Equilibrium Probability Distribution for Number of Bound Receptor-Ligand Complexes
分子结合的现象,其中两个分子,称为受体和配体,结合在一起形成配体-受体复合物,在生物学中普遍存在,并且对于所有生命维持过程的准确功能至关重要。在热平衡下,单个受体与周围的L配体分子中的任何一个形成复合物的概率可以从由吉布斯-玻尔兹曼分布获得的配分函数导出。我们将这种方法扩展到由R受体和L配体组成的系统,推导出概率密度函数p(r;R,L),以找到r结合的受体-配体复合物在热平衡。这种扩展使我们能够说明这个问题的两个方面,这在单一受体问题中是不明显的,即a)在R和L交换下结合复合物数量的平衡分布中预期的对称性和b)从化学动力学方程获得的结合复合物的数量与p(r;R,L)表达式中r的最大可能值精确对应。我们推导出r的数量波动,并提出了一个实际相关的分子传感应用程序,受益于p(r;R,L)的知识。
2020-06-04 physics.bio-ph q-bio.SC
Bistability of cell-matrix adhesions resulting from non-linear receptor-ligand dynamics
双稳态是细胞决策的一种主要机制,通常由生化控制系统中的正反馈引起。在这里,我们从理论上表明,非结合和结合状态的粘附集群的结果从正反馈介导的结构,而不是生物化学过程,即受体-配体解离和关联动力学依赖于非线性机械力和受体-配体分离。对于小细胞-基质粘附,我们发现未结合和结合状态之间的快速切换,这在粘附的初始阶段允许细胞通过许多短暂的粘附来探索其环境。
2006-08-03 q-bio.BM q-bio.SC
Ligand-concentration sensitivity of a multi-state receptor
生物感觉系统通常在不平衡的情况下运行,这通常导致它们的性能改善。在这里,我们研究了一般受体模型,这是一般在非平衡定态,在一个随机扩散方程的框架内的配体浓度的灵敏度。导出了最大灵敏度的一般公式。具体而言,灵敏度普遍受到Berg-Purcell极限的限制[Biophys.我是J .,1977],而不管受体是处于平衡状态还是非平衡态。
2017-06-26 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.SC
Impact of receptor-ligand distance on adhesion cluster stability
多细胞生物体中的细胞通过跨越从很少到数千个粘附键的尺寸范围的二维簇粘附到细胞外基质。对于许多常见的受体-配体系统,配体通过具有有限结合范围的聚合物间隔物拴系到表面,因此粘附簇稳定性关键地取决于受体-配体距离。我们引入了一个一步的主方程,其中包括通过有限数量的聚合物配体系链的合作结合的效果。我们还导出了福克-普朗克方程和平均场方程作为主方程的连续极限。聚合物被建模为谐波弹簧或蠕虫状链。在这两种情况下,我们发现绑定和未绑定状态之间的受体-配体距离的中间值的双稳态,并计算相应的切换时间。对于小的集群大小,随机效应不稳定的集群在大的分离,所示的随机势从福克-普朗克方程的详细分析。
2007-07-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft q-bio.SC
Ligand-dependent opening of the multiple AMPA receptor conductance states: a concerted model
突触后膜AMPA受体的调节是脊椎动物中枢神经系统中突触可塑性背后的主要机制之一。单通道激动剂刺激的电生理记录表明,重组和天然AMPA受体访问多个电导状态的激动剂浓度依赖性的方式。我们提出了一个基于四个亚基协同构象转变的多电导状态的变构模型,就像虹膜一样。我们的模型预测,热力学行为的电导状态后,完全和部分激动剂刺激可以描述与受体的亲和力增加,因为它们进展到更高的电导状态。该模型还预测了AMPA受体在非配体导电substates的存在。然而,自发开口的概率随着电导的增加而降低。最后,我们预测,大电导状态是稳定的上升期内的全细胞EPSC的海马神经元中。我们的模型提供了一个机制的配体浓度和电导状态之间的联系,可以解释AMPA受体门控的热力学和动力学特征。
2014-07-17 q-bio.MN q-bio.SC
Effects of receptor clustering on ligand dissociation: Theory and simulations
受体-配体结合是信号转导的关键第一步,相互作用的持续时间会影响信号的产生。在哺乳动物细胞中,被称为脂筏的脂质的异质区可以促进受体的聚集。体外实验表明,筏的破坏显着改变成纤维细胞生长因子-2(FGF-2)从硫酸乙酰肝素蛋白聚糖(FGF-2的共受体)的解离。在本文中,我们开发了一个连续的随机形式主义,以(i)研究如何重新绑定的影响解离的配体从一个平面基板,和(ii)解决的问题,受体聚集如何影响配体重新绑定。我们发现,簇显着降低有效的解离速率时,簇是密集的,受体的整体表面密度低。这种效应在高受体密度的情况下不太明显,并随时间显示出非单调行为。这些预测通过晶格蒙特卡罗模拟验证。与实验结果的比较表明,该理论并没有捕捉到完整的生物系统。我们推测,可能存在额外的合作机制,以增加配体保留,并提出一个可能的“内部扩散”模型。
2005-08-25 cond-mat.stat-mech q-bio.CB q-bio.SC
Binding equilibrium and kinetics of membrane-anchored receptors and ligands in cell adhesion: insights from computational model systems and theory
细胞膜的粘附是由膜锚定受体和配体蛋白的结合介导的。在这篇文章中,我们回顾了最近的结果,从模拟和理论,导致新的见解,这些蛋白质的结合平衡和动力学是如何影响的膜和膜锚定和分子特性的蛋白质。模拟和理论都表明,结合平衡常数K2D和锚定的受体和配体在其“二维”(2D)的膜环境中的开和关速率常数强烈依赖于膜粗糙度从热激发的形状波动的纳米尺度。通过模拟证实的最新理论提供了K2D与缺乏膜锚并且在三维(3D)中自由扩散的受体和配体的可溶性变体的结合常数K3D之间的一般关系。
2016-06-14 cond-mat.soft q-bio.BM q-bio.SC
Signal processing in the TGF-beta superfamily ligand-receptor network
TGF-β通路在组织稳态和形态发生中起着核心作用。它将多种细胞外信号转导成细胞内转录反应,这些反应控制大量细胞过程,包括细胞生长、凋亡和分化。我们使用计算建模表明,耦合信号与受体贩运的结果在一个高度通用的信号处理单元,能够感测本身的绝对水平的配体,配体浓度的时间变化,和多种配体的比例。这种耦合控制受体模块的响应是瞬时的还是永久的,以及不同的信号通道是否彼此独立地行为。我们的计算方法统一了看似不同的实验观察,并提出了受体运输模式的特定变化,这些变化可能导致有利于肿瘤进展的表型。
2005-09-14 nlin.AO physics.bio-ph q-bio.MN
Physical limit to concentration sensing in a changing environment
细胞通过使用特定受体感知配体浓度来适应变化的环境。传感的准确性最终受到受体结合的配体分子的有限数量的限制。以前推导的物理限制传感精度假设的浓度是恒定的,忽略了其时间波动。我们制定的浓度传感在强烈波动的环境中作为一个非线性场论问题,我们找到了一个很好的近似高斯解的问题。我们推导出一个新的物理约束的相对误差浓度$c$的规模为$δc/c \sim (Dacτ)^{-1/4}$与配体扩散率$D$,受体截面$a$,和特征波动时间尺度$τ$,在鲜明的对比,通常的伯格和珀塞尔绑定$δc/c \sim (DacT)^{-1/2}$为一个完美的受体传感浓度在时间$T$。我们展示了如何通过一个简单的生物化学网络下游的受体,适应的动力学信号作为一个函数的平方根的感知浓度的绑定可以实现。
2019-08-12 q-bio.SC
Binding kinetics of membrane-anchored receptors and ligands: molecular dynamics simulations and theory
生物膜的粘附是由膜锚定受体和配体蛋白的结合介导的。中心问题是这些蛋白质的结合动力学如何受到膜和蛋白质的膜锚定的影响。在这篇文章中,我们(i)提出了详细的数据结合膜锚定蛋白质从粗粒度的分子动力学模拟,和(ii)提供了一个理论,描述了如何结合动力学依赖于平均分离和热粗糙度的粘附膜,锚定,长度和长度变化的蛋白质。我们的理论的一个重要因素是结合受体-配体复合物和过渡态复合物相对于膜法线的倾斜。这种倾斜是由复合物的锚定能和旋转熵的相互作用引起的,并且有助于在小于用于结合的优选分离的膜分离处形成受体-配体键。在我们的模拟中,我们考虑了脂质锚定和跨膜受体和配体蛋白。我们发现,脂质锚定蛋白的结合平衡常数和结合速率常数是相当小的刚性跨膜蛋白具有相同的结合域的结合常数和结合速率常数。
2015-11-24 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.SC
Interplay of receptor memory and ligand rebinding
解离后紧密接近的分子相互作用伴侣的快速再结合导致解离和缔合动力学,其可以与基于本体反应模型的预测有很大不同。这种效应的原因可以追溯到配体的再结合时间概率密度函数的非马尔可夫特征,反映了这样一个事实,即在一定的时间跨度内,配体仍然“记住”它以前结合的受体。在这份手稿中,我们探讨的假设,初始绑定和连续重新绑定产生的债券寿命密度,是非马尔可夫以及后果。我们研究了两个非马尔可夫等待时间概率密度的综合效应,并表明即使在很短的时间内,被占用受体的分数的衰减偏离指数。在很长一段时间内,解离比指数慢,稳态结合受体部分的命运严重依赖于相对于重新结合时间密度的偏离程度,从马尔可夫极限:被占据的受体的群体可以完全衰减或分别为小的和强的偏差假设非零值。此外,我们指出了分数阶微积分所发挥的重要作用,并表明,短期和长期的动态被占领的受体可以自然地表示,以及很容易获得的分数阶微分方程涉及的黎曼-刘维导数。我们的分析表明,细胞可以利用受体记忆作为机制,动态地扩大对给定信号的潜在响应模式的范围。
2015-04-29 q-bio.QM q-bio.SC
Efficiency of cellular uptake of nanoparticles via receptor-mediated endocytosis
实验表明,通过受体介导的内吞作用,纳米颗粒的细胞摄取强烈依赖于纳米颗粒的大小。存在一个最佳尺寸,直径约为50 nm,在该尺寸下细胞摄取最高。此外,有一个最大尺寸,约200 nm,超过该尺寸,通过受体介导的内吞作用的摄取不会发生。通过比较不同实验的结果,我们发现这些尺寸弱依赖于实验中使用的细胞,纳米颗粒和配体的类型。在这里,我们认为,这些观察结果的能量和装配动力学的蛋白质外壳,在受体介导的内吞作用的细胞质侧的外细胞膜上形成的后果。具体而言,我们表明,涂层形成的能量施加上限的纳米粒子的大小,可以被内化,而纳米粒子的大小依赖的动力学的涂层组装的结果在最佳的纳米粒子的大小。最佳和最大尺寸对细胞-纳米颗粒-配体类型的弱依赖性也自然地从我们的分析中得出。
2014-10-27 q-bio.SC
Know the single-receptor sensing limit? Think again
细胞如何可靠地推断有关其环境的信息是一个根本性的重要问题。虽然传感和信号通常从细胞表面受体开始,但即使是最简单的设备(单个受体),细胞也很难准确测量外部配体浓度。最近的研究为基本的物理极限提供了相互矛盾的结果。比较是困难的,因为不同的研究要么建议不同的读出机制的配体-受体占用,或不同的配体扩散是如何实现的。在这里,我们批判性地分析了这些研究,并对传感极限提出了统一的观点,具有广泛的生物学意义。
2015-10-31 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.SC
Binding constants of membrane-anchored receptors and ligands: a general theory corroborated by Monte Carlo simulations
包围细胞和细胞器的生物膜的粘附过程对于免疫应答、组织形成和信号传导是必不可少的。这些过程敏感地依赖于介导粘附的膜锚定受体和配体蛋白的结合常数K2 D,这在蛋白质的“二维”(2D)膜环境中难以测量。因此,一个重要的问题是将K2 D}与缺乏膜锚并且在三维(3D)中自由扩散的受体和配体的可溶性变体的结合常数K3 D}相关联。在这篇文章中,我们提出了一个一般性的理论结合常数K2 D和K3 D的相当硬的蛋白质,其主要的自由度是平移和旋转,沿膜和锚点周围的“在2D”,或不受约束的“在3D”。该理论概括了以前的结果,通过描述如何K2 D取决于平均分离和热纳米级粗糙度的并列膜,以及受体和配体的长度和锚定的灵活性。我们的理论结果的比率K2 D/K3 D的结合常数同意从Monte Carlo模拟的详细结果没有任何数据拟合,这表明,该理论捕捉到的“降维”由于膜锚定的基本特征。在我们的Monte Carlo模拟中,我们考虑了一种新的粗粒度模型的生物膜粘附,其中的膜表示为离散的弹性表面,和受体和配体作为锚定分子,沿着膜连续扩散,并在其锚点旋转。
2015-11-24 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.SC
A Thermodynamic Model for Receptor Clustering
细胞内信号传导通常由配体诱导的细胞表面受体的寡聚化引起。这种寡聚化或成簇过程基本上是邻近受体分子之间的合作行为;这种合作过程的性质明显影响信号转导。最近的研究已经揭示了受体-受体相互作用的分子基础,但缺乏一个简单的理论框架,使用这些数据来预测团簇形成。在这里,我们提出了一个简单的,粗粒度的,唯象模型的配体调制受体相互作用,并讨论其平衡性质通过平均场论。该模型的一阶过渡的存在直接影响到细胞信号响应的鲁棒性。
1999-08-06 cond-mat.soft q-bio.SC
Strength and stability of active ligand-receptor bonds: a microtubule attached to a wall by molecular motor tethers
我们开发了一个随机动力学模型的一个预先形成的附件的微管(MT)与细胞皮质,其中的MT是拴系到细胞的一组活跃的马达蛋白。这种连接是配体-受体键的一种特别独特的情况:MT配体通过聚合-解聚动力学随时间改变其长度(从而改变结合位点),而多个运动受体倾向于沿着MT长度主动行走。这些过程,结合力介导的马达的解绑,导致MT连接到细胞皮层的复杂行为。我们目前的结果的强度和寿命的系统,通过完善的力钳和力斜坡协议时,外部张力施加到MT。模拟结果表明,MT细胞附着行为作为一个捕捉债券或滑移债券取决于系统参数。我们提供了分析近似的寿命和讨论的影响,我们的结果在体外实验。
2017-08-20 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.SC
Immunogenic cell death triggered by pathogen ligands via host germ line-encoded receptors
本文综述病原体感染通过宿主种系编码受体触发免疫原性细胞死亡的机制,强调模式识别受体和炎症小体的核心作用,并揭示宿主与病原体在细胞死亡通路上的动态博弈与共同进化。
2024-02-06 q-bio.MN q-bio.SC
Monitoring oligomerization dynamics of individual human neurotensin receptors 1 in living cells and in SMALP nanodiscs
人神经降压素受体1(NTSR 1)是一种G蛋白偶联受体。该受体由小肽配体神经降压素激活。NTSR 1可通过稳定转染在HEK细胞中表达。以前,我们使用荧光蛋白标记物mRuby 3或mNeonGreen融合到NTSR 1用于活HEK细胞中基于EMCCD的结构照明显微镜(SIM)。配体结合诱导NTSR 1的构象变化,从而触发细胞内信号传导过程。最近的单分子研究揭示了这种受体在人工脂质双层中的动态单体/二聚体平衡。在这里,我们报告的寡聚化状态的人NTSR 1从活细胞捕获到脂质纳米盘。简言之,SMALP(苯乙烯-马来酸共聚物脂质纳米颗粒)直接从活HEK 293 T FlpIn细胞的质膜产生。直径为15 nm的SMALP可溶且稳定。SMALP中的NTSR 1通过使用定制的共聚焦反布朗电动阱(ABEL trap)显微镜一次一个膜贴片的单分子强度测量来分析。我们发现寡聚化的变化之前和之后的受体与其配体神经降压素刺激。
2023-02-05 q-bio.BM q-bio.SC
Cargo binding promotes KDEL receptor clustering at the mammalian cell surface
跨膜受体聚集是原核细胞和真核细胞中普遍存在的现象,以物理地感知受体/配体相互作用并随后将外源信号翻译成细胞应答。尽管已经描述了多种受体的受体簇形成,从细菌中的趋化性受体到哺乳动物细胞中的生长因子和神经递质受体,但对潜在分子过程的机械理解仍然令人困惑。为了填补这一空白,我们采用了实验和理论相结合的方法,在与模型货物/配体相互作用后,在哺乳动物细胞表面解剖和调节由KDEL受体(KDELRs)介导的货物结合、内化和细胞应答。使用蓖麻毒素A链的荧光变体作为KDELR-配体,eGFP-RTA(H/KDEL),我们证明货物结合诱导剂量依赖性受体簇的形成和随后的内化从膜,这是相关的,并抵消了顺行和微管辅助受体转运到质膜上的首选停靠位点。通过分析参数和广泛的数值模拟,我们表明,货物同步受体运输从和到膜是导致KDELR/货物簇形成在哺乳动物细胞表面。
2017-12-17 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Mechanobiology predicts raft formations triggered by ligand-receptor activity across the cell membrane
不同类型的配体结合受体聚集在细胞膜增厚的岛上,即脂筏,是实验观察到的现象。虽然其对细胞反应的影响进行了深入研究,但在配体结合过程中涉及活性受体和周围脂质膜的机械过程和多物理学之间的耦合作用尚未被理解。具体而言,这项工作的重点是G蛋白偶联受体(GPCR),它通过化学信号通路调节特定的细胞过程,涉及细胞内环境中由活性GPCR产生的环腺苷酸(cAMP)及其流出之间的协同平衡,由多药耐药蛋白(MRP)转运蛋白介导。本文发展了一个多物理方法之间的相互作用的基础上的能量,多尺度的几何变化和物质平衡的物种,即活跃的GPCR和MRP,包括扩散和动力学的结合和解除结合。由于所获得的能量取决于运动学和物种密度的变化,质量和线性动量的平衡被耦合并支配细胞膜的时空演化。机械生物学涉及重塑和改变的脂质排序的细胞膜允许预测动力学的转运蛋白和活性受体-在协议与实验观察到的cAMP水平-以及后者如何触发筏形成和簇在这些网站上。在目前关于严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2型(SARS-CoV-2)的科学辩论中,并基于脂筏通常作为病毒进入端口的确定事实,人们认为,解释机械生物学方面强耦合的方法甚至有助于更好地理解膜介导的现象,如COVID-19病毒-细胞相互作用。
2020-05-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Ligand-induced Coupling versus Receptor Pre-association: Cellular automaton simulations of FGF-2 binding
已知碱性成纤维细胞生长因子(FGF-2)与其细胞表面受体(CSR)的结合以及随后的信号转导被硫酸乙酰肝素蛋白聚糖(HSPG)增强。HSPG以低亲和力结合FGF-2,并且可能通过与配体和受体两者缔合而稳定FGF-2-CSR复合物来影响CSR介导的信号传导。目前尚不清楚的是,在缺乏FGF-2的情况下,HSPG是否与CSR相关。在本文中,我们确定的条件下,预协会将影响CSR-FGF-2-HSPG三单元组的形成,假设扩散限制的表面反应。使用平均场速率方程,我们表明:(i)当[HSPG]远高于[CSR]时,预形成的复合物的存在不影响FGF-2结合的稳态,以及(ii)当浓度相当时,预形成的复合物的存在显著增加了与CSR结合的FGF-2的稳态浓度。这些发现支持明确的元胞自动机模拟,证明平均场治疗。我们讨论了这样一个双受体系统的优点相比,一个单一的受体模型,当参数是可比的。此外,我们推测在完整细胞中观察到的高浓度HSPG([HSPG] ~ 100[CSR])提供了一种确保FGF-2与其信号传导受体的结合水平保持高的方式,而不管细胞表面上是否存在预形成的CSR-HSPG复合物,同时允许细胞通过下调信号传导受体来精细地调节对FGF-2的响应。
2003-08-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Adhesion of membranes via actively switched receptors
我们考虑一个理论模型的膜与粘合剂受体,或贴纸,积极切换两个构象状态之间。在它们的“开”状态下,粘着剂与并置膜中的配体结合,而在它们的“关”状态下它们不与配体相互作用。我们发现,膜的厚度敏感地依赖于构象转换过程的速率。这种依赖性反映在中间切换速率下的共振中,这可能导致大的膜分离和解结合。我们的研究结果可能会提供新的机制,生物或仿生膜的控制粘附的见解。
2005-12-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Self-consistent theory of reversible ligand binding to a spherical cell
在这篇文章中,我们研究了可逆的配体结合受体的球形细胞表面上使用自洽随机理论的动力学。配体的结合、解离、扩散和再结合以系统的方式被纳入理论。我们明确地推导出配体结合的受体分数p(t)在各种制度的时间演变。与普遍接受的观点相反,我们发现,著名的Berg-Purcell标度的关联率被修改为时间的函数。具体而言,有效导通速率作为时间的函数非单调地变化,并且在非常早的时间以及晚的时间等于固有速率,而在中间时间近似等于Berg-Purcell值。在结合曲线中出现的或在解离实验中测量的有效解离速率被再结合事件强烈地修改,并且假定Berg-Purcell值,除了在非常晚的时间,其中衰减是代数的而不是指数的。在平衡状态下,溶液中各处的配体浓度是相同的并且等于其空间平均值,从而确保在细胞附近没有耗尽。结合实验和配体-受体系统的数值模拟,我们的结果的影响进行了讨论。
2007-08-30 cond-mat.stat-mech q-bio.QM q-bio.SC
The signaling signature of the neurotensin type 1 receptor with endogenous ligands
人神经降压素1受体(hNTS 1)是一种G蛋白偶联受体,参与许多生理功能,包括镇痛、体温过低和低血压。为了更好地了解哪些信号通路或通路组合与NTS 1活化和功能相关,我们研究了由CHO-K1细胞稳定表达的活化的hNTS 1直接接合G蛋白、激活第二信使级联和募集\b{eta} -抑制蛋白的能力。使用基于BRET的生物传感器,我们发现神经降压素(NT)、NT(8-13)和神经介肽N(NN)激活Gαq-、Gαi1-、GαoA-和Gα13-蛋白信号通路以及\b{eta} -抑制蛋白1和2的募集。使用药理学抑制剂,我们进一步证明了所有三种配体刺激磷酸肌醇的产生和cAMP积累的调节以及ERK 1/2激活。有趣的是,尽管与Gαi1和GαoA功能性偶联,但发现NT在百日咳毒素存在下产生更高水平的cAMP,支持hNTS 1活化以Gα s依赖性方式导致cAMP积累。此外,我们证明了ERK 1/2的完全激活需要通过PTX敏感的Gi/o-c-Src信号通路和Gq下游的PLCb-DAG-PKC-Raf-1依赖性通路的信号传导。最后,基于细胞的表面等离子体共振监测的全细胞集成签名和汇合细胞单层的电阻抗的变化导致三个配体之间相同的表型反应。hNTS 1介导的细胞信号传导网络的表征将有助于加速验证具有改善的治疗/不良反应特征的潜在NTS 1偏向配体。
2018-03-14 q-bio.CB q-bio.MN q-bio.SC
Fundamental Limits to Cellular Sensing
近年来的实验表明,活细胞可以高精度地测量低化学浓度,并且在理解化学传感精度的基本限制方面取得了很大进展。化学浓度测量从配体分子与受体蛋白的结合开始,这是一个固有的噪声过程,特别是在低浓度下。将配体浓度信息从受体传递到细胞的信号网络必须尽可能地过滤这种细胞外部的噪声。然而,这些网络在本质上也是随机的,这意味着它们也会向传输的信号中添加噪声。在这篇综述中,我们将首先讨论配体与受体的扩散运输和结合如何设置受体相关时间,然后下游信号通路如何整合受体状态中的噪声;我们将讨论受体的数量、受体相关时间和有效整合时间如何共同设置传感精度的基本限制。然后,我们讨论了细胞如何消除受体噪声,同时抑制信号网络中的固有噪声。我们描述了为什么这种时间整合机制需要三类资源-受体和它们的整合时间,读出分子,能量-以及每个资源类如何设置一个基本的传感限制。我们还简要讨论了最大似然估计的方案,受体协同性的作用,以及细胞复制协议如何不同于典型的复制协议通常认为在计算文献中,解释为什么细胞传感系统永远无法达到兰道尔限制的最佳权衡之间的准确性和精力充沛的成本。
2015-05-25 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.SC
Stability Analysis of a Bulk-Surface Reaction Model for Membrane-Protein Clustering
蛋白质在质膜上的聚集对于许多细胞过程如细胞黏附、内吞作用、纤维状构象和囊泡运输至关重要。蛋白质聚集体或簇在PM表面上的横向扩散在控制其非均匀表面分布中起着重要作用。然而,蛋白质聚集体的表面分布的稳定性行为仍然知之甚少。因此,了解的空间模式,可以出现在PM上只通过蛋白质相互作用,横向扩散,和反馈是一个重要的一步,对背后的蛋白质聚集在细胞表面的机制的完整描述。在这项工作中,我们调查的图案形成的反应扩散模型,描述了配体-受体复合物的系统的动力学。胞质溶胶中的纯扩散配体可以结合PM中的受体,并且所得的配体-受体复合物不仅横向扩散,而且还可以形成导致不同寡聚体的簇。最后,最大的寡聚体在正反馈中从胞质溶胶中募集配体。从方法论的角度来看,我们提供的扩散驱动的不稳定性的蛋白质聚集体的图灵机制的基础上的理论估计。我们的主要结果是一个阈值现象,其中一个足够高的招聘配体促进新的单体成分的输入,从而驱动形成一个单一的补丁空间异质稳态。
2019-08-14 math.AP q-bio.SC
The plasticity of TGF-beta signaling
TGF β配体家族很大,其成员参与许多不同的信号传导过程。这些信号传导过程在类型上有很大不同,其中TGFb配体引发持续或短暂的应答。TGFb家族的成员也可以充当形态发生剂,然后预期细胞应答将提供细胞外配体浓度的直接读出。我们有兴趣定义一组最小的修改,需要改变TGF β信号网络中的信号处理类型。为了定义信号可塑性的关键方面,我们专注于TGFb信号网络的核心。在参数筛选的帮助下,我们确定了动力学参数和蛋白质浓度的范围,这些参数和蛋白质浓度引起对恒定刺激的瞬时、持续或振荡响应,以及能够对随时间变化的配体浓度进行成比例响应的那些参数范围(如在形态发生素的读出中所预期的)。强烈的负反馈和快速穿梭到细胞核的组合使信号传导偏向于瞬时而不是持续的响应,而如果配体与受体的结合较弱并且I-Smad的翻转较快,则获得振荡。成比例的读出除了需要低亲和力的受体-配体结合之外,还需要低效的受体活化。我们发现,有针对性的修改单个参数足以改变响应类型。TGFb通路的结构使得所观察到的信号传导可塑性成为可能。在不同细胞类型和不同条件下观察到的对TGF β配体的信号传导输出范围可以用细胞蛋白浓度的差异和由于与其他信号通路的串扰引起的有效速率常数的变化来解释。
2011-11-02 q-bio.MN q-bio.SC
Bidirectional allostery mechanism of catch-bond effect in cell adhesion
捕获键,其中非共价配体-受体相互作用被张力反直觉地加强,在机械应力下的细胞粘附中起主要作用。捕获键形成的一个基本先决条件是力诱导的配体结合界面的重塑发生在键断裂之前。然而,受体蛋白利用什么策略来满足这种特定的动力学控制仍然不清楚,使得捕获键的机制理解是一个悬而未决的问题。本文报道了透明质酸受体CD 44的捕获键的双向变构机制,该受体负责淋巴细胞和循环肿瘤细胞的滚动粘附。配体HA的结合变构地降低了用于解锁另外稳定折叠的力感测元件(即,前向变构),使得小得多的张力可以在键断裂之前通过后向变构偶联触发受体蛋白质的构象转换到高结合强度状态。原子分子动力学模拟进一步支持了前向变构效应。这种双向变构机制实现了捕获键所需的特定动力学控制,并且可能在细胞粘附中被普遍利用。我们还发现了一个滑动-捕获-滑动三相模式的力响应的CD 44-HA键所产生的力诱导的重新分配的平行解离途径。确定了形成捕获键的受体蛋白质的基本热力学和动力学特征。
2023-03-08 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Cell-Type-Specific Differences in KDEL Receptor Clustering in Mammalian Cells
在真核细胞中,KDEL受体(KDELRs)促进内质网(ER)腔蛋白从高尔基体区室回到ER。除了有据可查的保留功能之外,最近的研究结果表明,细胞KDELRs具有更复杂的作用,例如在细胞信号传导、蛋白质分泌、细胞粘附和肿瘤发生中。此外,一些研究表明,KDELR的亚群位于细胞表面,在K/HDEL-配体结合后,它们可以在细胞表面形成并内化KDELR/货物簇。然而,到目前为止,还不清楚是否有细胞类型或物种特异性差异KDELR聚类。通过活细胞成像比较不同小鼠和人细胞系中配体诱导的KDELR聚类,我们表明来自两个物种的巨噬细胞系不形成任何聚类。使用RT-qPCR实验和数值分析,我们解决的作用KDELR的表达,以及胞吞和胞吐率的受体聚集在质膜上,并讨论如何直接运输到首选的对接网站上的膜的效率影响指数的幂律分布的集群大小。
2020-01-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Models of dynamic extraction of lipid tethers from cell membranes
当与完整的膜受体结合的配体被拉动时,膜和下面的细胞骨架可以在膜从细胞骨架脱层或配体从受体分离之前变形。如果膜从细胞骨架脱层,它可能会被进一步挤压并形成膜系链。我们开发了一个现象学模型,这个过程假设变形服从胡克定律的临界力,在该临界力下,细胞膜局部脱离细胞骨架和膜系链的形式。我们计算系绳形成的概率,并表明,它们只能在一个中间范围内的力加载速率和拉速度被挤出。计算配体脱离时产生的平均系链长度,以及产生最长系链的力加载速率和牵拉速度。
2010-02-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC