Distribution of lifetimes of kinetochore-microtubule attachments: interplay of energy landscape, molecular motors and microtubule (de-)polymerization
在一个细胞分裂成两个子细胞之前,染色体进行复制,导致两个姐妹染色体相互拥抱。每个姐妹染色体都与一个单独的蛋白质结构结合,称为动粒(kt),它捕获了一个丝状蛋白质的尖端,称为微管(MT)。两个方向相反的MT拉动附着在两个姐妹染色体上的两个KT,从而将两个姐妹染色体彼此拉开。在这里,我们从理论上研究一个更简单的系统,即一个孤立的KT耦合到一个单一的MT,该系统模拟了{ \it在体外}实验,其中一个单一的kt-MT附件使用从芽殖酵母纯化提取物重建。我们的模型不仅解释了实验观察到的kt-MT耦合的“捕获键样”行为,而且还对附件的寿命的概率分布做出了新的预测。原则上,我们的新预测可以通过分析{ \it in-vitro}实验中收集的数据进行测试,前提是实验重复足够多的次数。我们的理论提供了一个深刻的洞察到(a)大小,(b)能量学,和(c)随机动力学的kt-MT耦合对这些附件的寿命分布的影响。
2014-03-24 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Binding and segregation of proteins in membrane adhesion: Theory, modelling, and simulations
生物膜的粘附是由膜锚定受体和配体蛋白的结合介导的。只有当并置膜之间的间隔足够接近蛋白质复合物的长度时,蛋白质才能结合,这导致蛋白质结合和膜形状之间的相互作用。在这篇文章中,我们回顾了目前的生物膜粘附模型和新的见解从模型中获得。生物膜粘附的弹性膜和粗粒分子模型的理论和模拟表明,膜粘附中蛋白质的结合强烈依赖于纳米级的形状波动的并列膜,这导致结合协同性。蛋白质复合物之间的长度错配导致由膜弯曲引起的排斥相互作用,并在膜粘附期间充当蛋白质基于长度的分离的驱动力。
2019-11-21 physics.bio-ph q-bio.SC
Can entropy save bacteria?
本文提出了一个物理生物学的方法来了解组织和分离的细菌染色体。作者使用了一个“活塞”的细胞中的细菌染色体的类比,这导致了一个相图的组织限制在一个封闭的几何形状,其特征在于两个长度尺度(长度和宽度)的两个无热链。当应用于大肠杆菌等杆状细菌时,该相图预测,尽管受到强限制,复制的染色体仍将分层,即,存在染色体分离的原始物理驱动力。作者用同心壳模型讨论了复制染色体的分离,该模型预测在复制过程中,新合成的DNA将在染色体的外围被发现。与染色体相反,这些结果表明,大多数质粒将随机分布在细胞内,因为它们的小尺寸。因此,需要一种主动分配系统来精确分离低拷贝数质粒。这些结果的影响也概述,例如,关于蛋白质的作用,不同形状细菌的分离机制,人工细胞的细胞周期和进化。
2008-08-29 q-bio.BM q-bio.SC
Thermodynamic pathways to genome spatial organization in the cell nucleus
真核生物基因组的结构以高度的空间组织为特征。染色体占据与它们的活动状态相关的优选区域,然而,取代它们的基因以复杂的模式与远程位点相互作用,需要大量的DNA基因座和分子调节剂的协调。这一组织绝非随意成立,它发挥着至关重要的职能作用,但其管理原则仍然难以捉摸。通过计算机模拟的统计力学模型,我们展示了如何建筑图案自发产生的可溶性结合分子和染色体之间的物理相互作用,通过集体热力学机制。染色体共定位,环和领土的形式,并找到它们的相对位置作为稳定的热力学状态。这些通过“热力学开关”来选择,所述热力学开关由可溶性介质的浓度/亲和力以及它们沿染色体的附着位点的数量/位置来调节。因此,我们的“热力学开关模型”的核结构,解释了如何众所周知的细胞策略的DNA结合蛋白的上调或染色质结构的修改可以动态地塑造组织的细胞核的定量基础上。
2009-10-14 q-bio.GN q-bio.SC
Stochastic modelling of collective motor protein transport through a crossing of microtubules
真核细胞中的细胞骨架起着几个至关重要的作用。在细胞内运输方面,马达蛋白使用细胞骨架丝作为骨架,它们可以沿着骨架主动运输生物货物,例如携带生化反应物的囊泡。这些细丝之间的交叉是一个关键因素,因为它们可能改变这种有效载荷的目的地。虽然已知马达蛋白在这样的交叉点上表现出丰富的行为,但后者迄今为止仅被建模为简单的分支点。在这里,我们探讨了一个模型,两个微管之间的交叉保留的个人轨道组成的原丝,我们构建了一个示意图表示的运输路径。我们研究集体运输例示的完全不对称的简单排斥过程(TASEP),并提供了一个全面的分析的运输功能和相关的相图,通过一个通用的平均场的方法,我们确认通过基于粒子的随机模拟。特别是,我们表明,通过这样一个复合交叉运输不能近似从一个简单的分支点粗粒度的结构。相反,它产生了全新的和违反直觉的特征:交通流的基本电流密度关系不再是单值函数,而且根据它是在交叉口的上游还是下游观察到的而有所不同。我们认为,这些新的功能可能是直接相关的解释实验测量。
2020-06-18 physics.bio-ph q-bio.SC
Single-molecule observation of DNA replication repair pathways in E. coli
许多抗生素的作用方法是干扰DNA复制-喹诺酮类药物将DNA促旋酶和拓扑异构酶蛋白捕获到DNA上,而甲硝唑导致DNA单链和双链断裂。为了了解细菌对这些药物的反应,重要的是要了解DNA复制受阻时所使用的修复过程。我们已经使用插入到染色体中的串联lac操纵子,其与荧光标记的lac阻遏物结合,作为在E.杆菌我们已经使用双色,交替激光,单分子窄场显微镜定量的操作员在块的量,同时图像荧光标记的DNA聚合酶。我们期望使用这个系统作为一个定量平台,研究复制停滞和修复蛋白。
2016-05-25 q-bio.SC
Quantifying the role of chaperones in protein translocation by computational modelling
分子伴侣Hsp70在细胞质蛋白进入细胞器的过程中起着核心作用,通过从细胞器内部结合它们来驱动它们的易位。从实验确定的结构的\textit{E. coli} HSP 70开始,我们计算,通过分子模拟,有效的自由能谱底物易位后伴侣结合。然后,我们使用由此产生的自由能定量表征进口过程的动力学,其与无辅助转运的比较突出了Hsp70在进口细胞质蛋白中所起的重要作用。
2014-11-25 q-bio.BM q-bio.SC
Modelling the effect of ribosome mobility on the rate of protein synthesis
翻译是蛋白质合成的主要步骤之一。它由核糖体组成,将mRNA上编码的核苷酸序列翻译成氨基酸的多肽序列。与mRNA结合的核糖体单向移动,而未结合的核糖体在细胞质中扩散。据推测,核糖体的有限扩散在核糖体循环中起着重要作用,mRNA环化提高了翻译效率。为了估计细胞质扩散对翻译速率的影响,我们考虑耦合到有限扩散库的完全不对称简单排斥过程(TASEP),我们称之为具有扩散的核糖体运输模型(RTD)。在这个模型中,我们推导出蛋白质合成速率作为核糖体的扩散常数的函数的解析表达式,这与连续时间蒙特卡罗模拟的结果相印证。使用广泛的生物相关参数,我们得出结论,生物细胞中的扩散足够快,因此它在控制翻译起始速率方面不起作用。
2022-01-17 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Target Location by DNA-Binding Proteins: Effects of Roadblocks and DNA Looping
易化扩散模型描述了DNA结合蛋白(如转录因子(TF))如何通过结合细胞质中的3D扩散和沿非特异性DNA序列的1D滑动来找到其染色体靶点。特异性结合位点附近的冗余1D扩散扩展了靶尺寸并有助于靶定位。虽然该模型成功地预测了试管中测量的动力学,但它尚未扩展到活细胞中高度拥挤的环境。在这里,我们研究了部分占据细菌染色体的其他DNA结合蛋白的作用。我们展示了它们如何减慢搜索过程,主要是通过限制目标附近的滑动。这意味着增加总的DNA结合蛋白浓度将在减少搜索时间方面具有边际效应,因为任何额外的蛋白质将限制彼此的搜索过程。虽然其他蛋白质的存在阻止了侧翼DNA的滑动,但DNA成环提供了一种有效地从相邻位点转移到靶标的替代途径。我们提出,当循环比初始搜索过程快时,辅助结合位点进一步扩展有效靶区域,从而促进靶定位。
2008-09-05 q-bio.QM q-bio.SC
Modelling Diffuse Subcellular Protein Structures as Dynamic Social Networks
荧光显微镜已经产生了令人印象深刻的定量模型,并从更丰富的生物医学图像中获得了新的见解。然而,有一个严格的和既定的生物成像策略,如线粒体或肌动蛋白的扩散,亚细胞成分的时空行为建模缺乏。在许多情况下,这些结构通过手工或其他半定量测量进行评估。我们建议建立描述性和动态模型的弥漫性亚细胞形态,使用线粒体蛋白质模式的宫颈上皮细胞(HeLa)。我们开发了一个参数表示的模式作为一个混合的概率质量。这种混合物随着时间的推移反复扰动,以适应亚细胞结构的演变时空行为。我们将产生的轨迹转换成一系列的图形拉普拉斯算子,正式定义一个动态网络。最后,我们展示了如何图论分析的轨迹产生生物意义的量化的结构。
2019-04-17 q-bio.SC
Modelling the Establishment of PAR Protein Polarity in the One-Cell C. elegans Embryo
在单细胞阶段,C. elegans胚胎沿前后轴极化。PAR蛋白在细胞骨架重排驱动的动态过程中形成互补的前部和后部结构域。最初,PAR蛋白均匀分布在整个胚胎中。在受精的提示下,皮层肌动球蛋白向前极收缩。PAR-3/PAR-6/PKC-3(前部PAR蛋白)仅限于前部皮质。PAR-1和PAR-2(后部PAR蛋白)在后部皮质区域富集。我们提出了一个数学模型的极性建立过程中,我们采取了一种新的方法,结合反应扩散动力学的PAR蛋白耦合到一个简单的模型肌动球蛋白收缩。我们表明,PAR蛋白之间已知的相互作用足以解释野生型和突变胚胎中观察到的皮质PAR动态的许多方面。然而,细胞质PAR蛋白的极性,这是至关重要的子细胞产生不同的分子成分,不能在这样一个框架内得到适当的解释。因此,我们考虑额外的机制,可以重现适当的细胞质极性。特别是我们预测,在细胞质中的细胞骨架的不对称性,除了皮质肌动球蛋白的不对称性,是一个重要的决定因素PAR蛋白定位。
2008-11-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Kinesin-12 KLP-18 contributes to the kinetochore-microtubule poleward flux during the metaphase of C. elegans one-cell embryo
该研究在线虫胚胎中发现仅着丝粒微管存在局部极向通量,由KLP-18驱动滑动,并受着丝粒调节因子调控,与整体通量机制不同。
2025-07-09 q-bio.SC
Modelling cargo transport in crowded environments: effect of motor association to cargos
本文建立货物动力学模型研究拥挤环境中马达与货物结合的影响,发现结合与拥挤的竞争效应导致运行长度随自由马达密度出现峰值,该特征由转移矩阵的最大特征值决定,且与实验观察一致。
2023-07-03 physics.bio-ph q-bio.SC
Stochastic modeling of auto-regulatory genetic feedback loops: a review and comparative study
自动调节反馈环是最常见的网络模体之一。已经构建了各种各样的随机模型,以了解这些环中蛋白质数量的波动如何受到主要生化步骤的动力学参数的影响。这些模型的不同之处在于:(i)明确模拟了哪些亚细胞过程;(ii)采用的建模方法(离散、连续或混合);(iii)它们是否可以解析求解蛋白质数量的稳态分布。我们讨论了文献中的主要模型的假设和属性,总结了我们目前对它们之间关系的理解,并强调了通过建模获得的一些见解。
2019-10-20 q-bio.MN q-bio.SC
Dynamics of protein-protein encounter: a Langevin equation approach with reaction patches
我们研究了蛋白质-蛋白质相遇复合物的形成与朗之万方程的方法,认为直接,空间和热力学。作为具有明显不同性质的三个模型系统,我们考虑对芽孢杆菌RNA酶:芽孢杆菌RNA酶抑制剂,细胞色素c:细胞色素c过氧化物酶和p53:MDM 2。在每种情况下,蛋白质被建模为球形颗粒,偶极球或具有一个偶极的几个小珠的集合。根据蛋白质复合物的已知实验结构,在模型蛋白质上放置球形反应斑。在计算机模拟中,通过改变盒子的大小来改变浓度。相遇被定义为反应斑的重叠,并记录相应的首次通过时间以及相遇前不成功接触的次数。我们发现,遇到频率与蛋白质浓度呈线性关系,从而证明我们的微观模型导致一个定义良好的宏观遇到率。遭遇前的不成功接触的数量随着遭遇率的增加而减少,范围从20-9000。对于所有这三个模型,遇到率在一个数量级的实验测得的关联率。静电转向增强联想高达50倍。如果扩散相遇占主导地位(p53:MDM 2)或与静电转向(barnase:barstar)同样重要,则相遇率随斑块半径的减小而减小。更详细的蛋白质形状建模将遭遇率降低5- 95%。我们的研究显示了蛋白质-蛋白质缔合的一般原则是如何被所考虑的系统的分子特征所调制的。此外,它使我们能够评估不同的粗粒化策略,为未来的大型蛋白质复合物的动力学建模。
2008-09-17 q-bio.BM q-bio.SC
Opportunities for multiscale computational modelling of serotonergic drug effects in Alzheimer's disease
阿尔茨海默病(AD)是一种年龄特异性神经退行性疾病,其损害认知功能并影响个体的生活质量。在病理学上,AD的特征在于β-淀粉样蛋白(A $β$)和过度磷酸化的tau蛋白的异常积累。尽管过去几十年来研究取得了进展,但目前仍然没有治愈AD的方法。虽然有药物可以控制一些行为症状和减缓疾病的进展,但大多数处方药都是基于胆碱酯酶抑制剂。在过去的十年中,人们越来越关注靶向替代神经递质通路的新型药物,特别是靶向多巴胺能(5-HT)系统的药物。本文综述了5-HT受体(5-HTR)介导的信号传导和靶向这些受体的药物。这些途径调节与AD中A $β$和tau的异常水平相关的关键蛋白质和激酶,例如GSK-3。然后,我们回顾了与5-HT信号通路相关的计算研究,这些研究有可能为AD病理学提供更深入的了解。特别是,我们认为,多尺度和多层次的建模方法可能会提供新的见解AD机制,并朝着发现新的5-HTR为基础的治疗靶点。
2020-05-27 q-bio.MN q-bio.NC q-bio.SC