研究人員使用細(xì)胞成像和數(shù)學(xué)建模來了解癌癥進(jìn)展

細(xì)胞分裂是生物體繁殖，生長和修復(fù)的基本過程。但是，當(dāng)錯(cuò)誤破壞了這個(gè)復(fù)雜的生物過程時(shí)，細(xì)胞異常會(huì)導(dǎo)致疾病，例如癌癥，使細(xì)胞得以生長并失控。

使用的實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，一隊(duì)來自弗吉尼亞理工大學(xué)的研究人員的生物科學(xué)系的理學(xué)院和Fralin生命科學(xué)研究所已經(jīng)開始揭開機(jī)制，謊言背后的四倍-染色體異常，往往是發(fā)現(xiàn)在惡性腫瘤中。

他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在4月29日的eLife上，eLife是一份致力于生命科學(xué)研究的開放獲取期刊。

“我們的研究使用固定細(xì)胞分析，活細(xì)胞成像和數(shù)學(xué)模型來幫助我們更好地了解四倍體在腫瘤形成和進(jìn)展中的作用。這項(xiàng)工作為未來的研究奠定了基礎(chǔ)，以真正了解四倍體與癌癥之間的聯(lián)系。知道了腫瘤中正在發(fā)生的事情之后，我們就可以更好地為他們開發(fā)更好的治療方法了。”研究的主要作者，最近獲得博士學(xué)位的Nicolaas Baudoin說。畢業(yè)于生物科學(xué)系和BIOTRANS計(jì)劃，這是生物學(xué)家和工程師的跨學(xué)科研究生計(jì)劃。

每個(gè)人類的“父”細(xì)胞都擁有每個(gè)染色體的兩個(gè)副本。在細(xì)胞分裂開始之前，每個(gè)染色體都會(huì)復(fù)制一次，這樣遺傳信息就可以在兩個(gè)“女兒”細(xì)胞之間平均分配。但是，如果親代細(xì)胞不能完成細(xì)胞分裂，則所有四個(gè)染色體都分配到一個(gè)子細(xì)胞中，從而使該細(xì)胞成為四倍體。

當(dāng)四倍體細(xì)胞獲得兩倍的染色體時(shí)，它們也獲得兩倍的中心體。在它們的組織和結(jié)構(gòu)作用中，中心體是形成微管和紡錘體纖維的關(guān)鍵，它們在細(xì)胞分裂過程中將染色體拉開。由于中心體過多，染色體向許多不同的方向拉動(dòng)，因此細(xì)胞分裂會(huì)產(chǎn)生異常結(jié)果。

先前的研究表明，這些多余的中心體可能導(dǎo)致由四倍體誘導(dǎo)的腫瘤形成。但是隨后，弗吉尼亞理工大學(xué)的研究小組在癌癥進(jìn)展模型中進(jìn)行了兩項(xiàng)研究，結(jié)果表明這些細(xì)胞最初獲得了額外的中心體，但隨著時(shí)間的流逝最終失去了它們。

生物系教授Daniela Cimini說：“我們研究的主要目的是驗(yàn)證四倍體細(xì)胞是否損失了額外的中心體，研究了這一過程的動(dòng)力學(xué)過程，并揭示了導(dǎo)致四倍體細(xì)胞損失這種中心體的機(jī)制。”科學(xué)和BIOTRANS的聯(lián)合導(dǎo)演。

研究小組在體外模型中使用活細(xì)胞成像和固定細(xì)胞分析，證實(shí)四倍體細(xì)胞確實(shí)失去了在四倍體化過程中獲得的多余的中心體。

在以數(shù)學(xué)模型為指導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)中，他們得出的結(jié)論是，分裂四倍體細(xì)胞不對稱地聚集其多余的中心體時(shí)，就會(huì)發(fā)生中心體損失。結(jié)果，子細(xì)胞之一將繼承一個(gè)中心體，而不是兩個(gè)。這將使該細(xì)胞長期遭受較少的細(xì)胞分裂失敗并產(chǎn)生更多的細(xì)胞。

這一發(fā)現(xiàn)可以解釋某些癌癥如何在四倍體化過程中首先獲得額外的中心體，然后在隨后的階段失去它們。這表明四倍體與癌癥之間的因果關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

該數(shù)學(xué)模型還發(fā)現(xiàn)，在額外的中心體中**能夠維持長期存活的細(xì)胞是可以在細(xì)胞分裂過程中成功且一致地將這些中心體聚集在兩組中的細(xì)胞。這些預(yù)測已通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了測試，并揭示了一種機(jī)制，該機(jī)制解釋了為何某些癌細(xì)胞盡管存在額外的中心體計(jì)數(shù)卻能存活。如果細(xì)胞未能有效地聚集其多余的中心體，下一代子細(xì)胞就會(huì)死亡。