Cell-to-Cell stochastic fluctuations in apoptotic signaling can decide between life and death
细胞凋亡,或遗传程序性细胞死亡,是维持细胞生死平衡的关键细胞过程。细胞凋亡信号传导的精确分子机制以及这两种途径在不同的细胞凋亡刺激下如何被差异激活还知之甚少。我们开发了一个基于蒙特卡罗的随机模拟模型,可以使用一种新的基于概率分布的方法来表征凋亡信号传导的两个主要途径中的不同信号传导行为。具体而言,我们表明,对于弱的死亡信号,如低水平的死亡配体Fas(CD 95)结合或在应激条件下,2型线粒体途径占主导地位的凋亡信号。我们的研究结果还表明,2型途径中的信号传导是随机的,其中许多细胞的群体平均值在下游caspase-3激活的时间过程(约1 - 10小时)中没有捕获细胞间的波动。相反,线粒体途径的caspase-3激活的概率分布显示出独特的双峰行为,可用于表征2型细胞凋亡中的随机信号传导。有趣的是,即使在大量信号分子存在的情况下,凋亡信号的这种随机波动也会发生。在波动的环境中,caspase-3激活时程的这种随机性可能是一种适应性机制,允许竞争性生存信号在做出关键细胞命运决定之前战胜弱死亡触发,从而最大限度地降低病理风险。
2007-07-11 physics.bio-ph physics.med-ph q-bio.MN
Slow fluctuations shape cell signaling near a bifurcation in embryonic stem cells
Instituto de Investigación en Biomedicina de Buenos Aires (IBioBA) – CONICET(布宜诺斯艾利斯生物医学研究所);Partner Institute of the Max Planck Society(马普学会合作所);Research and Technology Institute, AREA Science Park(AREA科学园研究与技术研究所);Department of Systemic Cell Biology, Max Planck Institute for Molecular Physiology(马克斯·普朗克分子生理学生态细胞生物学系);Leiden Academic Centre for Drug Research, Leiden University(莱顿大学莱顿药物研究学术中心)
本研究提出鞍结分岔极简模型,揭示慢涨落与噪声调节胚胎干细胞在分岔附近的兴奋与振荡状态转换,提出细胞信号传导多功能性的一般原则。
2026-09-09 nlin.AO physics.bio-ph q-bio.MN
Cellular signaling networks function as generalized Wiener-Kolmogorov filters to suppress noise
细胞信号传导涉及通过随机生化反应的级联来传递环境信息,不可避免地引入损害信号保真度的噪声。级联反应的每个阶段通常以激酶-磷酸酶推拉网络的形式出现,这是信号通路的基本单位,其功能障碍与许多癌症有关。我们发现这种无处不在的酶网络模体有效地表现为维纳-柯尔莫哥洛夫(WK)最优噪声滤波器。使用概念的影演算,我们推广的线性WK理论,最初介绍了在通信和控制工程的背景下,考虑到非线性信号转导和离散分子群体。这使我们能够得到严格的约束,有效地降低噪音,在这个生化系统。我们的数学形式主义产生的情况下,重要的细胞功能的过滤器性能的界限-像超敏感的刺激反应。我们强调了与优化过滤器效率相关的系统功能,编码在一个单一的,可测量的,无量纲的参数中。我们的理论,它描述了在一个大类的信号转导网络的噪声控制,也是有用的合成生化信号通路的设计,并通过实验探针,如振荡输入的路径的操作。
2014-08-19 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Physical limits to biochemical signaling
许多重要的生物过程都是在数量少得令人惊讶的分子中进行的,人们对分析与这些小数量相关的噪声的影响重新产生了兴趣。25年前,Berg和Purcell证明细菌的趋化性,即单细胞生物必须对细胞外化学物质浓度的微小变化做出反应,直接受到分子计数噪音的限制,并且必须选择细菌的行为和计算策略的各个方面以最大限度地减少这种噪音的影响。在这里,我们重新审视和概括他们的论点,以估计细胞内信号传导过程的物理限制,并认为最近的实验与接近这些限制的性能是一致的。
2003-01-01 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio
Contact-mediated signaling enables disorder-driven transitions in cellular assemblies
我们发现,当细胞通过接触介导的相互作用进行通信时,细胞形状和大小的异质性导致组织中定性不同的集体行为。对于实现侧抑制的细胞间偶联,这种紊乱驱动的转变可以通过改变邻域几何结构来调节分化细胞的命运选择,从而实质上改变分化细胞的渐近模式。此外,当接触引起的信号影响固有的细胞振荡,无序导致出现功能相关的部分有序的动力学状态。
2022-01-17 nlin.AO physics.bio-ph q-bio.TO
Monte Carlo study elucidates the type 1/type 2 choice in apoptotic death signaling in normal and cancer cells
凋亡性细胞死亡通过两种不同的(1型和2型)细胞内信号通路协调。如何进行1型/2型选择仍然是细胞凋亡生物学中的一个基本问题,并对细胞凋亡相关疾病和治疗具有意义。我们研究的问题,1型/2型的选择,在硅片利用动力学蒙特卡罗模型的细胞死亡信号。我们的研究结果表明,1型/2型选择与确定性与随机性细胞死亡激活,阐明了一个独特的调节控制的凋亡途径。与以前的研究结果一致,我们的研究结果表明,半胱天冬酶8的激活水平是一个关键的调节器之间的选择确定性1型和随机2型途径,无论细胞类型。下游信号分子的表达水平也调节1型/2型选择。DISC聚类的简化模型阐明了在对死亡受体活化具有增加的敏感性的癌细胞中增加的活性半胱天冬酶8产生和1型活化的机制。我们证明了1型途径的快速确定性激活可以选择性地靶向这些癌细胞,特别是如果XIAP也被抑制;而固有的细胞间变异性将允许正常细胞受到保护。
2013-09-09 physics.bio-ph q-bio.MN
How accurately must cells measure the concentrations of signaling molecules?
与生物体相关的信息通常由细胞内特定分子的浓度表示。作为外部观察者,我们现在可以精确地测量这些浓度,但细胞自身的机制必须更具噪音。我们表明,在一定的限制,有一个普遍的权衡这些浓度测量的信息容量和捕获的相关信息量,信息瓶颈问题的一个版本。这一普遍的权衡证实,定量,在发育中的苍蝇胚胎的间隙基因编码的位置信息的分析。
2022-12-23 physics.bio-ph q-bio.MN
Robust boundary formation in a morphogen gradient via cell-cell signaling
在空间基因表达模式中建立清晰和正确定位的边界是发育生物学和合成生物学的中心任务。我们考虑的情况下,全球形态梯度提供位置信息的细胞,但不足以确保所需的边界精度,由于系统中的不同类型的噪声。在一个概念模型中,我们定量地比较了三种机制,它们将全局信号与相邻细胞之间的局部信号相结合,以增强边界形成过程。这些机制的不同之处在于它们组合信号的方式,遵循AND、OR或SUM规则。在我们的模型中,我们分析了边界形成过程的动力学,以及由此产生的边界的未来。此外,我们考虑的边界位置的可调性,其缩放系统的大小。我们发现,所有这三种机制产生的模糊边界比纯粹的基于梯度的参考机制,即使在高噪声的本地信号相对于噪声的全局信号的政权。在这三种机制中,SUM规则产生最准确的边界。然而,与其他两种机制相比,它需要噪声退出亚稳态并迅速到达稳定的边界模式。
2022-06-08 physics.bio-ph
Optimal temporal patterns for dynamical cellular signaling
细胞使用时间动态模式通过信号通路传递信息。由于相对于环境的最优性在生物系统中起着重要作用,生物体已经进化出了传递信息的最佳方式。在这里,我们使用最优控制理论来获得最优信息传输的动态信号模式,在效率(低能量)和可靠性(低不确定性)方面。采用激活-去激活解码网络,我们再现了几个动态模式中发现的实际信号,如陡峭,渐进,和过冲动态。值得注意的是,当最小化输入信号的能量时,最佳信号表现出过冲,这是具有瞬态和稳态相位的双相模式;这种模式在实际动态模式中普遍存在。我们还确定了这三种模式(陡峭,渐进和过冲)赋予优势的条件。我们的研究表明,细胞信号转导的自由能量耗散和不确定性最小化的原则,这些约束作为选择性压力时,设计动态信号模式。
2016-10-30 physics.bio-ph q-bio.MN
Network modules help the identification of key transport routes, signaling pathways in cellular and other networks
复杂系统通过网络概念被成功地简化为相互作用的元素。传输在网络的生存中起着关键作用。例如,蜂窝网络的专用信令级联过滤噪声并有效地使网络结构适应新的刺激。然而,我们对复杂系统中的转运机制和信号通路的一般理解仍然有限。在这里,我们总结了参与运输的关键网络结构,列出了超载系统的解决方案,以放松其负载,并概述了一种可能的方法,用于计算确定的信号通路。我们强调,除了集线器,桥梁和网络骨架,重叠的模块化结构也是必不可少的网络传输。此外,通过在重叠网络模块的空间中定位网络元件并评估它们在该“模块空间”中的距离,可以计算地近似信令路径,这进而可以用于复杂系统的信令路径的识别。我们的模型可能适用于广泛的领域,包括交通管制或药物设计。
2010-10-02 physics.bio-ph q-bio.MN
Fundamental limits to collective concentration sensing in cell populations
当细胞通信时,浓度传感的精度得到提高。在这里,我们得出的物理限制,浓度传感的细胞,沟通在短距离内直接交换小分子(acetacrine信号),或在较长的距离,通过分泌和传感扩散信使分子(自分泌信号)。在后一种情况下,我们发现,最佳的细胞间隔可以很大,由于保持通信强度和减少信号互相关之间的权衡。这导致了令人惊讶的结果,即对于足够大的群体,自分泌信号传导允许比阿曲他克林信号传导更精确的感测。我们将我们的结果与来自各种通信细胞类型的数据进行比较。
2017-03-07 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.TO
Affinity Discrimination in B cells in Response to Membrane Antigen Requires Kinetic Proofreading
B细胞对抗原的信号传导与抗原亲和力成比例,这一过程称为亲和力辨别。最近的研究表明,B细胞可以在抗原呈递细胞(APC)表面以膜结合形式获得抗原,在B细胞/APC接触的几秒钟内启动信号传导。在B细胞/APC接触的最早阶段,B细胞表面突起上的B细胞受体(BCR)与APC表面上的抗原结合,并形成10-100个BCR/抗原复合物的微簇。在这项研究中,我们使用计算建模表明,在BCR-抗原微簇水平的B细胞亲和力歧视需要一个阈值抗原结合时间,以类似于动力学校对的方式。我们发现,如果BCR分子在结合抗原后立即具有信号传导能力,则由于koff降低而导致键寿命增加,从而导致串联接合损失。这导致随着亲和力增加,信号强度降低。抗原在BCR变得能够发出信号之前保持与BCR结合的阈值时间有利于高亲和力BCR-抗原键,因为这些长寿命键可以比低亲和力键更好地满足阈值时间要求。约10秒的阈值抗原结合时间导致具有亲和力的信号传导单调增加,复制了在B细胞活化实验中观察到的亲和力辨别模式。该时间与实验观察到的BCR信号传导结构域经历导致与Syk缔合的抗原和脂筏介导的构象变化所需的时间(约20秒)匹配良好(在数量级内)。
2010-03-06 physics.bio-ph q-bio.CB
Flags, Landscapes and Signaling: Contact-mediated inter-cellular interactions enable plasticity in fate determination driven by positional information
多细胞生物表现出高度的结构组织,特定的细胞类型总是出现在特征位置。传统的框架来描述这种一致的空间格局的出现是由沃尔珀特的“法国国旗”范式。根据这一观点,细胞内遗传调控机制使用形态发生素浓度梯度提供的位置信息来差异表达不同的命运,从而导致分化细胞的特征模式。然而,最近的实验表明,细胞间相互作用的抑制可以改变这些空间模式,这表明细胞命运并不完全由局部形态原浓度对基因表达的调节决定。使用一个明确的模型,相邻的细胞沟通的Notch信号,我们提供了一个机械的描述如何接触介导的相互作用,使信息从细胞环境中被纳入细胞命运的决定。观察细胞分化的轨迹沿表观遗传景观(首先阐述了沃丁顿),我们的研究结果表明,景观的轮廓塑造不同的细胞位置依赖的方式,不仅由形态发生提供的全球信号,但也通过局部环境,通过细胞-细胞相互作用。我们表明,我们的研究结果是强大的不同的选择之间的耦合细胞间的信号装置和细胞内的基因调控动力学。事实上,我们表明,即使在抽象的自旋模型中也可以观察到广泛的特征。我们的工作调和相互作用介导的自组织模式的形成与边界组织的机制,涉及打破对称性的信号。
2022-02-11 nlin.PS physics.bio-ph q-bio.TO
Learning of signaling networks: molecular mechanisms
神经元学习的分子过程已被充分描述。然而,非神经元细胞的学习机制尚未在分子水平上完全理解。在这里,我们讨论细胞学习的分子机制,包括内在无序蛋白和朊病毒的构象记忆,信号级联,蛋白质易位,RNA(microRNA和lncRNA),和染色质记忆。我们假设这些过程构成了信号网络的学习,并对应于单个非神经元细胞的广义赫布学习过程,并讨论了细胞学习如何在药物设计中开辟新的方向,并激发新的人工智能方法。
2020-03-17 cs.NE nlin.AO physics.bio-ph
Signal focusing through active transport
针对分子热扩散限制生化受体传感精度的问题,提出通过分子马达主动运输将信号分子定向递送至受体扩散距离内的“主动聚焦”机制,有效降低计数噪声相关时间并提升传感精度。
2015-01-13 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
From Intracellular Signaling to Population Oscillations: Bridging Scales in Collective Behavior
细胞群体中的集体行为由单个细胞内的生化信号网络协调。由于网络的复杂性和我们对动力学参数的有限了解,将这些细胞内网络的动力学与它们控制的群体现象联系起来构成了相当大的挑战。然而,从物理系统中我们知道,集体行为系统中个体成分的行为变化发生在有限数量的定义明确的类中,这些可以用简单的模型来描述。在这里,我们应用这样一种方法来出现集体振荡的社会阿米巴Dictyosteelium discoideum的细胞群体。通过对我们的模型进行直接测试,对单细胞和群体信号动力学进行定量体内测量,我们展示了一个简单的模型如何有效地描述复杂的分子信号网络及其在多个大小和时间尺度上的影响。该模型预测了新的噪声驱动的单细胞和群体水平的信号传导现象,我们然后实验观察。我们的研究结果表明,就像物理系统一样,生物学中的集体行为可能是普遍的,可以用简单的数学模型来描述。
2014-06-25 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.MN
Qualitatively Distinct Signaling in Cells: The Informational Landscape of Amplitude and Frequency Encoding
本文研究了细胞信号传导中振幅与频率编码的信息传输能力差异,指出频率编码因具有尺度不变判别能力而能在更宽范围内可靠传输信息,两种策略的组合可扩大可靠判别刺激强度的跨度。
2024-08-25 physics.bio-ph q-bio.CB
Signaling oscillations: molecular mechanisms and functional roles
越来越多的证据表明,振荡活动广泛存在于细胞信号转导中。在这里,我们回顾了一些最近的证据,集中在潜在的这种动力学行为的基础上的分子机制,和信号振荡可能在细胞功能的潜在优势。所考虑的生物过程包括组织维持、胚胎发育和伤口愈合。借助数学建模,我们表明,一个共同的原则,即延迟负反馈,支持这种广泛的各种现象。
2022-04-14 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.MN
Interstitial flow potentiates TGF-$β$/Smad-signaling activity in lung cancer spheroids in a 3D-microfluidic chip
本研究利用3D微流控芯片结合实时成像,证实了间质流能增强外源性TGF-$β$诱导的A549肺癌球体Smad信号传导活性和细胞运动性,为研究肿瘤微环境中的侵袭机制提供了有力工具。
2023-11-23 physics.bio-ph
Global cell-cell communication enables spatial segregation of cells in organoids of the inner cell mass
在发育过程中,细胞命运通过细胞内转录调节和细胞外信号传导的组合来确定。结果,不同细胞类型的空间模式出现。我们研究了小鼠植入前胚胎内细胞团中上胚层细胞和原始内胚层细胞之间的决定。我们的计算模型使用全局细胞信号转导的模式形成。通过改变信号分散,可以产生从棋盘到吞没图案的细胞类型排列。对相关函数提供了表征模型输出的非常合适的方法。有了这些,我们建立了内细胞团类器官的模拟结果和实验数据之间的定量比较。我们达成了惊人的协议。因此,我们的模型证明了其复制细胞分化模式的能力,使得全局信号传导成为解释植入前胚胎中模式形成的有力竞争者。
2021-11-02 math.DS physics.bio-ph q-bio.CB
Discrimination of Membrane Antigen Affinity by B cells Requires Dominance of Kinetic Proofreading over Serial Triggering
B细胞受体(BCR)信号响应膜结合抗原增加与抗原亲和力,一个过程称为亲和力歧视。我们使用计算模型表明,B细胞亲和力歧视需要动力学校对占主导地位的串行接合。我们发现,如果BCR分子在结合抗原后立即变得具有信号传导能力,则随着亲和力增加,串联接合的丧失导致亲和力增加的信号传导减弱。在BCR变得具有信号传导能力之前,抗原保持与BCR结合数秒的阈值时间(类似于动力学校正)是克服由于增加抗原亲和力而导致的串联接合损失所需的,并复制B细胞活化实验中观察到的具有亲和力的B细胞信号转导的单调增加。这一发现与实验观察到的BCR信号传导结构域经历导致Src家族激酶募集的抗原和脂筏介导的构象变化所需的时间(约20秒)非常匹配。我们推测抗原结合阈值时间的物理基础可能在于BCR二聚体的形成时间尺度。后者随着亲和力的增加而降低,导致随着亲和力的增加,阈值抗原结合时间更短。这种依赖于亲和力的动力学校正要求导致与在生物学实验中观察到的非常相似的亲和力辨别。B细胞亲和力的歧视是至关重要的亲和力成熟的过程和高亲和力抗体的生产,因此我们的研究结果在这里有重要的应用,如疫苗设计的影响。
2010-12-13 physics.bio-ph q-bio.CB
Spatial heterogeneities shape collective behavior of signaling amoeboid cells
我们提出了新的实验结果斑图形成的信号Dictyosteelium discoideum变形虫在毫米级柱的周期性阵列的存在下。我们观察到同心cAMP波,几乎同步启动的支柱和向外传播。这些波具有比其他发射中心更高的频率,并主导系统动力学。细胞对这些圆形波产生化学反应,并流向柱子,形成反映底层晶格周期性的周期性Voronoi域。我们进行了全面的数值模拟的反应扩散模型,研究的障碍物的边界条件的特点。我们的模拟结果表明,障碍物可以作为波源取决于所施加的边界条件。有趣的是,需要在障碍物周围的cAMP的临界最小积累,以使支柱充当波源。这个临界值在细胞内cAMP的较小产生速率下较低,这可以在我们的实验中使用咖啡因来控制。实验和模拟还表明,在咖啡因的存在下,发射中心的数量减少了,这在我们的系统中对于从柱子发射的圆形波成功地接管动力学是至关重要的。这些结果是至关重要的,以了解在其自然栖息地经历空间异质性的网骨藻细胞的信号转导机制。
2018-04-18 nlin.PS physics.bio-ph q-bio.CB
Adjusting the range of cell-cell communication enables fine-tuning of cell fate patterns from checkerboard to engulfing
在发展过程中,时空格局,从棋盘格吞噬发生精确比例的各自的细胞命运。关键的发育调节因子是细胞内转录相互作用和细胞间信号传导。我们提出了一种基于信号传导的易于分析的数学模型,该模型可靠地生成具有指定比例的不同细胞类型模式。运用统计力学,我们推导了两种细胞类型的细胞命运决定模型。详细的稳态分析所产生的动力系统产生必要的条件,以产生空间异质模式。这允许通过单个模型参数控制细胞类型比例。通过局部和全局信令机制来实现小区与小区之间的通信。这些导致不同的细胞类型模式。最近邻信号产生棋盘图案。增加信号分散,可以产生细胞命运簇和吞噬模式。总之,所提出的模型允许可靠地生成不同种类以及所需比例的异质细胞类型模式。
2022-11-14 math.DS physics.bio-ph q-bio.CB
PolyMorph: Extension of PolyHoop for tissue morphogenesis coupled to chemical signaling
本文介绍轻量级 C++ 程序 PolyMorph,其扩展 PolyHoop,通过有限差分求解器双向耦合细胞力学与多组分化学反应-平流-扩散过程,以亚细胞分辨率模拟多种组织形态发生机制。
2025-03-12 cond-mat.soft physics.bio-ph
Formation of BCR Oligomers Provides a Mechanism for B cell Affinity Discrimination
B细胞在很宽的亲和力范围内遇到抗原。响应于抗原的B细胞信号转导的强度随着亲和力而增加,该过程称为“亲和力辨别”。在这项工作中,我们使用的B细胞表面动力学和信号的计算机模拟表明,亲和歧视可以从BCR寡聚体的形成。已知BCR在遇到抗原时形成寡聚体,并且这些寡聚体的大小和形成速率随着亲和力而增加。在我们的模拟中,我们引入了一个要求,即只有BCR-抗原复合物是寡聚体的一部分,才能参与细胞质信号分子,如Src家族激酶。我们的模拟表明,随着亲和力的增加,不仅收集的抗原数量增加,信号传导活性也增加。我们的结果也与实验观察到的激活阈值亲和力(低于该亲和力值没有信号传导活性)和亲和力辨别上限(高于该亲和力值没有亲和力辨别)的存在一致。与实验的比较表明,我们的模型预测的二聚体形成的时间尺度(小于10秒)是很好的实验观察到的关联BCR与Src家族激酶(10-20秒)的时间尺度内。
2012-02-21 physics.bio-ph q-bio.CB
Morphogen-regulated contact-mediated signaling between cells can drive the transitions underlying body segmentation in vertebrates
本文提出一种统一机制,将受体-配体耦合的细胞间相互作用与形态发生素梯度相结合,再现了脊椎动物体节发生中从同步振荡、行波到活动停止及体节样模式出现的完整动力学转变序列。
2021-09-22 nlin.PS physics.bio-ph q-bio.TO
Trafficking Coordinate Description of Intracellular Transport Control of Signaling Networks
许多细胞网络依赖于其组分的调节转运,以将细胞外信息转化为精确的细胞内信号。这些网络的动力学通常用划分的化学反应来描述。然而,在许多重要的情况下,隔室的性质以一种自然无法用化学反应描述的方式不断变化。在这里,我们开发了一种基于沿着运输坐标的运输的方法来精确描述这些过程,并将其明确应用于TGF-β信号转导网络,该网络在许多疾病和细胞过程中起着重要作用。这种新引入的方法的结果首次准确地捕获了具有和不具有癌症背景的细胞的不同TGF-β信号传导动力学,并提供了一种以密切概括观察到的细胞行为的方式预测化学扰动的影响的途径。
2011-11-17 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.SC
Mechanical and Systems Biology of Cancer
机械和生物化学信号在癌症中通常都是失调的,导致癌细胞表型表现出增加的侵袭性、增殖和存活。细胞骨架组分的动力学和相互作用控制基本的机械性质,如细胞张力、刚度和与细胞外环境的接合,这可导致细胞外基质重塑。细胞内机制可以改变信号和转录因子,影响细胞决策。此外,来自细胞外环境中的可溶性和机械因子的信号传导,例如底物硬度和配体密度,可以调节细胞骨架动力学。与实验支持紧密结合的计算模型,结合癌症特异性参数,可以提供定量评估,并作为预测工具,用于解剖信号传导和机制之间的反馈,以及肿瘤进展中的多个尺度和领域。
2018-07-24 physics.bio-ph q-bio.CB
Emergent memory in cell signaling: Persistent adaptive dynamics in cascades can arise from the diversity of relaxation time-scales
本文通过计算模型揭示MAPK信号级联因组分弛豫速率差异而在刺激撤除后产生持续尖峰和回响,表现出细胞短期记忆,无需反馈或串扰。
2018-01-12 nlin.AO physics.bio-ph q-bio.SC
Chemical and Mechanical Signaling in Epithelial Spreading
我们提出了一个最小的数学模型来解释长距离协调的多个细胞的动态上皮扩散,这可能是诱导,在不同的条件下,由化学信号,或机械应力,或两者兼而有之。该模型是基于化学机械相互作用,包括应力和浓度依赖性牵引的化学效应。结果,显示激酶浓度分布和细胞位移,使我们能够重现两个激活波在实验中观察到的不同的时间尺度上,并区分不同的动态模式下观察到的损伤或不受约束的条件。
2009-11-26 physics.bio-ph q-bio.CB
Statistics of correlated percolation in a bacterial community
长距离信号传播是多细胞群落的普遍特征。在枯草芽孢杆菌的生物膜中,我们最近发现,一些但不是全部的细胞参与了电信号的传播,并且这些细胞的组织方式在统计学上与渗滤理论一致。然而,在这个系统中,渗流理论的两个关键假设被违反。首先,我们发现一个细胞发出信号的概率并不独立于其他细胞,而是与它附近的邻居相关。我们开发了一个机制模型,其中相关的信号出现从细胞分裂,表型遗传,和细胞位移,再现实验结果。其次,我们先前观察到信号细胞的分数不是恒定的,而是从生物膜到生物膜变化。我们使用我们的模型来理解为什么渗透理论仍然是一个有效的描述系统,尽管这两个违反其假设。我们发现,第一违反并没有显着影响的空间统计,我们合理化使用重整化参数。我们发现,第二次违反扩大了渗透阈值附近的信号分数的范围,在该阈值下观察到集群大小的特征幂律统计,与我们以前的实验结果一致。我们验证我们的模型使用突变的生物膜,其信号概率沿传播方向衰减。我们的研究结果确定了相关的呼吸系统的关键统计特征,并证明了它们在多细胞群落中的功能实用性。
2019-06-15 physics.bio-ph
A Computational Model of YAP/TAZ Mechanosensing
在细胞增殖、干细胞分化、化学抗性和组织中,YAP/TAZ的普遍作用继续影响着我们对许多生理和疾病系统的基本理解。YAP/TAZ是一个重要的信号通路,整合了多种机械和生物化学信号,如ECM刚度,粘附配体密度或细胞-细胞接触,从而强烈影响细胞命运。最近的研究表明,YAP/TAZ机械传感依赖于RhoA调节的应力纤维。然而,目前对YAP/TAZ的理解仍然有限,这是由于经典Hippo通路和细胞张力之间的未知相互作用。为了确定关键信号分子在机械信号传感和转导中的作用,我们提出了一个新的计算模型的YAP/TAZ信号通路。该模型通过粘附将ECM机械特性转化为生化信号,并整合了与细胞骨架动力学相关的细胞内信号级联。粘附分子,如FAK,预计救援YAP/TAZ活性在软环境中通过RhoA途径。我们发现,分子浓度的变化导致不同的模式YAP/TAZ刚度响应。我们还研究了YAP/TAZ活性对ECM刚度的敏感性。此外,该模型表明,YAP/TAZ活性之间的机械传感和Hippo途径的未解决的协同效应可以解释LIMK和LATS的相互作用。总的来说,我们的模型提供了一个新的平台,研究YAP/TAZ活动的背景下,整合不同的信号通路。该平台可用于获得关键分子和机械调节剂在发育,组织工程或肿瘤进展中的作用的新的基本见解。
2016-04-12 physics.bio-ph q-bio.SC
Quantifying efficient information transduction of biochemical signaling cascades
细胞可以被认为是利用热力学熵的变化作为信息的系统。因此,它们可以作为研究熵产生和信息传递之间关系的有用模型,即,信号转导基于细胞应用化学反应级联以最有效地转导信息的假设,我们采用了一种编码设计,该设计使用于信息转导的每浓度分子的比特数最小化。因此,在级联反应中,熵产生的平均速率在所有循环中是均匀的。因此,熵产生率可以是用于量化细胞内信号转导的有价值的量度。
2017-03-08 physics.bio-ph q-bio.MN
Optimizing information transmission in optogenetic Wnt signaling
Technische Universiteit Delft(代尔夫特理工大学);University of California, Santa Barbara(加州大学圣塔芭芭拉分校);Integrated Biosciences, Inc.(综合生物科学公司)
研究光遗传学调控Wnt信号路径如何可靠传递外部信号至细胞群体,确定最优编码策略以最大化Wnt信号到基因表达的信息传输。发现通过适当离散编码可超越1比特信息容量,且在低噪声下最优码转为连续码。
2026-01-23 physics.bio-ph q-bio.MN
Optimal Frequency in Second Messenger Signaling Quantifying cAMP Information Transmission in Bacteria
该研究在铜绿假单胞菌中构建光控 cAMP 通道并结合信息论分析,发现约 40 bits/h 的最优信息传输频率及两态时间编码机制。
2024-08-09 physics.bio-ph q-bio.MN
NANOG/GATA6 Interactions Revisited: A Statistical Mechanics Approach towards Cell Fate Decisions
在植入前哺乳动物胚胎中,第二细胞命运决定引入了胚胎和胚胎外前体细胞的空间模式。转录因子NANOG和GATA 6是两种细胞类型的最早标记物,并通过成纤维细胞生长因子信号通路在细胞之间相互作用。计算模型已被用于模拟实验研究中发现的模式和细胞类型比例。然而,这些模型在本质上总是唯象的,缺乏适当的物理解释。我们从统计力学的思想出发,建立了一个细胞命运决定模型。该模型结合了NANOG和GATA 6的细胞内和细胞间相互作用。详细的数学分析所产生的动力系统。我们发现,我们的模型是能够产生两种细胞类型的组织广泛的空间模式。它的优点是揭示在简单的物理和生物学解释的参数和它们的相互作用。在数值模拟中,我们展示了复制棋盘图案的不同细胞类型的比例变化只有一个参数的能力。该系统的严格控制以及易于使用和直接扩展到其他信令类型为继续使用我们的模型提供了坚实的理由。我们相信,我们的方法在细胞命运决定方面提供了一个令人兴奋的视角。此外,这些概念可推广到哺乳动物胚胎以外的细胞信号传导问题。
2021-07-09 math.DS physics.bio-ph q-bio.TO
Noise Filtering and Prediction in Biological Signaling Networks
生物信号电路中的信息传输经常被用噪声过滤器的比喻来描述。细胞系统需要关于其环境条件的准确、实时数据,但传播、放大和处理信号的生化反应网络需要这些数据的噪声表示。生物学必须实施策略,不仅要过滤噪音,还要根据由于化学信号的有限速度而延迟的信息来预测环境的当前状态。生物化学噪声滤波器的想法实际上不仅仅是一个比喻:我们描述了最近的工作,这些工作在细胞电路中的信号保真度与最佳噪声滤波和预测的经典理论之间建立了明确的数学联系,这些理论始于Wiener,Kolmogorov,Shannon和Bode。这个理论框架提供了一个通用的工具,使我们能够推导出分析边界的最大互信息之间的环境信号和实时估计构建的系统。它帮助我们理解生物网络的结构及其组件的响应时间如何影响估计的准确性。该理论还提供了关于进化如何调整酶动力学参数和种群以优化信息传递的见解。
2016-10-04 physics.bio-ph q-bio.MN
Coexistence of trapped and flow-transported nuclei enables fast pigeon post communication across multinucleated cell
Technical University of Munich(慕尼黑工业大学);University of Amsterdam(阿姆斯特丹大学);Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization(马克斯·普朗克动力学与自组织研究所)
研究通过分析Physarum多核细胞中核动态与细胞质流动,发现核在流动与受困状态间切换,从而实现快速跨核通信,其机制超越了传统扩散信号传递。
2026-05-10 physics.bio-ph q-bio.CB