了解蛋白質(zhì)和其他分子如何在細(xì)胞內(nèi)移動(dòng)對(duì)于理解細(xì)胞如何發(fā)揮作用非常重要?？茖W(xué)家使用一種名為熒光恢復(fù)后的光漂白實(shí)驗(yàn)(FRAP)來研究這種分子運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)在布朗大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種數(shù)學(xué)建模技術(shù)，使FRAP更有用。

傳統(tǒng)上，F(xiàn)RAP數(shù)據(jù)已用于測量分子擴(kuò)散 -細(xì)胞內(nèi)果凍樣細(xì)胞質(zhì)內(nèi)分子的被動(dòng)漂移。但這些分子運(yùn)動(dòng)并不總是那么被動(dòng)。在許多細(xì)胞過程中，分子可以通過分子馬達(dá)主動(dòng)運(yùn)輸，分子馬達(dá)像拖運(yùn)貨車線的機(jī)車一樣牽引分子。

“我們知道主動(dòng)運(yùn)輸在許多細(xì)胞系統(tǒng)中很重要，但沒有任何方法可以從FRAP數(shù)據(jù)中獲取它，”Veronica Ciocanel博士說。布朗應(yīng)用數(shù)學(xué)系的學(xué)生。“我們?yōu)镕RAP數(shù)據(jù)開發(fā)了一種建模技術(shù)，包括主動(dòng)傳輸，可以量化這些動(dòng)態(tài)如何工作的細(xì)節(jié)。”

在生物物理雜志發(fā)表的一篇論文中，Ciocanel和她的同事通過描述卵細(xì)胞在開始分裂形成胚胎之前如何重新分布遺傳物質(zhì)的新細(xì)節(jié)來證明這種技術(shù)。

從FRAP獲得更多

為了進(jìn)行FRAP實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們用發(fā)光的熒光蛋白標(biāo)記他們想要觀察的分子。然后，他們用激光切割感興趣的區(qū)域，激活一些熒光蛋白，并在發(fā)光質(zhì)量內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)小的黑點(diǎn)。然后科學(xué)家觀察到黑點(diǎn)消散，隨著黑暗分子從斑點(diǎn)漂移出來并且靜止熒光分子漂移而逐漸消失。隨著時(shí)間的推移，斑點(diǎn)中的熒光量就是所謂的恢復(fù)曲線。

然后可以將恢復(fù)曲線輸入到產(chǎn)生擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)學(xué)模型中，擴(kuò)散系數(shù)是分子漂移的平均速率。一些模型還可以梳理出結(jié)合速率(分子通過將自身附著到其他分子或基質(zhì)上而停止移動(dòng)的速率)，但沒有任何可以處理主動(dòng)運(yùn)輸。

Ciocanel開始與由布朗生物學(xué)教授Kimberly Mowry領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室合作創(chuàng)建一個(gè)。

卵細(xì)胞中的主動(dòng)運(yùn)輸

Mowry實(shí)驗(yàn)室研究的一個(gè)問題是卵細(xì)胞或卵母細(xì)胞中的RNA定位。在分裂形成胚胎之前，卵母細(xì)胞將信使RNA關(guān)鍵的遺傳分子重新分配 - 從細(xì)胞核附近到細(xì)胞兩側(cè)的外膜。該過程發(fā)生在動(dòng)物物種之間，對(duì)正常胚胎發(fā)育至關(guān)重要。Mowry的實(shí)驗(yàn)室研究了一種名為非洲爪蟾(Xenopus laevis)的青蛙物種，因?yàn)樵撐锓N的卵母細(xì)胞相對(duì)較大且更容易觀察。

Mowry和其他研究人員已經(jīng)證明，通過分子馬達(dá)的主動(dòng)運(yùn)輸以及擴(kuò)散對(duì)非洲爪蟾卵母細(xì)胞的定位過程可能很重要。還有人猜測轉(zhuǎn)運(yùn)不是從細(xì)胞核到細(xì)胞膜的單向轉(zhuǎn)運(yùn)。Mowry已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，表明mRNA分子實(shí)際上在此過程中有時(shí)會(huì)向細(xì)胞核移回。但是通過FRAP無法捕捉所有這些動(dòng)態(tài)。

與布朗應(yīng)用數(shù)學(xué)部門主席BjörnSandstede合作，Ciocanel使用可以捕捉主動(dòng)力學(xué)的偏微分方程組來開發(fā)模型。一個(gè)模型捕獲了兩種分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：簡單擴(kuò)散以及單向運(yùn)動(dòng)。第二個(gè)更復(fù)雜的模型捕獲擴(kuò)散，雙向運(yùn)動(dòng)以及一些分子在一段時(shí)間內(nèi)保持靜止的可能性。Ciocanel隨后開發(fā)了一套數(shù)值技術(shù)來解決模型并為主動(dòng)運(yùn)輸運(yùn)動(dòng)提供速度。

一旦模型被創(chuàng)建并且可以用數(shù)字方式解決，Ciocanel就會(huì)根據(jù)假設(shè)系統(tǒng)對(duì)合成FRAP數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中主動(dòng)運(yùn)輸?shù)呢暙I(xiàn)是已知的。她表明模型可以從合成數(shù)據(jù)中正確地再現(xiàn)主動(dòng)動(dòng)力學(xué)。

在驗(yàn)證了這些模型之后，研究人員將它們應(yīng)用于非洲爪蟾FRAP實(shí)驗(yàn)的真實(shí)數(shù)據(jù)，并且能夠?yàn)镽NA定位過程提供新的視角。

“我們能夠量化每種機(jī)制的貢獻(xiàn)，”Ciocanel說。“我們可以預(yù)測有多少mRNA在這個(gè)過程中擴(kuò)散，上下移動(dòng)或暫停。”

這些模型還能夠確認(rèn)動(dòng)態(tài)中的小但重要的細(xì)微差別。例如，研究表明雙向轉(zhuǎn)運(yùn)在最接近膜的細(xì)胞部分中更為突出。

像這樣的新見解最終可以幫助科學(xué)家更全面地了解這個(gè)關(guān)鍵細(xì)胞過程中的動(dòng)態(tài)。但這遠(yuǎn)不是該技術(shù)可能有用的唯一環(huán)境。已知在許多細(xì)胞過程中發(fā)生主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。例如，大腦中的突觸活動(dòng)被認(rèn)為涉及活躍的mRNA定位。

“只要有活躍的運(yùn)輸，”桑德斯特德說，“這種方法可以讓你了解正在發(fā)生的事情。”