信号,因此结合更加精确。与实验相比,我们的结果表明,癌细胞的操作非常接近物理检测极限。我们的预测是,细胞应该可逆地结合该化学物质,而不是吸收它,这一预测得到了该配体-受体对的内吞数据的支持。
2020-07-11 physics.bio-ph q-bio.CB
Effect of receptor cooperativity on methylation dynamics in bacterial chemotaxis with weak and strong gradient
我们研究甲基化动力学的化学感受器作为一个{ \sl大肠杆菌}细胞在空间变化的化学引诱物环境中移动。我们考虑具有强和弱空间梯度的引诱剂浓度。在细胞沿梯度的上坡和下坡运动期间,我们测量受体簇的平均甲基化水平的时间变化。我们的数值模拟表明,甲基化动力学敏感地依赖于受体簇的大小和梯度的强度。在运行开始后的短时间内,甲基化动力学主要由通常与高受体活性相关的短运行控制。这导致在短时间内脱甲基化。但是对于中间或大时间,长运行起重要作用,并且取决于受体协同性或梯度强度,甲基化的定性变化在该时间范围内可以完全不同。对于弱梯度,无论是上坡还是下坡,在初始去甲基化之后,我们发现甲基化水平随着时间的推移而稳定地增加。类似的定性行为也观察到上坡运行期间的强梯度。然而,甲基化动力学下坡运行在强梯度显示高度非平凡的依赖于受体簇的大小。我们解释这种行为的结果之间的相互作用的信号网络的传感和适应模块。
2022-01-27 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB