系统研究分子机械力调控的T细胞激活

T cell plays critical roles in triggering and regulating adaptive immune responses against various pathogens’ attacks. But such triggering and regulating process is very complicated and not fully understood as T cell activation is regulated by many biochemical, biological and biomechanical cues. Recent researches demonstrate that force not only regulates the dynamic process of T cell activation, but also itself is simultaneously affected by this activation process in a feedback manner. However, the questions of how does force dynamically regulate T cell activation, and what is the interactive relationship between force and T cell activation still remain unclear. Aiming to answer these specific questions, this project will, from the standpoint of systems biology, use interdisciplinary research methods including mathematical modeling, computer simulation and single-molecule biomechanical experiments to build a system model to describe the kinetics as well as the dynamics of the force-regulated T cell activation. Through Monte-Carlo simulations and characterization of the model’s properties, the project will thoroughly investigate the regulatory functions of force in T cell activation, and explore the most possible regulatory mechanism for force. Finally, the project will conduct new single molecule biophysical experiment using fluorescence Biomembrane Force Probe (fBFP) system to validate our newly proposed system model.

T细胞是自适应免疫系统的核心调控细胞及重要功能执行细胞。T细胞的激活是一个由生物力学、生物化学、生物物理等多种因素共同参与调控的复杂生物反应过程。最新的研究表明，分子机械力不仅对T细胞的激活有重要的调控作用，而且其本身的产生与调控也受到T细胞激活过程的影响。然而，分子机械力究竟如何动态调控T细胞激活，其与T细胞激活过程又怎样动态相互作用，这些问题尚不清楚。针对这些科学问题，本课题欲采用系统生物学的研究思路，融合数学建模、计算机仿真及单分子生物力学实验等多种研究手段，建立描述分子机械力调控T细胞激活的系统模型。通过对该模型的特性分析及大量蒙特卡罗计算机仿真，进一步清晰揭示分子机械力在T细胞激活过程中的动态调控功能，并探寻可能调控分子机械力产生的最优机制。最后，本课题将通过在荧光生物膜力学探针系统上进行的单分子生物力学实验，来验证系统模型的部分理论预测，以评估所获系统模型的有效性。

TCR的抗原识别及T细胞激活机制一直是免疫学领域的重点及难点问题。本项目采用了数学建模、计算机仿真与单分子生物实验相结合的系统生物学方法，对分子机械力调控TCR抗原识别及T细胞激活的多重机制进行了深入研究。通过构建、比对kinetic proofreading model(KPR)以及KPR rebinding模型的系统特性及参数范围，我们发现KPR rebinding模型具有更优的系统性能，大量仿真结果表明它能够充分反映分子机械力对pMHC与TCR互作的两种不同调控机制：catch-bond和slip-bond。通过采用单分子磁镊实验，我们发现分子机械力对Lck构象及活性也具有调控作用，因此，我们进一步构建了带有辅受体CD8和Lck的KPR rebinding 模型，并通过一系列计算机仿真分析了相关参数对系统性能的影响。采用典型 pMHC 配体与 TCR 结合的2D动力学参数对带有辅受体的 KPR-rebinding 模型进行验证，仿真结果基本符合实验观测，这充分表明我们所构建的KPR rebinding模型对分析T细胞激活系统具有一定的有效性。此外，我们还将构建的KPR rebinding模型应用于natural kill（NK）细胞NKG2D受体与其配体相互作用的研究中，发现TCR-pMHC的激活模型也能很好地解释NK细胞的激活调控，这进一步说明我们所构建的激活模型具有很好的普适性，后续可以运用到其它类似的系统研究中作中。