细胞骨架对质膜微观结构和动力学性质的影响: 以人类红细胞为例

In eukaryotic cells, the plasma membranes interact intimately with the cytoskeleton. However, because of the structural complexity of the plasma membranes and cytoskeleton, the influence of the interactions between plasma membranes and cytoskeleton on the microstructure and dynamics of the plasma membranes are far from being completely understood, yet. In this project, taking the human erythrocyte (red blood cell) which has a relative simple cytoskeleton as an example, we will systematically investigate the influence of cytoskeleton on the microstructure of plasma membranes and the microscopic dynamics of the lipid and membrane proteins in plasma membranes by using coarse-grained molecular dynamics simulation. We will try to build up a novel coarse-grained cytoskeleton model to reveal the microscopic mechanism of the formation of the nanosized domains, the lateral distribution of the membrane proteins, the microscopic dynamics of the proteins and lipids in the plasma membranes under the influence of the cytoskeleton from the molecular level. Furthermore, we will explain the inconsistencies between the results of the present experimental/theoretical membrane models and the real plasma membranes. The results of this project will yield some theoretical insights into understanding of the microscopic mechanism of some blood diseases and provide some theoretical reference to study the interactions between the plasma membrane and cytoskeleton in more complicated cells.

在真核细胞内，质膜与细胞骨架是紧密结合的有机整体。然而，由于质膜和细胞骨架结构的复杂性，质膜与细胞骨架之间的相互作用对质膜微观结构和动力学性质的影响仍然不太清楚。在这个项目中，我们将以结构比较简单的人类红细胞为例，采用粗粒化的分子动力学模拟方法，系统地研究红细胞内细胞骨架对质膜的微观结构以及膜内膜脂和蛋白质的动力学行为的影响。我们将试图建立一种新的细胞骨架的粗粒化模型，从分子层次上揭示在细胞骨架的作用下质膜内纳米尺寸的畴结构的形成机制、膜蛋白在膜内的分布规律、膜内膜脂和膜蛋白的微观动力学行为。进一步，我们还将从微观上解释目前质膜模型和真实质膜体系相关研究结果的不一致性。这一项目的研究结果对于理解一些血液疾病的微观机制具有重要意义，而且还能为研究更加复杂的细胞内质膜与细胞骨架之间的相互作用提供一些参考。

细胞膜的微观结构及动力学性质，尤其是膜内纳米尺度微观畴的形成机制， 是目前软物质物理和生物物理研究的焦点。细胞骨架与细胞膜是紧密结合的有机整体。因此，细胞骨架的存在必然会影响到细胞膜的微观结构的动力学性质。然而，由于这一系统的复杂性，相关的实验研究和理论研究仍然非常有限。在这个项目中，我们以结构相对比较简单的红细胞为例，采用粗粒化的分子动力学模拟方法，研究了组成红细胞骨架的主要蛋白——Band 3蛋白以及血影蛋白（spectrin）——与红细胞膜内脂质微观畴之间的相互作用，主要结果包括：1）揭示了细胞膜内外两层脂分子在Band 3蛋白周围分布的不对称性；2）阐明了胆固醇对Band 3蛋白的结构及其在Band 3蛋白与脂质微观畴之间相互作用的重要影响；3）揭示了含有带电脂分子的微观畴与Band 3蛋白之间的相互作用规律；4）阐明了血影蛋白与不同脂分子之间的亲和性及其与流体有序畴和流体无序畴之间的相互作用规律；5）揭示了血影蛋白与带电脂分子之间的相互作用规律；6）阐明了残基突变对血影蛋白结构以及血影蛋白与细胞膜之间相互作用的影响。这些结果为理解细胞骨架对细胞膜的微观结构和动力学性质的影响、相关血液疾病的微观机制以及今后相关实验研究提供了一些理论参考。