细胞信号时空动态的前沿研究和关键技术

项目名称：细胞信号时空动态的前沿研究和关键技术首席科学家：王世强北京大学

起止年限：2011.1至2015.8

依托部门：教育部

二、预期目标

本项目的总体目标：

我们将在深入分析细胞钙信号、线粒体ROS信号与关键蛋白的时空动态活动的基础上，运用实验分析和理论建模相结合的方法系统地分析信号间相互调节、相互控制的关系，阐明细胞信号微观随机动态呈现系统稳态的基本原理，并有重点地揭示有关病理条件下信号系统失稳态的机制，为基于细胞信号的药物创新提供理论基础。

同时，根据研究需求，建立并完善的细胞时空动态实验研究体系，发展新型显微成像平台，建立和培养一支高水平的多学科研究队伍，为保持和不断提升我国在该领域的研究的水平和国际影响力奠定可持续发展的基础。

五年预期目标:

1. 在现有的基础上，建立完善的信号时空动态实验体系，重点加强高分辨、新

模态显微成像和分子探针平台，发展显微图像实时处理和三维重构技术，争取实现若干关键技术的自主创新；

2. 阐明细胞钙信号纳米尺度局部控制机制和钙稳态维持条件。在有代表性的病

理条件下（例如交感紧张造成的肾上腺素受体过度激动），研究钙信号时空动态的异常，阐明其失稳态的机制；

3. 定量研究细胞ROS爆发产生超氧炫的动态过程，揭示ROS信号稳态维持与细

胞钙稳态、关键信号蛋白的相互调控关系，以及在有代表性的病理条件下ROS 动态的异常、ROS与钙失稳态的交互作用以及相关信号蛋白的作用；

4．在实验数据的基础上，建立细胞信号反应扩散模型和随机链模型，系统研究细胞钙信号、ROS信号系统和关键蛋白的微观随机行为整合为系统稳健性的基本原理，提出基于细胞信号的控制理论和优化理论。

5. 培养硕士博士研究生60～80名，博士后10～20名，国家杰出青年基金获得

者、教育部“长江学者”、中科院“百人计划”等学术带头人4-8名。从而造就一批在细胞信号时空动态研究领域有国际竞争力的优秀中青年科学家和后备人才，建设一支结构合理、具备攻坚能力的国际水平研究队伍；

6．主办1～2次细胞信号动态国际学术会议，强化我国在该领域的国际学术地位；

7. 研究成果主要以研究论文和独立开发的技术成果（专利）形式公布，五年内

争取发表SCI论文100篇，其中相关领域主流学术期刊不少于40%，力争在Cell、Nature或Science上发表论文，并申报专利10项。

三、研究方案

1. 总体学术思路：

首先，我们基于以往突破性进展的基础，继续深入研究细胞钙信号和超氧炫的时空动态及其调控机制。这些调控机制必然涉及相关信号通路一些关键蛋白，我们将通过对这些蛋白分子动态和相互作用的研究深入地阐明它们与钙信号和ROS信号系统的相互调控。这三个方面在思路上以分析为主。

在上述分析的基础上，我们将通过两种方式进行整合研究。一方面是针对参与钙信号和ROS相互作用的关键蛋白，利用基因敲除、定点突变等遗传干预手段“牵一发而动全身”，通过单因素变化导致的多因素变化来推断多信号体系内的调控关系；另一方面在大量时空动态实验数据的基础上构建数学模型，从控制原理和优化理论的角度研究系统的性质，揭示微观随机信号形成系统稳健性的原理。

细胞信号时空动态研究很大程度上依赖研究技术的进步。我们的前沿探索将对显微成像技术、分子探针、多维图像算法等提出较高的需求，因此将发挥项目组成员的多学科优势实现新模态、高分辨、高通量成像技术的自主创新。

2. 技术路线及可行性：

本项目将采取多学科相互交叉、渗透和有机结合的途径，重点围绕钙信号和ROS信号时空动态关系，研究关键信号蛋白如何相互作用实现稳态这一关键科学问题，结合分子探针、显微成像关键技术的完善与发展，系统地开展跨学科的基础研究。

细胞信号成像将采用激光共聚焦显微成像系统。在需要较高时间分辨率的研究中采用高速共聚焦系统，数据采集速率可达100～1000帧/秒，细胞的三维扫描可在1秒中完成。我们将自行研制STED系统用于空间高分辨成像，研制CARS 和SRS系统用于非荧光探针成像。为了高效率处理大量多维图像数据，我们将发展经验性数据驱动(empirical, data-driven)分析方法，利用主成分分析进行数据降维，把降维后的数据投射到一个Langevin方程上，衍生出一系列小规模的动力系统。用独立成分分析以及去卷积计算细胞信号的时空序列。

在关键信号蛋白的研究中，我们将利用在分子生物学、细胞生物学以及生物化学方面的良好工作基础，根据项目对信号蛋白的观测需求，采用不同技术途径实现信号蛋白及其相互作用的可视化。我们将在“大肠杆菌-哺乳细胞”穿梭体系和分子进化平台的基础之上，构建新颖的高通量变异体筛选库，实现非天然氨基酸分子标记。我们还将设计具有特殊光学性质的荧光蛋白、pHluorin与信号蛋白的表达体系，进行稳定遗传。开展小分子信使（如离子、ROS等）的检测及其生物学功能研究；发展SRET技术，实现检测多个蛋白相互作用的调控机理研究。由于在心脏细胞等高度分化的细胞表达分子探针还有相当的困难，我们将先用细胞株和植物细胞进行筛选，条件成熟的探针可以构建腺病毒或慢病毒转染表达体系。通过系统优化，我们将推动探针技术成为实验室常规技术，实现对信号蛋白及其相互作用的高时空分辨探测。

为深入阐述信号微观随机动态与系统稳态的相互关系，我们将在多种尺度上开展研究。在分子水平上，研究重要信号蛋白的动态行为及相互作用；在细胞器水平上，研究钙信号、ROS信号的动态及其与信号蛋白的相互作用；在细胞水平上，研究钙信号螺旋波，钙信号与ROS信号相互作用，信号蛋白的空间定位和调控网络等；在整体水平上，将采用基因敲除鼠和转基因鼠方法，研究信号蛋白的功能及其整合调控关系。我们既在离体细胞内研究信使分子的时空动态和信号转导，也在动物活体上观测分子信号的动态，将离体与在体研究相统一。

通过数学建模，将实验事实与生物学规律联系起来，通过对数据的拟合，建立细胞信使动态和稳态相统一的理论模型。虽然系统的维数很大，但是通常只有几个反应是限速的(rate-limiting)。我们可以通过限速反应、或某些“限速”的网络模块(module)，发展基于信号传递或信息流的网络分解方法。我们将基于反应扩散型偏微分方程、Ginzburg-Landau非线性偏微分方程等建立心肌细胞钙信号螺旋波的数学模型，开展对螺旋钙波动力学行为的研究。以单分子米氏方程为基础建立单分子反应模型，进一步建立分子寡聚体系的数学动力学模型，通过Monte Carlo仿真获得分子寡聚体系动态行为。我们将推广谢晓亮的单分子米氏方程理论，建立包含多类分子的反应通路的动力学，然后发展多尺度分子交互系统的理论。

本项目提托中关村地区的学术环境优势，发挥综合大学的多学科攻关优势，利用多个国家级研究基地的资源优势，包括生物膜与膜生物工程国家重点实验