（生物医学工程专业论文）膜受体之间协同性与信号传导的理论和实验研究.pdf

整个系统的稳定性并且提高系统对于输入信号的响应效率，从而实现 系统在信号处理过程中高度优化的信噪比。另一方面，在r v r 开放 的过程中，r y r 之间的协同性相应的下降将有利于r y r 二维受体阵 列的快速关闭。“动态偶联 机制全面地阐述了r y r 之间协同性在肌 浆网钙释放过程中不同阶段的关键性作用。通过r y r 之间协同性的 动态变化，我们成功地解决了肌浆网钙释放系统中r y r 之间的协同 性与二维受体阵列开放时程太长之间的矛盾，进一步确立了i 寸r 二 维阵列在“兴奋收缩”偶联机制中的重要性。 在进一步深入地研究中，我们又联用生物物理实验技术以及计算 机模拟的方法，首次发现了r y r 受体之间相互作用强度的变化与疾 病之间的直接相关性。我们从恶性高热( 瑚) 病猪的骨骼肌中纯化出 突变型r y r ，利用光子相关光谱技术和原子力显微镜技术对这种突变 型r y r 之间的相互作用进行了测定。令人惊讶的是，研究表明突变 r y r 受体之间的相互作用远远低于正常的猪骨骼肌r y r 。在“动态偶 联”模型中引入这一新的发现后，计算机模拟显示r y r m h 二维阵列在 静息条件下处于高度的敏感状态。一旦受到刺激( 例如h a l o t h a n e ) ，整 个阵列将会产生高频而持续的钙释放，肌浆网钙信号调控的平衡将会 完全丧失。这些模拟结果与m h 肌肉细胞的生理特征非常吻合。这一 部分的工作，首次提出了基于二维阵列中受体之间协同性缺陷的m h 病理学模型，为解决在肌肉生理学领域内长期以来悬而未决的m h 病 理学机制问题提供了新的思路。同时，我们的发现还从更加普遍的意 义上提示了受体分子间协同性的缺陷能够导致疾病的产生，这从另一 个角度上证明了这种信号处理机制的重要性，并且将为病理学研究和 药物设计产生积极的指导作用。 关键词：膜受体；协同性；r y a n o d i n e 受体；恶性高热；动态偶联 t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e so nt h ei n t e r m o l e c u l a r c o u p l i n gb e t w e e nm e m b r a n er e c e p t o r si nc e l l u l a rs i g n a l i n g a b s t r a c t b i o s y s t e m sa r er e c e n t l yf o u n dt oa d o p tas m a r ts t r a t e g yt oa c h i e v e t h ec o m p l e xf u n c t i o n si ns i g n a lt r a n s d u c t i o nt h r o u g ht h ec l u s t e r i n ga n d c o o p e r a t i o n o f h o m o g e n e o u s m o l e c u l e s i nb o t h e u k a r y o t i c a n d p r o k a r y o t i cc e l l s ，m e m b r a n er e c e p t o r s a r eo f t e nf o u n dt of o r m t w o - d i m e n s i o n a l a r r a y s t h e s ea r r a y e dr e c e p t o r ss t r u c t u r a l l y a n d f u n c t i o n a l l yi n t e r a c tw i t h e a c ho t h e ra n de n a b l et h er e c e p t o ra r r a ya c ta sa u n i t a r ym o l e c u l a rb i o s y s t e mf o rs i g n a lt r a n s d u c t i o na n dp r o c e s s i n g r e c e n t l ni ti sf o u n dt h a tt h e s er e c e p t o ra r r a y sp l a yp i v o t a lr o l e si nm a n y s i g n a l i n ge v e n t s ，f o ri n s t a n c eb a c t e r i a lc h e m o t a x i s ，t bc e l la c t i v a t i o n ， e t c t h e s er e c e p t o ra r r a y ss h o ws u p e r - h i g hs e n s i t i v i t y , s p e c i f i c i t ya n d g a i n i n s i g n a lt r a n s d u c t i o n ，w h i c ha r e m u c hb e t t e rt h a nt h ec u r r e n t a r t i f i c i a ls i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m s r y a n o d i n er e c e p t o r s ( r y r s ) c a l c i u mr e l e a s ec h a n n e l su s u a l l yf o r m t w o d i m e n s i o n a la r r a yi nt h em e m b r a n eo fs a r c o p l a s m i cr e t i c u l u m ( s r ) i nm u s c l ec e l l s i nt h er e c e n ty e a r s ，m o r ea n dm o r ed i r e c to ri n d i r e c t e v i d e n c es u g g e s tt h a tt h ec o u p l i n gb e t w e e nn e i g h b o r i n gr y r ss e e m s p l a y i n ga ni m p o r t a n t r o l ei ns h a p i n gt h ed y n a m i c so fs rc a l c i u mr e l e a s e h o w e v e r ，t h ep h y s i o l o g i c a lr o l e so fa r r a y b a s e db e h a v i o ro fi 母r sa n d e v e nt h ew o r k i n gm e c h a n i s mo fr y ra r r a ya r es t i l lu n c l e a r , w h i c hl a r g e l y l i m i tt h ef u r t h e ru n d e r s t a n d i n go fm u s c l e“e x c i t a t i o n c o n t r a c t i o n ” c o u p l i n g ( e cc o u p l i n g ) w i t ht h ep u r p o s et o s o l v et h i sp r o b l e m ，w e c o m b i n e dc o m p u t e rs i m u l a t i o na n db i o p h y s i c a la s s a y st os t u d yw o r k i n g m e c h a n i s mo fr y r a r r a ya n di t sd e t a i l e df u n c t i o ni nt h i sd i s s e r t a t i o n b a s e do nt h ep r e v i o u sf i n d i n gt h a tt h ei n t e r - r y r sc o u p l i n gw o u l d d e c r e a s ea l o n gw i t ht h ea c t i v a t i o no fr y r s ，w ep r o p o s e dan o v e lw o r k i n g m e c h a n i s mt od e s c r i b et h eo p e r a t i o no fr y ra r r a y , w h i c hi sc a l l e d “d y n a m i cc o u p l i n g w ef o u n dt h a tt h es t r o n gi n t e r - r y r sc o u p l i n gi nt h e r e s t i n gs t a t ec o u l di n c r e a s et h es y s t e ms t a b i l i t yi nr e s t i n gc o n d i t i o na n d e n h a n c et h er e s p o n s ee f f i c i e n c yo ft h ea r r a yt ot h ei n p u ts i g n a l ，t h e c o m b i n a t i o no fw h i c hc o u l dg r e a t l yo p t i m i z et h es i g n a l - t o - n o i s er a t i oo f s y s t e mi ns i g n a lt r a n s d u c t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，w ea l s of o u n dt h a tt h e t i m e l yr e d u c t i o no ft h ec o u p l i n gb e t w e e no p e n i n gr y 黜w o u l df a c i l i t a t e t h er a p i dt e r m i n a t i o no f r y ra r r a y , w h i c hw o u l df u l f i l lt h er e q u i r e m e n to f t h er a p i dc a 2 十r e c y c l i n gi ne cc o u p l i n g w i t h “d y n a m i cc o u p l i n g m o d e l ， w es u c c e s s f u l l ys o l v e dt h ei n t r i n s i cp a r a d o xb e t w e e nt h e i n t e r - r y r s c o u p l i n ga n dr a p i dt e r m i n a t i o no fc a 计r e l e a s e ，w h i c hw a se v e rt h o u g h ta s ab i gd o u b tt ot h ep h y s i o l o g i c a ls e n s eo fi n t e r - r y r sc o u p l i n g t h e r e f o r e ， t h e d y n a m i cc o u p l i n g m o d e l f u r t h e re s t a b l i s h e dt h e i m p o r t a n c eo f i n t e r - r y r sc o u p l i n gi ne - cc o u p l i n g m o r e o v e r , w ef u r t h e rf o u n dt h ea s s o c i a t i o nb e t w e e nt h ea b r o g a t e d i n t e r - r y r sc o u p l i n ga n dt h em a l i g n a n th y p e r t h e r m i a ( m h ，al e t h a l m u s c l ed i s e a s e ) b yc o m b i n i n gb i o p h y s i c a lt e c h n i q u e sa n dc o m p u t e r s i m u l a t i o n s i ti s a c t u a l l yt h ef i r s tt i m et or e p o r tt h ed i r e c tr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ed e f e c t e dc o u p l i n gb e t w e e na r r a y e dr e c e p t o r sa n dad i s e a s e w ep u r i f i e dt h em u t a n tr y r s ( r 6 15 c ) f r o mt h es k e l e t a lm u s c l eo fp i g a n i m a lm o d e lw i t hm h s u r p r i s i n g l y , w ef o u n dt h a tt h e r ew a so b v i o u s r e d u c t i o no fi n t e r a c t i o nb e t w e e nm h r y r s ，r e l a t i v et ow i l dt y p e ( w t ) r y r s i ft h er e d u c e dc o u p l i n gb e t w e e nr y r sw a si n t r o d u c e di n t o “d y n a m i cc o u p l i n g m o d e l ，w ec o u l ds u c c e s s f u l l ys i m u l a t et h em h c h a r a c t e r i s t i cs y n d r o m e ，i n c l u d i n gt h el e a k yc a 2 十r e l e a s ea n ds u s t a i n e d r y rc h a n n e lo p e n i n gf o l l o w i n ge x p o s u r et oh a l o t h a n e a c c o r d i n gt ot h i s f i n d i n g ，w ep r o p o s e dan o v e lm e c h a n i s mf o rm hb a s e do nt h ed e f e c t e d i n t e r - r y r sc o u p l i n g ，p r o v i d i n gan e wa n g l ef o rt h ef u r t h e rc o n s i d e r a t i o n o fm h p a t h o p h y s i o l o g y m e a n w h i l e ，t h i sf i n d i n ga l s os u g g e s t st h a tt h e d e f e c t si nt h ei n t e r - r e c e p t o rc o o p e r a t i o nc o u l db ean e ws o u r c eo fd i s e a s e ， w h i c hf u r t h e rs h o w st h ei m p o r t a n c eo f i n t e r - r e c e p t o rc o u p l i n gi nr e g u l a r a r r a yi ns i g n a lt r a n s d u c t i o na n dw o u l dh a v eg r e a tp o s i t i v ee f f e c t so nt h e b a s i cr e s e a r c ho fd i s e a s ea n dt h ed e s i g no fn e w d r u g s k e y w o r d s ：m e m b r a n e r e c e p t o r ；c o u p l i n g ；r y a n o d i n er e c e p t o r ； m a l i g n a n th y p e r t h e r m i a ；d y n a m i cc o u p l i n g 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期：年月 日日期：年 月日 上海交通r 人学博士学位论文 第一章前言 1 1 生物系统与信号转导概述 1 1 1 生物系统 生物系统是复杂的开放的非线性系统。 一般系统论，是运用逻辑和数学方法研究系统运动规律的理论 1 。它的创 立者却是一位奥地利生物学家、心理学家贝塔朗菲( l u d w i gv o nb e r t a l a n f f y ， 1 9 0 1 - - 1 9 7 2 ) 。本世纪2 0 年代，他在批判生物学中流行的机械论和活力论中创立 了机体论，强调“系统 是中心的概念，从而提供了一种新的系统思维方式。他 认为生命是一个开放系统，是在同环境进行物质交换的过程中呈现输入和输出， 自身物质组分的组建和破坏才能存在和发展的系统。他说：“生命的形式刁 是存 在着，而是发生着，它是通过有机体同时又是组成有机体的物质和能量的永恒流 动的表现形式。 同时这个开放系统的重要特征是稳态( 流动的平衡，彳、= 是封闭 系统中的静态平衡) 、自主和自组织性，处处表现出有机体的自我调整。 f ( s y s t e m ) f ( e 1 ) + f ( e 2 ) + f ( e 3 ) + + f ( e n ) 图1 1 生物系统示意图，e 表示系统中组件，f ( e i ) 表示组件e i 对系统总输出信号的贡献。 f i g 1 1c a r t o o n s c h e m eo fb i o l o g i c a ls y s t e m ，er e p r e s e n t st h ee l e m e n ti nt h i ss y s t e m ，f ( e i ) m e a n s t h ec o n t r i b u t i o no fe l e m e me it ot h et o t a ls y s t e mo u t p u t 上海交通人学博上学位论文 生物系统有两大特征：复杂性和非线性。复杂性包含两个方面含义，系统是 由许多彼此之间存在相互作用的部分组成，系统中组分之间的相互作用并不僵 化，而是具有一定的灵活性；同时，系统中不同组分之间的相互作用不是完全对 等的，而是具有不均一性( 图1 - 1 ) 。另一方面，非线性指的是在生物系统中，整 体不是部分的简单线性叠加，而是其非线性结合的产物( 图1 - 1 ) 。有一个很明显 的例子：人类基因数目大约为2 5 0 0 0 3 0 0 0 0 ，小鼠基因为2 6 0 0 0 ，斑马鱼为2 8 0 0 0 ， 线虫为2 1 0 0 0 ，这些物种的基因数目大多类似，然后它们综合起来形成的生物系 统( 动物个体) 所表现出来的性质却有巨大的差别，这正是由于这些基因及其蛋白 产物非线性组合后的结果。因此，对于生物系统，不能简单地依赖系统组件的情 况来判断系统的性质，组件之间存在的信息流以及复杂而灵活的调控机制赋予生 物系统以更多的自由度。由此，生物系统自发地表现出一些特性，例如能够形成 一定的模式，协同性或者是对于不同环境的自我适应。 1 1 2 生物系统中的信号转导 信号转导指的是信号在系统组件间的传递，信号如何传递就意味着系统以怎 样的组织方式进行工作，通常也就决定了系统的特性。在生物系统中，这样的信 号传递由一系列有序的生化反应来完成。参与这些生化反应的信号分子通常在时 间上和空间上都遵循一定的组织方式，它们之问通过直接或者间接的相互作用形 成了生物系统内的信号转导通路，而不同信号转导通路之问又通过各种相互作用 形成了复杂的信号转导网络( 图1 - 2 ) 2 。 生物系统的信号传导和信号处理的效率非常高，在很多方面的特性是目前人 造器件所远远不及的，包括高敏感性，低噪声，高增益，高信噪比等。 首先以生物系统的噪声控制为例。生化反应本质上是概率事件，反应的完成 首先需要反应物之间在空间上相互接近( 1 0r i m ) ，并且停留足够长的时间，以及 某一些辅助因子( c o f a c o t o r ) 的协同。同时，这些生化反应并不是在理想状态下发 生，通常它们都伴随着一定程度的噪声。噪声的来源很多，例如生化反应的每个 步骤其实都是几率事件，生物分子状态因为热力学噪声而存在一定的振荡，细胞 内生化反应通常只包括有限个分子( 几个或者几十个) 等。如果仅仅做一些简单推 2 上海交通大学博上学位沦文 理，似乎噪声应该对信号转导只会起到负面的作用，也就是说噪声的存在将影响 系统的工作效率。然而，事实并不尽然。很多的研究表明，生物系统自发地具备 降低噪声的能力，在非激活状态系统通常能够保持良好的稳定性，甚至在某些时 候，生物系统居然能够利用适当的噪声来提高自身信号传导的效率。例如内耳中 负责听觉的h a i rc e l l s ，它们能够利用噪声驱动的振动来实现对于外界声音振动 的高敏感性和适应性【3 】。这是非常惊人的性质! 而这些性质是通过怎样的机制 来实现呢? 答案就在于系统中组件之间复杂而精细的非线性相互作用。 再以生物系统的信号增益为例。一个生物系统( 例如细胞) 通常能够感受几个 分子水平的微弱输入信号，并给出有效的输出信号。可想而知，这一过程需要有 效的信号传导和信号放大机制。最常见的方式是串行的信号传导链，通过一系列 在时间和空间上有先后次序的生化反应最终实现信号的传递，这类方式通常被称 之为信号的级联传递，最典型的例子是一类被称为g 一蛋白偶联的级联反应 4 】。 这类信号传递途径因为其主要元件g 蛋白而得名，它们能够实现从细胞膜接收 信号到调控核内基因表达一连串的信号传导。在信号级联传递过程中，还存在一 传一，或者一传多的情况，所以串行信号的传递常常也伴随着信号的放大。通过 多级反应，很小的输入信号最后能产生显著的生物学响应。另一种方式是并行的 信号处理，通过分子之间的协同性来实现在同一层次上信号的快速传递和放大。 经典的例子来自于细菌的趋化反应 5 。起始趋化反应的是细菌表面的趋化受体， 它们能够对单分子量级的效应分子产生反应。研究表明，趋化受体如此高的敏感 性以及信号增益主要是因为细菌表面的若干趋化受体成簇排列，一旦其中一个受 体接受输入信号后，它会以某种方式( 可能是相邻膜受体之间结构上的相互作用) 将信号横向传递给阵列中的其它所有趋化受体，从而在受体簇这个环节上放大信 号，实现信号转导的高增益 6 。 由上述两个例子可见，系统内组件间信号传导的机制对于整个生物系统的运 行以及完成其生物功能非常重要。正是因为这些组件之间复杂的相互作用，生物 系统在执行生物学功能时才能够具备如此神奇而强大的能力。相应地，如果这些 信号通路中某些节点或者节点之间的信息流出了问题，就可能会导致整个生物系 统的紊乱。事实上，很多种类的疾病与生物系统内信号转导的某些缺陷有密切的 关联，例如糖尿病，心脏病，自身免疫疾病以及癌症等。长久以来，生物系统内 3 上海交通大学博士学位论文 组件之间通过怎么样的机制实现系统信号处理的优化，以及生物系统信号处理中 缺陷如何导致疾病一直是生物学家们关注的科学问题。 黝 图1 - 2 细胞内复杂信号传导网络示意图 t 岬蝴 ? f i g 1 - 2c a r t o o ns c h e m eo fi n t r a c e l l u l a rs i g n a l i n gn e t w o r k sw i t hh i g hc o m p l e x i t y 1 2 膜受体之间的功能协同是一种重要的信号转导机制 1 2 1 引言 在生物系统内信号转导的过程中，细胞膜上的受体分子起到了非常重要的作 用，它们能够感受外界的信号，通过自身构象或者性质的改变向下游功能分子传 递信号。研究表明，无论在真核细胞还是在原核细胞的细胞膜上都能够发现一些 由膜受体分子成簇排列而形成的二维有序受体阵列，最典型的例子有细菌表面的 趋化受体( 图1 - 3 ) 5 1 1 ，t 细胞表面受体 1 2 1 4 以及肌肉细胞内肌浆网膜上的钙 释放通道r y a n o d i n e 受体( r y r ) 1 5 19 。 结构是功能的基础。二维有序阵列结构的存在，自然就提出了一个结构与功 能相关性的问题二维受体阵列的生理功能是什么? 近年来人们通过实验研 4 l 坶空埘人学叶l 学位论i 究和理论分析，发埘二维有序受体埘冽诎| j 能拍细胞膜甜i 茭的信号转导过舶 | 发 挥r 重型的作用，是一种小川于巾行信号化甘途径( 例如级肤信弓传递) 的并行性 年u 非线陛的信号处理机制。在小同的生物系统- 这种受体之州的午作1 目的具 体调拧机制和所起到的作川都是小一样的橄靠，：小川系统对于信号传递的不m 要 求而并钉所能。在下商的章竹中似个弊典的系统( 细茼趋化作用和t 细胞免疫 反应) 将被作为范例具体介绍二维受体阵列存到胞信传导中的作川。 二鬻强圈l 0 图i - 3 细菌表面趋化受体二维阵列电镜图( a m ) 以及卡通示意图( c - g ) 【2 0 f i g i - 3c 口oe i e c l r o nm i c r o s c o p yi m a g e s ( ab ) a n dc a n o o ns c h e m e s ( c - g ) f o rt w o - d i m e n s i o n a l l a t t i c eo fc h e m o t a x i sr e c e p t o r s i n i h es u r f a c co f g s c h e r i c h i ac o i l 2 0 1 122 细菌趋化作用趋化受体之间的功能协同 自u 茼趋化作川的信号传递通路址较为简- p 的生物系统，经过多年的研究人 们埘这个系统巾信号分子之问的相互作用以发相关动力学t ? 息已经柯了较为透 j 海交通大 博，l 学位论文 彻r 解。根据l 三有的信息，人们建立起丁非常好的数学模型来模拟细菌趋化作用 的一系列情号传递反应以及完整的动力学过平早，这磐缔典模型能够准确的模拟趋 化作川的很多特 l f 。然而经典模型直无法很好的解释细菌趋化作川中超高敏 感阽的问题，最贝型的个例子足：根据实骗测得的牛物反应速率。计算机模拟 趋化效应的结果硅示细菌将会刘最低2 0 0n m 的效应分予产牛明龆的响应6 1 。然 nj ，存真实的实验中，细菌具有超高的绝对敏感度( 几r 以对低至2n m 的效麻分予 产牛显著的响应) ；f i n 4 1 y , j 敏感度( 例如在1 0 0 0 个效府分子的背景r 感受到1 2 个 分予的增减) 2 1 1 。进一步的研究表j ，这利超高敏感阡并小能通过简单的训节 信j 分子的活性或者改变 ：f 游倍0 分子之问= = | | 互作用的强度求实现6 1 6 。究竟 是i 1 么样内未知机制导致了理论模拟和实验结论二者之间1 0 0 倍的差距呢? a a c t i v i t ys p r e a d b 。， ， 一矿 a 1 02 0 m 图i - 4 “活性传播模型( a ) “活性传播模型示意圈，右图中心位置爱体能够通过功能偶联 的万式影响用边受体的功能状态。( b ) 当趋化爱体之问存在功能偶联日十，受体阵f j 在不同强 度背景信哥夺件下，都能对输八信号产生有效的响应【印。 f i gi - 4 “a c t i v i t ys p r e a d ”m o d e lr a l c a r i o o ns c h e m e o f “a c t i v i t ys p r e a d ”m o d e l ；t h e m a r k e dr e c e p t o r i n t h ec e n t e r o fr i g h ta r r a yc o u l ds p r e a d i t ss t a t e t o i t sn e i g h b o r s t h r o u g h t h e f u n c t i o n a lc o u p l i n g ( b ) w h e n t h e r e i s f u n c t i o n a lc o u p l i n gb e t w e e nr e e e p t o r s ，t h ec l u s t e r o f c h e m o t a c t i cr e c e p t o r sc o u l de f f i c i e n c t l yr e s p o n d t o i n p u t s i g n a l i na w i d er a n g eo f b a c k g r o u n d s i g n a l s1 6 1 人们注意到细菌表面的趋化受体通常形成二维的有序阡列1 7 ，2 0 ，这种高度 有序的结构是什和细茼趋化计用的高敏感性相关呢? 1 9 9 8 年，剑桥大学的d e n n i s 警 ； 上海交通人学博士学位论文 b r a y 等人提出了“活性传播 模型( “a c t i v i t ys p r e a d ”m o d e l ) ( 图1 4 a ) 6 】6 ，将二 维阵列中相邻趋化受体之间功能的协同性引入趋化受体的工作机制中。令人惊讶 的是，当人们在模型中考虑趋化受体之间的功能协同性之后，计算机模拟细菌趋 化作用的敏感性立即上升到了2n m 水平，与实验数值非常一致 6 ，8 】。紧接着， b r a y 等人对二维阵列中受体之间的相互作用进行了一系列系统的研究工作，发 现二维阵列中受体之间的功能协同不仅能够提高系统的敏感性，还能使系统在很 宽的效应分子浓度范围内( 0 0 1l a m 1 0 0u m ) 都能够对输入信号给出显著的响应 ( 图1 - 4 b ) 8 】。这意味着系统不仅对于效应分子绝对敏感性提高了两个数量级， 同时系统在很大的信号背景下对较小的输入信号的相对敏感度也能够大大地提 高，这与实验中所记录的现象是完全一致的。同时，进一步的实验工作提供了更 有力的证据。首先，g e s t w i c k i 等人找到一种能够促进细菌趋化受体之间相互作 用的化合物，他们发现在这种化合物存在的条件下，细菌对于效应物的敏感性显 著提高 9 ，表明了趋化受体之间协同性强度与细菌趋化敏感性之间的直接相关 性。接着，哈佛大学s o w j i k 等人利用单分子荧光能量共振转移技术建立了在体 内测定受体分子间相互作用的方法，进一步证实了受体之间协同性的强弱和细菌 对效应物敏感性之间的密切联系 5 。 因此，在细菌趋化作用这样一个系统中，二维阵列中相邻受体之间的相互作 用起到了提高系统对外界信号绝对和相对敏感度的作用 5 ，9 】。 1 2 3t 细胞活化叫细胞受体( t c r ) 之间的功能协同 在t 细胞活化的免疫反应中，t c r 对于抗原提呈细胞表面抗原分子的识别 是启动整套免疫反应的首要环节。由于免疫系统对响应准确性的要求，t c r 识 别抗原分子的特异性必须非常高。事实上，在抗原提呈细胞( a n t i g e np r e s e n t i n gc e l l ， a p c ) 表面的外界抗原分子密度非常小，大约每1 0 0 0 1 0 0 0 0 个多肽分子中仅有一 个外界抗原分子，而其余大多数是抗原提呈细胞本身表达的多肽分子 2 2 。在如 此复杂的环境中，t 细胞必须能够特异性的识别外界抗原分子，并且准确而适度 地启动下游的免疫反应。因此，在t 细胞系统中，t c r 对外界信号的识别应该 具有非常高的特异性和选择性。理论上来说，提高t c r 对于抗原分子的亲和力 是最直接的解决方法。事实上，这一步是必需的，在胸腺处发生的t 细胞成熟 7 上海交通人学博士学位论文 过程当中，可能对自身抗原发生免疫反应的t 细胞将被淘汰 2 3 。在经过这一步 的筛选之后，抗原提呈细胞表面的自身抗原对t c r 仅仅具有较低的亲和力。然 而，理论研究表明，即便是这样低的亲和力，当自身抗原分子的数目大大超过外 界抗原分子时，系统仍然存在识别错误的可能性。这种可能性虽然不大，但是对 于免疫系统来说仍然是灾难性的，幸运的是免疫系统通常都能够稳定而准确的识 另t # i - 界抗原分子，这其中是否有其他未知机制参与呢? a 一“j ：，爹；t 。一，爹奠一一”爹；一，爹；一 篆谤= 两一南 锄一 。一7 7 辔? 一。一劲。一厶一4 tc e l l i ；孑爹毽魏 争参 量 参穆 l b 娶1 0 0 皇8 0 o 曼6 0 曼4 0 i - - o 2 0 零0 0 0 0 20 40 6 0 。81 。o o f fr a t eo fa n t i g e n ( s 一) 图1 - 5t 细胞表面受体之间功能协同。( a ) 哥印制传播”和“保护传播”模型。( b ) 不同条件下， t 细胞：g - 4 e , 特异性计算机模拟结果。a 表示受体之问没有协同性，b 表示受体之间存在“抑制 传播”机制，c 表示受体之间同时存在“抑制传播”和“保护传播两种机制 2 2 。 f i g 1 5c o o p e r a t i o nb e t w e e ntc e l lr e c e p t o r sa n ds p e c i f i c i t yi ntc e l la c t i v a t i o n ( a ) c a r t o o n s c h e m e sf o r “i n h i b i t i o ns p r e a d ”a n d “p r o t e c t i o ns p r e a d ”m o d e l ( b ) t h es i m u l a t i o no f tc e l l a c t i v a t i o nw i t hd i f f e r e n ti n t e r - r e c e p t o rc o u p l i n gr u l e s a ：n oc o u p l i n gb e t w e e nr e c e p t o r s ；b ：w i t h o n l y “i n h i b i t i o ns p r e a d ”m e c h a n i s m ；c ：w i t hb o t h “i n h i b i t i o ns p r e a d a n d “p r o t e c t i o ns p r e a d m e c h a n i s m 2 2 1 人们在实验中观察到了t 细胞受体在结合外界抗原肽的过程中的“成簇 现象【1 2 ，1 4 ，这种特征结构的出现是否提示在t 细胞受体之间也存在趋化受体 的功能协同呢? 进一步的实验表明，t 细胞受体之间的协同性可能包括两种并行 的机制：“抑制传播”机制( “i n h i b i t i o ns p r e a d ”m o d e l ) 以及“保护传播 机制 ( “p r o t e c t i o ns p r e a d ”m o d e l ) ( 图1 - 5 a ) 2 3 。“抑制传播机制是一种负反馈机制， 使得一个t c r 结合了自身抗原之后，能够通过一系列的化学修饰( 可能是去磷酸 化) 2 3 1 反应使得其周边的受体处于不能激活的状态，从而大大降低了免疫反应的 强度。而如果受体结合了外界抗原肽，这种负反馈机制将4 、= 起作用。“保护传播 机制是一种正反馈机制，使得t 细胞受体结合外界抗原之后，能够对周围一定 8 上海交通人学博士学位论文 范围内的受体产生保护作用，使其免受负反馈机制的调控，从而保证免疫反应的 强度。2 0 0 1 年c l i b u m 等人的理论研究表明，当t 细胞受体之间并不存在协同机 制时，t 细胞激活的特异性比较差，能够对多种不同的抗原分子产生响应( 图1 5 b ， 曲线a ) 。当引入“抑制传播”机制之后，系统响应的特异性将会得到显著提高， 但是系统对信号的响应强度相应的会减少( 图1 5 b ，曲线b ) 。如果系统同时具备 “抑制传播 和“保护传播”这两种机制时，系统响应的特异性和强度都可以得 到保证( 图1 5 b ，曲线c ) 。事实上，对于t 细胞受体来说，这两种机制实际上分 别起到了降低噪声和放大信号的作用，它们的共同作用能够帮助t 细胞同时实 现对于外界抗原的特异性识别以及启动适当强度免疫反应的激发 2 2 。 1 2 4 受体阵列中受体之间相互作用的物理本质概述 在二维有序阵列中，受体之间的协同性实质上是通过某种方式的相互作用 ( 这里主要指结构上的直接相互作用) 使得相邻受体之间互相施加了一种额外的 偶联能量，而这种额外增加的能量能够对受体本身的状态变化起到一定的影响作 用。如图1 - 6 ，假设独立存在的受体在两种状态( 1 和0 ) 之间自发转变的概率是0 5 ( 图1 - 6 ，上，反应a 和b ) ，理想状态下，存在于1 和o 两种状态的受体将各占 5 0 。如果一个受体状态的转变受到其相邻受体的影响( 图1 - 6 ，下，反应c 和d ) ， 受体各状态之间的平衡将会改变。例如，如果假设相同状态的受体之间的相互作 用稳定受体停留于原状态，而不同状态受体之间的相互作用会促使受体改变状 态。那么图1 - 6 中反应c 将不入容易发生，相反地，反应d 将较为容易发生。因 此，受体的不同状态之间的平衡将会向左边( 也就是状态1 ) 倾斜，此时，对于从 1 到0 的反应来说，受体之间存在的相互作用就是一个负反馈机制。然而，如果 中问开放的受体能够对周边的受体施加一个很强的耦合能量，其效果是促使状态 为l 的受体发生状态转变，此时就有可能发生反应e ，从而导致所有的受体最终 都转变为状态0 。此后，又由于相邻受体之间的相互稳定，导致这个局部系统稳 定于开放状态，回复反应f 发生的概率很小，此时，受体间的相互作用又变为一 个促进受体阵列开放的正反馈机制。 9 上海交通人学博上学位论文 # 幸 c - 一 d e 4 - f 图1 - 6 受体间相互作用对受体状态转变的影响。1 和0 分别表示阵列中受体的两种状态。 f i g 1 - 6t h ee f f e c t so fi n t e r - r e c e p t o rc o u p l i n go ns t a t et r a n s i t i o no f r e c e p t o r s 1a n d0r e p r e s e n t t w od i f f e r e n ts t a t e so f r e c e p t o r sr e s p e c t i v e l y 由此可见，受体分子之间相互作用的灵活性非常大。图1 - 6 中所示仅仅是一 种可能的情况，实际的生物系统内的情形如何很大程度上取决于柏邻受体之间相 互作用的基本法则。对于这些基本法则而言，有几个特征参数非常重要： 1 相邻受体之间相互作用的效果，即一定情况下，相邻受体所施加的能量起到 了激发受体( e i = + e ) 还是稳定受体的作用( e i - 一e ) ； 2 相邻受体之间相互作用的相对强弱，显然e 。的大小对于相互作用的效果有重 要的作用，e 。的绝对值越大，受体之间的协同性越强； 3 两个相邻受体之间的相互作用是否对称，对于a