基于代理模型的植物表皮细胞皮层微丝随机动态行为研究揭示稳态肌动蛋白阵列形成机制

这篇研究通过基于代理的计算模型（agent-based model）成功模拟了植物表皮细胞皮层肌动蛋白（actin）阵列的随机动态行为，揭示了肌动蛋白丝（F-actin）在成核（nucleation）、聚合（polymerization）、解聚（depolymerization）、切断（severing）和封端（capping）等关键调控因子作用下的稳态维持机制。研究创新性地再现了实验观测的肌动蛋白丝丰度、长度及动态事件频率，为理解植物防御反应（PTI）中细胞骨架重塑提供了计算生物学框架。

　　

ABSTRACT

植物细胞皮层肌动蛋白阵列在胞内运输、分泌和细胞扩张等过程中起关键作用。该研究通过基于代理的计算模型，首次系统模拟了表皮细胞中单个肌动蛋白丝的随机动态行为，包括成核、聚合、解聚、切断和封端等核心过程。模型成功复现了实验观测的肌动蛋白丝长度（10-17μm）、聚合速率（1.6-1.8μm/s）和切断频率（0.008-0.014 events/μm/s）等参数，揭示了植物特有的"随机动态"稳态机制。

1 Introduction

植物肌动蛋白细胞骨架由高度动态的微丝网络构成，其组装受多种辅助蛋白调控。不同于动物细胞的踏车行为（treadmilling），植物微丝呈现独特的动态特征：ATP-肌动蛋白（ATP-G-actin）在带刺端（barbed end）快速聚合（1.25-3μm/s），ADP-肌动蛋白（ADP-F-actin）在尖端（pointed end）缓慢解聚（0.2μm/s），并通过肌动蛋白解聚因子（ADF/cofilin）促进的切断和异源二聚体封端蛋白（CP）介导的封端实现快速周转。研究特别关注了模式触发免疫（PTI）过程中微丝密度和寿命的增加现象，这与ADF4和CP的抑制直接相关。

2 Results

2.1 植物表皮细胞肌动蛋白丝的随机动态

暗培养下胚轴表皮细胞的皮层阵列包含稀疏分布的单个微丝和束状结构。时间序列成像显示，新微丝通过两种方式形成：细胞质中的从头成核（de novo nucleation，0.8×10^-4 events/μm²/s）和已有微丝侧的分支成核（branched nucleation，1.2×10^-4 events/μm²/s）。过程性formin蛋白可使带刺端聚合速率提升2-3倍，而封端则使约70%的带刺端停止延伸。微丝平均寿命15-20秒，主要通过频繁切断（而非踏车）实现周转。

2.2 代理模型重现随机动态

模型将肌动蛋白丝简化为具有极性的圆柱段，Arp2/3复合体模拟为两段式结构。通过朗之万方程进行布朗动力学模拟，成功再现了实验观测的三大类微丝：分支微丝（50%）、从头成核微丝（20%）和formin增强聚合微丝（30%）。稳态下微丝平均长度9.9±0.85μm，与实验数据高度吻合。

2.3 切断和封端抑制破坏稳态

模拟显示，增强ADF/cofilin介导的切断会使微丝变短且数量增加；而提高CP介导的封端则导致阵列稀疏化。当同时抑制两者时（模拟PTI状态），微丝密度和长度显著增加，但单体池快速耗竭。这解释了防御反应中通过抑制ADF4和CP来增加微丝丰度的机制。

2.4 分支成核与formin增强聚合的关键作用

降低Arp2/3密度使分支微丝减少50%，而抑制formin活性使聚合速率下降3倍。同时抑制两者时，模型预测从头成核频率应降低，但与实验观察到的2.5倍增加现象矛盾。

2.5 profilin调控的补偿机制

进一步模拟发现，当增加肌动蛋白单体从profilin结合态向游离态的转换速率（k_-,prof）时，从头成核频率可提升100倍。这表明在Arp2/3和formin双重抑制时，特定profilin亚型（如PRF3）的抑制可能释放游离单体，促进补偿性成核。

3 Discussion

该模型首次系统整合了植物肌动蛋白阵列的六大动态过程，揭示其稳态维持依赖于三个核心平衡：成核与解聚的平衡、聚合增强与封端的平衡、以及单体池与微丝网络的平衡。特别值得注意的是，profilin-actin相互作用的调节可能是防御反应中细胞骨架重塑的"分子开关"。

4 Conclusions

研究建立了首个能重现植物皮层肌动蛋白随机动态的计算模型，未来将通过引入交联蛋白（villin/LIM）和肌球蛋白XI（myosin XI）进一步模拟束状结构形成和胞质流动。

5 Materials and Methods

采用20×20×1μm³计算域，肌动蛋白浓度1μM，Arp2/3比例7×10^-5。通过调整切断速率常数（k_0,sev）、封端速率（k_+,cap）等12个关键参数进行系统验证。代码已开源（GitHub: ktyman2/plantactin）。