本方案演示了如何使用开源细胞骨架模拟软件 Cytosim，研究由分子马达和被动交联蛋白连接的微丝网络的行为。通过一个通用的工作流程并按照逐步说明，改变交联蛋白的数量，并绘制由此产生的网络收缩性曲线。
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本方案演示了如何使用开源细胞骨架模拟软件 Cytosim，研究由分子马达和被动交联蛋白连接的微丝网络的行为。通过一个通用的工作流程并按照逐步说明，改变交联蛋白的数量，并绘制由此产生的网络收缩性曲线。
目前，许多细胞骨架系统已被充分研究，足以进行精确的定量建模。微管和肌动蛋白丝的特性已被明确表征，相关的蛋白质、其丰度以及这些组分之间的相互作用也大多已被阐明。因此，计算机模拟可被用于以与实验相辅相成的方式，精确研究该系统的集体行为。Cytosim 是一个开源的细胞骨架模拟软件套件，旨在处理包含柔性纤维及其相关蛋白（如分子马达）的大规模系统。该软件还支持模拟被动交联蛋白、可扩散交联蛋白、成核因子、剪切蛋白，以及仅在纤维晶格位点未被占据时才进行步进的离散化马达模型。此外，软件提供了具有球形或更复杂几何形状的其他对象，可用于表示细胞中的染色体、细胞核或囊泡。
Cytosim 提供了简单的命令行工具，用于运行模拟并显示其结果，这些工具用途广泛且无需编程技能。在此工作流程中，逐步说明了以下操作：i) 在新计算机上安装必要的环境，ii) 配置 Cytosim 以模拟二维肌动球蛋白网络的收缩，以及 iii) 生成系统的可视化表示。接着，通过系统性地改变一个关键参数——交联分子的数量，对系统进行探究。最后，通过数值量化收缩性，补充系统的可视化表示，从而在图表中观察收缩性如何依赖于系统的组成。总体而言，这些不同步骤构成了一种典型的工作流程，稍作修改即可应用于解决细胞骨架领域的许多其他问题。
细胞骨架由细胞内的纤维结构及相关分子（如分子马达）组成，通常构成具有显著力学特性的动态网状结构。在几乎所有生命形式的不同细胞类型中，细胞骨架均以多种构型存在。其正常功能对于细胞分裂、运动和极化等基本生命过程至关重要。细胞骨架还调控细胞间的力学相互作用，从而影响组织和生物体的形态发生。细胞骨架参与多种功能，并在众多生物学过程中发挥作用。例如，肌肉收缩与肌球蛋白分子马达在肌动蛋白纤维上的做功冲程密切相关；另一个例子是神经元的维持，依赖于驱动蛋白马达在神经元轴突内部微管上的运动。肌动蛋白和微管是两种主要的细胞骨架纤维类型，若无它们，我们所知的生命将不可能存在。
细胞骨架本质上是一个生物力学系统，不能仅用其化学成分来解释。微管或肌动蛋白丝由数千个单体组成，长度可达数微米。这些纤维在空间中的构象及其能够向质膜、细胞核或其他细胞器传递的力，是其在细胞中发挥功能的关键方面。例如，由肌动蛋白丝和肌球蛋白马达组成的网络，称为肌动蛋白-肌球蛋白皮层1，可产生力以维持动物细胞的运动性和形态变化。在植物细胞中则观察到一种截然不同的结构，其中皮层微管引导纤维素原纤的沉积，从而控制细胞壁的结构，最终决定这些细胞未来的生长方式2。
尽管力学在细胞骨架活动中显然起着重要作用，但化学因素同样至关重要。纤维会生长 通过 一种自组装过程，单体通过....
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注意：本方案包含以下步骤：准备 Windows 10、MacOS 和 Linux 平台；安装 Cytosim；配置模拟并进行测试运行及图形显示；通过多次运行改变参数——网络中交联分子的数量；生成图表以观察收缩性如何受交联分子数量的影响；并行运行；以及随机抽样。所有以“>”开头的文本均为需在终端窗口中逐字输入的命令。“>”代表终端提示符，不应包含在输入内容中，但其余所有字符均需准确输入。
1. 平台准备
注意：根据操作系统（MacOS、Windows 10 或 Linux），执行步骤 1.1、步骤 1.2 或步骤 1.3。
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在第2节中，使用“make”成功编译Cytosim后，应在子目录“bin”中生成sim、play和report可执行文件。步骤2.3的输出（“sim info”）应显示“维度：2”以及其他信息。在第3节中，配置文件应类似于作为补充文件1提供的jove.cym。在第4节中，从步骤4.8的模拟中获得的i图像应与图2所示图像相似。步骤4.9生成的HTML摘要页面如图3所示。在第5节和第6节中，预期的绘图结果如图4所示。对于第7节，代表性绘图结果如图5所示。
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本文所述方法依赖于三个小型且相互独立的 Python 程序，这些程序在所描述的实验流程中以多种方式被使用。第一个脚本 preconfig 是一种多功能工具，可替代编写自定义 Python 脚本的需求27。它用于从单个模板文件生成多个配置文件，指定哪些参数需要变化以及如何变化。若需同时改变多个参数，只需将更多代码片段添加到模板文件中，preconfig 即可生成所有可能的组合。模板方法的一个优势在于，所有关于参数变化的信息（即哪些参数被改变及其变化方式）均集中在一个文件中，且代码量极小。脚本 "scan.py" 同样具有良好的通用性，用于在子目录中执行命令。最后，"make_page.py" 可生成一个 HTML 页面，用于并排查看多个模拟结果。该功能充分利用了浏览器在显示图像面板方面高度优化的特点。当在模拟的子目录中生成大量图形时（例如通过 scan.py 生成），此脚本尤为有用。对于本文所述的方法，存在多种替代方案，一些程序员倾向于使用 bash 脚本，或更愿意编写 C 程序来完成这些任务。然而，Python 的优势在于其简洁现代的语法，并且在解释执行.......
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作者声明无利益冲突。
我们感谢 SLCU 建模俱乐部的成员，特别是 Tamsin Spelman、Renske Vroomans、Cameron Gibson、Genevieve Hines 和 Euan Smithers，以及其他协议测试人员 Wei Xiang Chew、Daniel Cortes、Ronen Zaidel-Bar、Aman Soni、Chaitanya Athale、Kim Bellingham-Johnstun、Serge Dmitrieff、Gaëlle Letort 和 Ghislain de Labbey。我们感谢 Gatsby Charitable Foundation（资助编号 PTAG-024）和欧洲研究理事会（ERC Synergy Grant，项目编号 951430）提供的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 一台个人计算机 | macOS、Windows 10 或 Linux | ||
| config.cym.tpl | 模板配置文件；https://gitlab.com/f-nedelec/cytosim.git | ||
| jove.cym | Cytosim 配置文件 | ||
| make_page.py | Python 脚本；https://github.com/nedelec/make_page.py | ||
| preconfig | Python 脚本；https://github.com/nedelec/preconfig | ||
| scan.py | Python 脚本；https://github.com/nedelec/scan.py |
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