ERK信號轉導通路的時空動力學及其隨機效應

《ERK信號轉導通路的時空動力學及其隨機效應》是依託中國科學院精密測量科學與技術創新研究院，由易鳴擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：ERK信號轉導通路的時空動力學及其隨機效應
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：易鳴
• 依託單位：中國科學院精密測量科學與技術創新研究院

項目摘要

以動物細胞的胞外信號調節激酶（ERK）信號轉導通路為研究對象，理論上研究該通路的時空動力學和隨機效應。首先基於反應動力學原理和實驗數據，考慮進激酶與磷酸酯酶的空間分離以及細胞質內各種激酶的慢速率擴散這兩個關鍵的空間效應，建立起ERK信號通路的確定性反應擴散模型，探討細胞質內活性激酶信號的時空動力學行為；然後考慮進細胞水平所固有的擴散隨機性和生化反應隨機性，將隨機效應與空間效應相結合，建立起單細胞水平的隨機反應擴散模型，利用非平衡統計物理學理論和方法研究活性激酶信號的時空隨機動力學。本項目的研究意義在於:利用統計物理學方法研究複雜生物系統，建立ERK信號轉導通路的時空動力學模型，理論揭示反應擴散過程隨機性的影響，從而有助於加深對真實細胞條件下信號轉導網路設計原理以及調控機制的系統理解，為基於信號轉導通路的腫瘤治療提供理論依據，並希望為實驗提供定量預測。

結題摘要

本項目重點圍繞複雜網路方法以及非線性動力學理論在系統生物學中的套用開展工作，研究正常擴散行為下的單酶以及多酶生化反應網路的生物物理現象，密切結合實驗進行數學建模並分析其時空動力學行為和隨機動力學行為。微觀條件下，構建了單酶實驗的數學模型並研究單酶米氏動力學；進一步結合實驗設計蒙特卡洛模擬方法，分析信號轉導網路中支架蛋白數目以及激酶結合強度對信號轉導機制的影響。巨觀條件下，基於確定性偏微分方程，建立了MAPK信號級聯從細胞膜到細胞質空間的反應擴散模型，分析了細胞傳播距離、激酶蛋白擴散係數以及反饋強度這三個關鍵的生物參數；其次提出了一個整合的生物網路模型，研究了振盪的鈣信號對於MAPK時空傳播動力學的影響；最後我們基於前人單細胞水平的實驗數據，建立了一個酵母細胞在cell cycle（細胞分裂）和 mating（細胞交配）之間進行命運抉擇的生物網路，闡述了細胞周期Start 檢測點的機制。通過本項目，我們分別建立起了MAPK信號通路的微觀和巨觀數學模型，利用非線性動力學分析和數值模擬揭示了信號轉導的時空動力學性質，從而有助於加深對細胞信號轉導及其調控過程的系統理解，並希望為實驗提供定量預測。在國際著名物理以及生物學術雜誌(Physical Review E、Bmc Systems Biology、Europhysics Letters)等發表SCI論文九篇，進行了兩次國際學術訪問（2010年訪問美國加州大學舊金山分校、2012年訪問義大利國際理論物理中心），參加了一次國際學術會議（美國新墨西哥州定量生物國際會議），積極參加了數次國內統計物理或複雜網路會議，與國內外專家和同行就生物網路的建模和動力學分析開展了廣泛交流和合作。