细胞具有感知周边力学刺激并将其转化为生理生化信号的能力,简称力生物学感应。这种能力使细胞能够通过细胞骨架微结构的重塑来适应周围的物理微环境,并激活多个信号通路,影响和改变基因表达。这些现象包括了两个重要过程:机敏感知（mechanosensing）和机械传导（mechanotransduction）。在这些过程中,机械信号（力或者变形）从细胞外部环境被传递到细胞内的蛋白质和细胞器上。细胞皮质中的肌动蛋白细胞骨架蛋白是感知机械刺激和激活下游信号通路的主要参与者。定量了解单个细胞骨架蛋白的机械传感机制对于剖析这些蛋白在各种信号通路和生理系统中的作用至关重要。在细胞层面,力生物学感应的结果常以细胞的形态变化表现出来。细胞能以球形、椭球形、蝶形和柱状形等不同的形状存在。这些形状在外力和细胞内力的作用下会发生变化和转变。细胞形状的维持及其变化很大程度上是由细胞骨架决定的。在已知的三种细胞骨架系统中,微丝系统在控制细胞形态过程中起着重要作用。在分子尺度,微丝骨架蛋白的变形包括分子间的变形和分子内的变形。其中分子内的变形又依赖于具体的分子结构,譬如肽序列,折叠状态和二聚体（或低聚体）的组合状态。目前为止,基于细胞在压缩下变形的蛋白质行为的定量解释基本没有。在已发表的文献中,肌球蛋白Ⅱs的机械感觉行为的表征多是定性的,每个细胞上的精确压缩量没有得到很好的定义,并且没有表征蛋白质随时间的动态响应。此外,压缩细胞中的各向异性变形如何影响机械敏感蛋白的空间分布还没有得到充分的研究。肌球蛋白力生物学反馈回路的力生物学模型研究不足。在本研究中,本文使用了几个研究良好的肌球蛋白Ⅱ突变体进行压缩实验,以表征多个细胞中细胞骨架蛋白的机械感知反应。基于弹性理论,本文计算了沿细胞皮质的张力和应变。利用这些信息作为输入,本文模拟了肌球蛋白Ⅱs的机械感应积累,并定量地再现了实验观测结果。结合压缩实验和共聚焦显微镜,本文观测了肌球蛋白Ⅱ低聚物在亚细胞水平上的极化。极化在很大程度上取决于细胞变形的两个主要应变的比率。证明了该技术可用于其他力生物学感应蛋白的研究。本文的结果表明,压缩实验是一种快速、低成本的技术,用于细胞中机械敏感的细胞骨架蛋白的高通量筛选。本文研究和建立了一个基于肌球蛋白力生物学反馈回路的力生物学模型。实现了力学信号反馈回路与肌球蛋白生化信号通路的完整耦合。力学信号以机械能的形式影响肌球蛋白失活过程的反应能垒。同时,肌球蛋白的局部浓度改变细胞内相应区域的受力。利用该力生物学模型,计算了在简单受力状态下不同拓扑形貌的细胞层内细胞面积和肌球蛋白浓度的振荡行为。计算结果表明,本模型能完全重现果蝇胚胎发育阶段中实验观测到的细胞面积和肌球蛋白浓度的振荡特征。同时,模型还揭示了力学信号能使原本处于稳定态的系统脱离稳定区域,产生振荡,向下一个稳定态演化。持续变化的力学信号使系统将无法达到稳定态,却长期处于振荡状态。此外,计算结果表明力学信号还能影响振荡的波形和周期。