膜受體之間協(xié)同性與信號傳導的理論和實驗研究.pdf

1、同類分子之間通過結構和功能上的相互協(xié)同構成的群體可以實現(xiàn)單個分子難以達到的高級功能，這是新近發(fā)現(xiàn)的生命系統(tǒng)在信號傳導過程中所采取的一種策略。在原核細胞或真核細胞的細胞膜上，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，構成了一個執(zhí)行信號轉(zhuǎn)導功能的生物系統(tǒng)。研究表明，二維陣列中受體之間的協(xié)同性對多種生物系統(tǒng)在信號處理中表現(xiàn)出來的高靈敏性，高特異性和高信號增益等方面都發(fā)揮了重要的作用。肌肉細胞內(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)的動力學中起著非常重要的作用。然而，由于技術手段的限制，目前對于RyR二維陣列的運作機制及其具體的生理功能還不清楚，這極大地限制了人們對于肌肉細胞“興奮-收縮”偶聯(lián)機制的進一步研究。本文針對上述的問題，通過聯(lián)用高靈敏性的生物物理實驗手

3、段和數(shù)學模型的方法對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制，稱之為“動態(tài)偶聯(lián)”機制。我們的理論研究表明，在靜息條件下，RyR之間的高度協(xié)同能夠維持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性并且提高系統(tǒng)對于輸入信號的響應效率，從而實現(xiàn)系統(tǒng)在信號處理過程中高度優(yōu)化的信噪比。另一方面，在RvR開放的過程中，RyR之間的協(xié)同性相應的下降將有利于RyR二維受體陣列的快速關閉。“動態(tài)偶聯(lián)”機制全面地闡述了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鍵性作用。通過RyR之間協(xié)同性的動態(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程太長之間的矛盾，進一步確立了RyR二維陣列在“興奮-收縮”偶聯(lián)機制中的重要性。 ㈡聯(lián)用生物物理實驗技術以及計算機模擬的方法，首次發(fā)現(xiàn)了RyR受體之間相互作用強度的變化與疾病之間的直接相關性。我們從惡性高熱(MH)病豬的骨骼肌中純化出突變型RyR，利用光子相關光譜技術和原子力顯

5、微鏡技術對這種突變型RyR之間的相互作用進行了測定。令人驚訝的是，研究表明突變RyR受體之間的相互作用遠遠低于正常的豬骨骼肌RyR。在“動態(tài)偶聯(lián)”模型中引入這一新的發(fā)現(xiàn)后，計算機模擬顯示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)，整個陣列將會產(chǎn)生高頻而持續(xù)的鈣釋放，肌漿網(wǎng)鈣信號調(diào)控的平衡將會完全喪失。這些模擬結果與MH肌肉細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