【文章內容簡介】 聽覺和味覺之間的調控與整合的突觸和環(huán)路機制 ， 及 其 在動物行為中 的功能 ； 3. 皮層 神經環(huán)路學習和存儲視覺經驗中時序信息的 機制。 課題四 工作記憶和抉擇行為的神經環(huán)路基礎 工作記憶和抉擇行為相互關聯(lián)，其相關腦區(qū)也是相互重疊的。工作記憶所儲存的信息包括抉擇時刻的外部刺激、動物本身的需求和相關的回憶，是動物做出合理抉擇的關鍵；反之，抉擇行為的結果又決定了動物工作記憶的內容和模式，并將行為的后果存入 及 更替過去的 記憶。 本課題的關鍵問題 ： 工作記憶 與 價值抉擇的神經環(huán)路機制及其神經計算原理。 主要研究內容 ： 1. 工作記憶的神經環(huán)路機制 ； 2. 抉擇行為的神經環(huán)路機制 ； 3. 工作記憶和抉擇行為的神經環(huán)路的理論模型 。 課題五 神經環(huán)路異常的分子機制 突觸與神經環(huán)路功能失常 是神經系統(tǒng)疾病的重要特征。 分子 機制的 異常 可造成 突觸 形成和 神經環(huán)路功能 的異常 ，導致 腦功能（如記憶和 學習 ）損傷和失常 。 本課題的關鍵問題 ： 神經環(huán)路 形成與功能異常的分子 機制 主要研究內容 ： 1. 與 智障相關基因導致大腦皮層神經環(huán)路發(fā)育 異常 的分子機制 ； 2. 大腦皮層 GABA 抑 制性突觸傳遞在 精神分裂癥和 癲癇病發(fā)生中的作用 ； 3. 離子通道在神經元存活和死亡過程中的作用。 項目名稱： 細胞信號時空動態(tài)的前沿研究和關鍵技術 首席科學家： 王世強 北京大學 起止年限： 至 依托部門： 教育部 二、預期目標 本項目的總體目標： 我們將在深入分析細胞鈣信號、線粒體 ROS 信號與關鍵蛋白的時空動態(tài)活動的基礎上，運用實驗分析和理論建模相結合的方法系統(tǒng)地分析信號間相互調節(jié)、相互控制的關系，闡明細胞信號微觀隨機動態(tài)呈現系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的基本原理，并有重點地揭 示有關病理條件下信號系統(tǒng)失穩(wěn)態(tài)的機制， 為基于 細胞 信號 的 藥物創(chuàng)新 提供理論基礎。 同時，根據研究需求， 建立 并 完善的 細胞時空動態(tài)實驗研究體系， 發(fā)展新型顯微成像平臺，建立和培養(yǎng)一支高水平的多學科研究隊伍， 為保持和不斷提升我國在該領域的 研究的水平和國際影響力 奠定可持續(xù)發(fā)展的基礎。 五年預期目標 : 1. 在現有的基礎上，建立完善 的信號時空動態(tài)實驗體系 ，重點加強高分辨、新模態(tài)顯微成像 和 分子探針 平臺， 發(fā)展顯微圖像實時處理和三維重構技術，爭取實現若干關鍵技術的自主創(chuàng)新； 2. 闡明 細胞 鈣信號納米尺度局部控制機制和鈣 穩(wěn)態(tài)維持條件。在有代表性的病理條件下（例如交感緊張造成的腎上腺素受體過度激動），研究鈣信號時空動態(tài)的異常，闡明其失穩(wěn)態(tài)的機制 ； 3. 定量研究細胞 ROS 爆發(fā)產生超氧炫的動態(tài)過程，揭示 ROS 信號穩(wěn)態(tài)維持與細胞鈣穩(wěn)態(tài)、關鍵信號蛋白的相互調控關系，以及在有代表性的病理條件下ROS 動態(tài)的異常、 ROS 與鈣失穩(wěn)態(tài)的交互作用以及相關信號蛋白的作用 ； 4． 在實驗數據的基礎上，建立細胞信號反應擴散模型和隨機鏈模型，系統(tǒng)研究細胞鈣信號、 ROS 信號系統(tǒng)和關鍵蛋白的微觀隨機行為整合為系統(tǒng)穩(wěn)健性的基本原理，提出基于細胞信號的控 制理論和優(yōu)化理論。 5. 培養(yǎng)碩士博士 研究生 60～ 80 名，博士后 10～ 20 名，國家杰出青年基金獲得者、教育部“長江學者 ” 、中科院“百人計劃”等學術帶頭人 48 名 。從而造就 一批在細胞信號時空動態(tài)研究領域有國際競爭力的優(yōu)秀中青年科學家和后備人才， 建設 一支結構合理、具備攻堅能力的國際水平研究隊伍； 6． 主辦 1～ 2 次細胞信號 動態(tài)國際學術會議，強化我國在該領域的國際學術地位； 7. 研究成果主要以研究論文和獨立開發(fā)的技術成果（專利）形式公布，五年內爭取發(fā)表 SCI 論文 100 篇，其中 相關領域主流學術期刊不少于 40%，力爭在Cell、 Nature 或 Science 上發(fā)表論文，并申報專利 10 項 。 三、研究方案 1. 總體學術思路： 首先，我們基于以往突破性進展的基礎，繼續(xù)深入研究細胞鈣信號和超氧炫的時空動態(tài)及其調控機制。這些調控機制必然涉及相關信號通路一些關鍵蛋白，我們將通過對這些蛋白分子動態(tài)和相互作用的研究深入地闡明它們與鈣信號和ROS 信號系統(tǒng)的相互調控。這三個方面在思路上以分析為主。 在上述分析的基礎上，我們將通過兩種方式進行整合研究。一方面是針對參與鈣信號和 ROS 相互作用的關鍵蛋白，利用基因敲除、定點突變等遺 傳干預手段“牽一發(fā)而動全身”，通過單因素變化導致的多因素變化來推斷多信號體系內的調控關系；另一方面在大量時空動態(tài)實驗數據的基礎上構建數學模型，從控制原理和優(yōu)化理論的角度研究系統(tǒng)的性質，揭示微觀隨機信號形成系統(tǒng)穩(wěn)健性的原理。 細胞信號時空動態(tài)研究很大程度上依賴研究技術的進步。我們的前沿探索將對顯微成像技術、分子探針、多維圖像算法等提出較高的需求，因此將發(fā)揮項目組成員的多學科優(yōu)勢實現新模態(tài)、高分辨、高通量成像技術的自主創(chuàng)新。 2. 技術路線及可行性： 本項目將采取 多學科相互交叉、滲透和有機結合的途徑，重點圍 繞鈣信號和 ROS信號時空動態(tài) 關系，研究關鍵 信號蛋白 如何 相互作用實現穩(wěn)態(tài)這一關鍵科學問題，結合分子探針、顯微成像關鍵技術的完善與發(fā)展，系統(tǒng)地開展跨學科的基礎研究。 細胞信號成像將采用激光共聚焦顯微成像系統(tǒng) 。在 需要較高時間分辨率的研究中采用高速共聚焦系統(tǒng)，數據采集 速率 可達 100～ 1000 幀 /秒，細胞的三維掃描可在 1 秒中完成。我們將自行研制 STED系統(tǒng)用于空間高分辨成像，研制 CARS和 SRS 系統(tǒng)用于非熒光探針成像。為了高效率處理大量多維圖像數據，我們將發(fā)展經驗性數據驅動 (empirical, datadriven)分析方法，利用主成分分析進行數據降維，把降維后的數據投射到一個 Langevin 方程上，衍生出一系列小規(guī)模的動力系統(tǒng)。用獨立成分分析以及去卷積計算細胞信號的時空序列。 在關鍵信號蛋白的研究中，我們將利用在分子生物學、細胞生物學以及生物化學方面的良好工作基礎， 根據 項目對信號蛋白的觀測需求 ，采用不同技術途徑實現信號蛋白及其相互作用的可視化。我們將 在 “大腸桿菌 哺乳細胞 ”穿梭體系和分子進化平臺的基礎之上，構建新穎的高通量變異體篩選庫， 實現 非天然氨基酸 分子標記 。 我們還將 設計具有特殊光學性質的熒光蛋白 、 pHluorin與信號蛋白 的 表達 體系 ，進行穩(wěn)定遺傳 。開展 小分子 信使 （如離子、 ROS等）的檢測及其生物學功能 研究；發(fā)展 SRET技術，實現檢測多個蛋白相互作用的調控機理 研究 。由于在 心臟細胞 等 高度分化的細胞表達分子探針還有相當的困難，我們將先用細胞株和植物細胞進行篩選，條件成熟的探針可以構建腺病毒或慢病毒轉染表達體系。 通過系統(tǒng)優(yōu)化， 我們將 推動 探針技術 成為實驗室常規(guī)技術，實現對信號蛋白及其 相互作用 的高時空分辨探測。 為深 入闡述信號微觀 隨機 動態(tài)與系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的相互關系，我們將 在多種尺度上開展 研究。在分子水平 上 ，研究重要信號蛋白 的 動態(tài) 行為及相互作用 ； 在細胞 器水平 上， 研究鈣信號、 ROS 信號的動態(tài)及其與信號蛋白的相互作用 ； 在細胞 水平 上， 研究 鈣信號螺旋波，鈣信號與 ROS 信號相互 作用 ，信號蛋白的 空間定位和 調控 網絡等；在整體水平 上 ，將采用基因敲除鼠和轉基因鼠 方法， 研究信號蛋白的功能 及其整合調控關系。我們既在 離 體 細胞 內 研究 信使分子的時空動態(tài)和信號轉導，也 在 動物活體 上 觀 測分子信號的動態(tài) ， 將 離體與在體研究相統(tǒng)一 。 通過數學建模，將實驗事實與生物學規(guī)律聯(lián)系起來，通過對數據的擬合，建立細胞信使動態(tài)和穩(wěn)態(tài)相統(tǒng)一的理論 模型 。 雖然系統(tǒng)的維數很大， 但是 通常只有幾個 反應是限速的 (ratelimiting)。 我們可以通過限速反應、或某些 “限速 ”的網絡模塊 (module)，發(fā)展基于信號傳遞或 信息流的網絡分解方法。 我們將基于反應擴散型偏微分方程、 GinzburgLandau 非線性偏微分方程等建立心肌細胞鈣信號螺旋波的數學模型，開展對螺旋鈣波動力學行為的研究。 以單分子 米氏方程 為基礎建立單分子反應模型， 進一步 建立分子寡聚體系的數學動力學模型，通過 Monte Carlo 仿真獲得分子寡聚體系動態(tài)行為。我們將推廣謝曉亮的 單分子 米氏方程理論，建立包含多類分子的反應通路的動力學，然后 發(fā)展多尺度分子交互系統(tǒng)的理論。 本項目提托中關村地區(qū)的學術環(huán)境優(yōu)勢，發(fā)揮綜合大學的多學科攻關優(yōu)勢，利用多個國家級研究基地的資源優(yōu)勢，包括生物膜與膜生物工程國家重點實驗室、分子科學國家實驗室、生物大分子國家重點實驗室等。因此，本項目承擔單位具有 良好的研究條件和研究基礎 。 承擔本項目研究工作的中堅力量都是細胞 信號 動態(tài)研究、分子探針研究、 新一代 顯微成像和 多維 圖像處理 等相關 領域的學術帶頭人 ， 擁有卓著的研究成果和豐富的 研究經驗， 部分成員的研究在國際同領域居主導地位。更為重要的是，本項目成員多年來保持密切交流和合作，不 僅多次召開學術研討會，還產生了多項重要合作研究成果。為本項目攻關提供了強強聯(lián)合、優(yōu)勢互補的學術團隊。 3. 創(chuàng)新點與特色： 本項目 是 根據 國際研究前沿和熱點 ， 結合 我國在細胞信號 時空動態(tài)研究的 特色和優(yōu)勢，針對可能獲得突破的關鍵科學問題而提出的。 其 創(chuàng)新 性 主要體現在： （ 1）研究目標的創(chuàng)新。 本項目擬解決的關鍵科學問題是微觀隨機信號整合成細胞調控穩(wěn)態(tài)的基本原理。這是基于我們以往對細胞信號隨機動態(tài)的深入研究，經過多次跨學科研討，凝練出的科學問題，是生命科學、系統(tǒng)與控制科學、非線性物理科學領域共同關心的基本問題。 （ 2） 研究思路的創(chuàng)新。 細胞信號過程是一個多層次復雜 、動態(tài) 體系。深入研究這一動態(tài) 體系 中 細胞信號的相互作用 規(guī)律需要整合不同學科的優(yōu)勢 。我們在總體研究思路上，實驗與理論相結合、分析與綜合相結合、微觀與宏觀相結合、離體與在體相結合、隨機與穩(wěn)態(tài)相結合、科學探索與技術創(chuàng)新相結合。用不同思路、從不同角度 進攻同一關鍵問題。 （ 3） 研究方法的創(chuàng)新 。 研究 細胞 信號 激活的時間、空間、幅度以及與上 下游 信號分子 相互作用 有 很大的技 術難度。要獲得突破 性進展 ，很大程度上依賴于建立新技術和新方法。 本項目將充分利用項目組成員的研究特長，建立和發(fā)展 高分辨率顯微成像技術 、基于 拉曼光譜的新模態(tài)顯微成像技術 、 基于非天然氨基酸的 蛋白質標記技術、基于 熒光蛋白的 信號分子 探針技術 、 光激活熒光蛋白及蛋白相互作用 的動態(tài)檢測技術 、 基因打靶技術、 RNA 干擾技術等 新的 綜合平臺 ，為深入揭示 細胞信號 時空動態(tài)創(chuàng)造得天獨厚的實驗條件。 本項目的顯著特色是多學科聯(lián)合攻關。 本項目的主要研究骨干來自 北京大學生命科學學院、工學院、化學學院、數學學院，中科院生物物理所 ， 中科院植物所，北京師范大學 和中南民族大學 ，匯聚 了 來自細胞生物學、生物物理學、分子生物學、生物信息學 、 化學、光學、數學、工學等 多學科 的專家 ，聯(lián)合組成跨學科攻關團隊 。團隊中，生命科學專家提出關于生命活動信號調控的基本問題，并從分子、細胞到整體進行實驗研究；長期致力于生命過程研究的數學家以實驗數據為基礎，通過抽象、建模、仿真，對細胞信號時空過程的穩(wěn)態(tài)機制進行理論升華；化學生物學家通過設計分子探針，實現信號分子的動態(tài)和相互作用研究；來自工學院的專家一方面為項目中成像技術和數據分析提供支撐，也將產生研究技術的自主創(chuàng)新成果。 4. 課題設置 本項目圍繞總體目標，設立六個課題組 ： 課題 1 細胞鈣信號的時空特異性調控 研究內容： 通過過去三十多 年的不懈探索，細胞鈣信號的微觀性質已經逐步闡明，但這些信號如何控制并產生復雜的胞內動態(tài)行為尚知之甚少，限制了對有關生理和病理過程的深入認識。為此，本課題主要研究細胞鈣信號的微觀控制和時空自組織過程，包括鈣火花發(fā)生過程中 L 型鈣通道與鈣釋放通道間納米尺度局部控制、鈣火花通過鈣致鈣釋放自激形成螺旋鈣波和鈣振蕩的時空動態(tài)，同時與課題二合作研究細胞鈣信號時空動態(tài)與超氧信號的相互關系。 研究目標： 本課題的總體目標是闡明細胞鈣信號納米尺度局部控制機制和細胞鈣信號自組織機制，闡明單線態(tài)氧分子等超氧信號與細胞鈣振蕩的相互作用 ，從而對細胞鈣信號異常如何導致心律失常等重大疾病這一長期未能闡明的問題提供新的分子病理機制。 承擔單位： 北京大學、北京師范大學 課題組長： 王世強 學