细胞粘附是重要的细胞分子生物过程,在细菌生长繁殖、多细胞生命体的组织结构维持以及免疫反应等过程中起了关键作用。细胞粘附过程通常由细胞表面的受体蛋白与近邻细胞表面的配体小分子/蛋白质分子或细胞间质的非共价结合来实现。与通常的物理化学粘附不同,细胞粘附需要满足更为复杂的生物学要求,并受到多种因素的动态调控。特别是细胞粘附过程普遍依赖于拉力导致的粘附结合增强现象,即所谓的逆锁键(catch-bond)效应。这种力学信号调控下细胞粘附的重要生物学与医学意义促使人们开始思考细胞粘附过程对力学信号响应的物理基础以及逆锁键效应产生的微观分子机制,吸引了来自物理学、化学、以及生物学领域研究人员的广泛兴趣。目前,关于力学信号调控细胞粘附的研究主要采用实验手段,而相关的计算机模拟研究仍非常有限。本论文采用粗粒化分子模拟的方法研究力学信号调控下,白细胞表面受体蛋白CD44与配体分子结合微观物理机制。另外,单链DNA在相应结合蛋白上的折叠组装对转录、复制以及DNA修复至关重要,但相关分子机制仍不清楚。本论文也将探讨单链DNA在结合蛋白上的折叠组装过程,及其受机械外力的调控。具体内容如下:一、力信号调控的细胞粘附蛋白CD44逆锁键效应产生机制研究。免疫反应要求白细胞在感染位置富集。而白细胞在血管内壁的滚动是实现由血液向感染位置富集的关键步骤,并依赖于CD44介导的细胞粘附。人们发现,这种白细胞的滚动运动依赖于(血流等)流体环境下产生的拉力。在静态环境下,白细胞主要以自由运动为主,限制了其与血管壁的滚动粘附。而在一定的流速下,白细胞倾向于与血管壁粘附并发生滚动运动。人们猜测这种流体拉力导致的滚动运动可能与CD44介导的逆锁键效应有关,但相关的微观物理机制尚不清楚。本论文基于蛋白质能量面理论和多势阱模型,建立了一个描述机械力调控下蛋白质分子别构运动以及配体结合的粗粒化模型,并使用分子动力学模拟的方法研究了机械力作用下CD44的构象运动及其与配体分子的结合和解离过程。模拟结果发现,随着机械外力的增加,CD44的C端螺旋发生解折叠,并与CD44的核心结构域分离,进而导致CD44核心结构域的构象变化和配体分子亲核性的增强,表现出逆锁键效应。当机械外力继续增加时,配体分子亲和性降低。因此,本论文的分子模拟结果支持CD44受体蛋白逆锁键产生的别构机制,从而能够解释实验观测到的白细胞在流体环境下倾向于在血管内壁滚动的现象。相关结果对理解细胞免疫反应机制具有重要的参考意义。二、单链DNA在结合蛋白的折叠组装动力学及其力学调控研究。在转录、复制以及DNA修复过程产生的单链DNA(ssDNA)需要与其他蛋白(结合蛋白)结合才能维持稳定性,避免被水解破坏。人们发现,ssDNA与结合蛋白存在多种结合模型,并受到机械拉力、盐浓度等外部因素的调控,但相关的分子机制仍不清楚。本论文尝试建立了一个描述ssDNA与结合蛋白相互作用的粗粒化模型,并基于分子动力学模拟的方法研究了ssDNA在大肠杆菌单链DNA结合蛋白(SSB)以及复制蛋白A(PRA)上的折叠组装及其力学调控。分子模拟能够成功实现ssDNA的折叠组装,模拟所得到的复合体结构能够与实验结果很好的符合。另外,通过对自由能面的刻画,发现随着拉力的增加,ssDNA-SSB复合体在多种结合模式之间发生转变,在一定程度上解释了已有实验数据。本论文内容安排如下:第一章对力学信号调控的细胞粘附现象、ssDNA的结合组装动力学、分子模拟方法等作了综述;第二章给出了CD44与配体相互作用的粗粒化模型以及逆锁键效应产生机制的分子模拟结果;第三章给出了ssDNA与结合蛋白的相互作用粗粒化模型并讨论了ssDNA折叠与组装过程及其力学调控;第四章是论文总结和对相关研究的展望。