课题申报书-细胞信号时空动态的前沿研究与关键技术.doc

项目名称： 细胞信号时空动态的前沿研究和关键技术 王世强 北京大学 2011.1至2015.8 教育部  为基于信号药物创新建立完善的细胞时空动态实验研究体系，显微成像平台，建立和培养一支高水平的多学科研究队伍，研究的水平和国际影响力1.? 在现有的基础上，建立完善，重点加强高分辨、新模态显微成像分子探针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.?? 细胞； 3.?? ；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。 .?? 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，一支结构合理、具备攻坚能力的国际水平研究队伍；.?? 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40%，力争在CellNature或Science上发表论文，并申报专利项。 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信号时空动态信号蛋白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SR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，项目对信号蛋白的观测需求在“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，非天然氨基酸。设计具有特殊光学性质的荧光蛋白pHluorin与信号蛋白表达，进行稳定遗传小分子（如离子、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。心脏细胞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，推动成为实验室常规技术，实现对信号蛋白的高时空分辨探测。 在多种尺度上研究。在分子水平，研究重要信号蛋白动态在细胞水平研究空间定位网络等；在整体水平，将采用基因敲除鼠和转基因鼠研究信号蛋白的功能离细胞信使分子的时空动态和信号转导，也动物活体，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。虽然系统的维数很大，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。米氏方程建立单分子反应模型，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