三维几何形状对细胞梯度感知与极化的影响

在细胞迁移过程中，细胞发生极化、改变形状并响应各种内部和外部信号而运动。细胞极化通过诸如PI3K或小GTP酶等分子的时空组织来定义，并由细胞内信号网络决定。它通过肌动蛋白聚合和肌球蛋白收缩产生定向力。许多现有的细胞极化数学模型以相互作用分子的反应扩散系统表述，且常定义于一或二维空间。本文中，我们引入了一个单细胞内相互作用分子的三维反应扩散模型，发现细胞几何形状在影响细胞极化能力或外部信号改变方向时改变极化的能力方面具有重要作用。我们的结果提出了一个几何论证，解释为何较圆形的细胞比沿原始刺激方向拉长的细胞能更有效地重新极化，从而使圆形细胞能够更快转向，正如实验中所观察到的。另一方面，拉长的细胞即使梯度刺激来自另一方向，也优先沿其主轴极化。此外，我们的三维模型能准确捕捉细胞极化重要调节因子与细胞膜结合和解离的效应。这种膜与细胞质的空间分离在1D或2D模型中无法捕捉，导致我们的模型与可比较的低维模型产生显著差异。