膜受體之間協(xié)同性與信號(hào)傳導(dǎo)的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、同類分子之間通過結(jié)構(gòu)和功能上的相互協(xié)同構(gòu)成的群體可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)分子難以達(dá)到的高級(jí)功能，這是新近發(fā)現(xiàn)的生命系統(tǒng)在信號(hào)傳導(dǎo)過程中所采取的一種策略。在原核細(xì)胞或真核細(xì)胞的細(xì)胞膜上，膜受體經(jīng)常形成有序的二維陣列，這些排列在一起的受體之間存在一定的功能協(xié)同，構(gòu)成了一個(gè)執(zhí)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能的生物系統(tǒng)。研究表明，二維陣列中受體之間的協(xié)同性對(duì)多種生物系統(tǒng)在信號(hào)處理中表現(xiàn)出來的高靈敏性，高特異性和高信號(hào)增益等方面都發(fā)揮了重要的作用。肌肉細(xì)胞內(nèi)的Ryanodin

2、e受體(RyR)/鈣離子釋放通道在肌漿網(wǎng)膜上也能夠形成二維有序陣列。近年來，越來越多直接或者間接的證據(jù)表明二維陣列中的RyR之間存在一定程度的功能協(xié)同性，并且這種分子間的相互作用很可能在調(diào)控肌漿網(wǎng)鈣釋放系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)中起著非常重要的作用。然而，由于技術(shù)手段的限制，目前對(duì)于RyR二維陣列的運(yùn)作機(jī)制及其具體的生理功能還不清楚，這極大地限制了人們對(duì)于肌肉細(xì)胞“興奮-收縮”偶聯(lián)機(jī)制的進(jìn)一步研究。本文針對(duì)上述的問題，通過聯(lián)用高靈敏性的生物物理實(shí)驗(yàn)手

3、段和數(shù)學(xué)模型的方法對(duì)RyR分子間的相互作用及其生理意義做深入的研究。 ㈠提出了一種新型RyR二維受體陣列工作機(jī)制，稱之為“動(dòng)態(tài)偶聯(lián)”機(jī)制。我們的理論研究表明，在靜息條件下，RyR之間的高度協(xié)同能夠維持整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性并且提高系統(tǒng)對(duì)于輸入信號(hào)的響應(yīng)效率，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在信號(hào)處理過程中高度優(yōu)化的信噪比。另一方面，在RvR開放的過程中，RyR之間的協(xié)同性相應(yīng)的下降將有利于RyR二維受體陣列的快速關(guān)閉?！皠?dòng)態(tài)偶聯(lián)”機(jī)制全面地闡述了RyR之

4、間協(xié)同性在肌漿網(wǎng)鈣釋放過程中不同階段的關(guān)鍵性作用。通過RyR之間協(xié)同性的動(dòng)態(tài)變化，我們成功地解決了肌漿網(wǎng)鈣釋放系統(tǒng)中RyR之間的協(xié)同性與二維受體陣列開放時(shí)程太長(zhǎng)之間的矛盾，進(jìn)一步確立了RyR二維陣列在“興奮-收縮”偶聯(lián)機(jī)制中的重要性。 ㈡聯(lián)用生物物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)模擬的方法，首次發(fā)現(xiàn)了RyR受體之間相互作用強(qiáng)度的變化與疾病之間的直接相關(guān)性。我們從惡性高熱(MH)病豬的骨骼肌中純化出突變型RyR，利用光子相關(guān)光譜技術(shù)和原子力顯

5、微鏡技術(shù)對(duì)這種突變型RyR之間的相互作用進(jìn)行了測(cè)定。令人驚訝的是，研究表明突變RyR受體之間的相互作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常的豬骨骼肌RyR。在“動(dòng)態(tài)偶聯(lián)”模型中引入這一新的發(fā)現(xiàn)后，計(jì)算機(jī)模擬顯示RyRMH二維陣列在靜息條件下處于高度的敏感狀態(tài)。一旦受到刺激(例如halothane)，整個(gè)陣列將會(huì)產(chǎn)生高頻而持續(xù)的鈣釋放，肌漿網(wǎng)鈣信號(hào)調(diào)控的平衡將會(huì)完全喪失。這些模擬結(jié)果與MH肌肉細(xì)胞的生理特征非常吻合。這一部分的工作，首次提出了基于二維陣列中受體之