細胞內環(huán)境是一個由各種分子組成的非勻相體系，充滿了成千上萬的大分子（如蛋白質、脂分子、RNA以及核糖體），一些不直接參加生化反應的大分子大約占據了細胞空間的20%-40%，使得細胞空間形成了“擁擠（crowded）”環(huán)境。中國科學院武漢物理與數學研究所數據分析和統(tǒng)計計算課題組利用數學建模和定量分析研究了細胞擁擠環(huán)境下MAPK信號轉導通路的生化反應規(guī)律和信號轉導動力學，研究結果近日發(fā)表在美國生物物理雜志Biophysical Journal（106,1215-1226,2014）上。
已有的很多研究一般采用分布型(distributive mechanism)磷酸化機制研究MAPK信號轉導過程，而最近的哺乳動物細胞實驗結果表明：在細胞擁擠環(huán)境中，MAPK級聯反應能夠由分布型磷酸化過渡到過程型（processive mechanism)磷酸化機制。
為了闡明過程型磷酸化機制對于信號轉導通路動力學的影響，數據分析和統(tǒng)計計算課題組孫建強博士等建立了蛋白質混合型磷酸化機制的數學模型，將兩種磷酸化機制整合在一起，并引進了兩個關鍵的生物物理參數即細胞擁擠因子和過程型比率系數�；谠摾碚撃Ｐ瓦M一步研究了磷酸化過程型作用機制對MAPK級聯通路磷酸化活性的影響。結果顯示：調節(jié)過程型比率能夠定性改變MAPK信號模塊的動力學響應，使得該級聯模塊在振蕩、雙穩(wěn)以及超靈敏性等狀態(tài)之間切換，然而細胞擁擠因子只影響信號轉導的時間尺度；進一步研究發(fā)現過程型機制的變化能夠提高或抑制磷酸化信號的空間傳播效率。因此細胞擁擠環(huán)境使得MAPK信號轉導通路功能上更靈活，提高了生物網絡的可調性（tunability）。
近年來，該小組在“定量生物計算”方面進行了系列研究，其中關于芽殖酵母細胞命運抉擇機制的定量研究工作（Biophysical Journal，104,2282-2294,2013）被收錄入《美國生物物理雜志》2013年度“定量細胞生物學”精選集（Collection: Quantitative Cell Biology）。目前該課題組正在推進隨機環(huán)境下酵母細胞命運抉擇精確性的定量研究。
該研究得到了國家自然科學基金委面上項目以及重大研究計劃培育項目的支持。
