细胞骨架动态重组及其力学行为研究进展

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1、生物物理学报2014年4月第30卷第3期：182—192www．cjb．org．cnACTABIOPHYSICASINICAVo1．30No．3Apr．2014：182-192细胞骨架动态重组及其力学行为研究进展贾康昱，刘小虎华中科技大学力学系，武汉430074收稿日期：2014．04．01；接受日期：2014．04．20基金项目：国家自然科学基金项目(111172110)通讯作者：刘小虎，电话：(027)87543538，E-mail．xhliu@hust．edu．cn摘要：细胞骨架是生物大分子在力学．化学．生物学耦合作用下形成的一个动态平衡系统，是具有多尺度

2、特征的动态纤维网络结构。在细胞铺展、迁移及细胞力传导等生理过程中，细胞骨架均起着重要作用，其多态性微结构及其动态重组行为决定着细胞的力学行为。因此，探索细胞骨架在这些生理过程中的微观机制有重要意义。文章从实验及理论模型两个方面．对细胞骨架的动态重组及其复杂力学行为的研究进行梳理总结，并对未来可能的发展方向和应用前景进行展望。关键词：分子细胞生物学；细胞骨架；微结构；动态重组；力传导中图分类号：Q66D0I：】0．3724／sP．J．】260．2014．40048引言随着微纳米科技的迅猛发展，人们不仅可以认识组织、器官层次上由于基因缺陷、疾病、伤口等因素造成的长期

3、生理过程，还能够观察到细胞在外界诱导下发生的细胞铺展、迁移、生长、分化等一系列生理过程。近年来，人们陆续发现了细胞在不同时间尺度和空间尺度下的许多重要现象【”，其中，细胞力传导过程fcellularmechanotransduction)是近期一个非常重要的发现[z3]。简单而言，细胞力传导过程就是指细胞与外界环境接触时，外界力信号通过不同方式传递到细胞内部，影响细胞骨架纤维的生长／解聚(growth／depolymerization)和交联／分离(cross—linking／unbinding)等生理过程，使得细胞对力刺激产生一系列动态响应。而这些响应反过来又

4、会对环境产生影响，使得细胞最终达到力．化学．生物的平衡状态。细胞力传导对细胞和生物组织的多种生理过程有着极其重要的影响，探索和揭示细胞力传导机制，不仅是生物医学组织工程快速发展的需要，也是众多科学家追求的目标之一，对于生物医学工程乃至生命科学的发展有着深远的意义。目前，人们对细胞力传导的微观机制仍然缺乏深入认识，但一个普遍认同的事实就是，细胞骨架在细胞力传导过程中扮演着极其重要的角色。细胞骨架是一个极其复杂的生物分子系统，其中，分子尺度的组分一起组成了介观尺度的结构，而介观尺度的结构又进一步耦合相互作用，组成了接近连续介质尺度的网络结贾康昱等：细胞骨架动态重组及

5、其力学行为研究进展构。在这一多尺度耦合的系统中，分子尺度的微观信息最终决定了宏观尺度结构的性质，而宏观、介观尺度结构反过来又影响了分子尺度结构。细胞骨架支撑了细胞整体结构。它不仅决定了细胞的力学行为及稳定性，而且还控制了细胞的移动和变形，帮助细胞完成生物分子的输运等多种生物功能。在细胞铺展、迁移、生长、分化及对外界环境响应等一系列生理过程中，细胞骨架均起着重要作用[5。此外，细胞骨架网络结构表现出不同于普通纤维网络结构的半柔性(semi．flexible)特性。真实描述和定量表征细胞骨架动态结构及其力学特性，是探索和揭示细胞力传导行为的关键所在。学者们对细胞骨架

6、进行了大量的实验和理论建模研究，本文旨在对其进行梳理总结。由于篇幅所限，我们全面地回顾该领域研究现状的同时，只对几个有代表性的例子进行重点介绍。下面分别从实验发现的诸多现象及理论模型两个方面进行综述。细胞骨架动态特性及微观机制的实验研究进展细胞骨架的组成及其微观机制人们一般采用基因敲除fgeneknockout)、基因抑制(geneknockdown)、基因过度表达fgeneoverexpression)等基因技术来消除、减少或者增加某种蛋白质的表达，从而对在体finvivo1细胞的细胞骨架形成的微观机制进行研肃【目。而且，这一过程可以通过采用纯化蛋白分子、重构

7、细胞骨架纤维网络来印证，即结合高解析度光学显微镜、原子力显微镜fAFM)、微射流(microfiuidicietting)等实验手段，对细胞骨架结构进行直接观察、操作及重构。目前，人们对细胞骨架的组成，以及各组分在分子层次上的动态特性已经有了一定程度的认识[蚓。细胞骨架中的肌动蛋白纤维、微管和中间丝三种组分之间通过特异性连接(通过连接蛋白相互交联)和非特异性连接(在空间上相互缠绕连接)的方式相互连接【n]，是一种极其复杂的多态性动态网络结构。它与细胞膜、细胞核、细胞液及细胞液中溶解的蛋白质分子等相互作用，组成了亚浓溶液网络结构(semidilutenetwork

8、)，将一堆表面上看起来杂