论文摘要
细胞增殖是活细胞的重要生命特征之一,是生物体生长、发育、繁殖和遗传的基础。有丝分裂是真核细胞最普遍、最常见的增殖方式。纺锤体是执行有丝分裂的关键细胞器,对遗传物质的准确分离和细胞分裂的准确定位起到至关重要的作用。如果纺锤体发生错误,极有可能会导致基因出错、增殖失败、细胞癌变或死亡,从而产生发育畸形或肿瘤。越来越多的研究表明,力学因素在纺锤体的自组装和发挥功能的过程中起到十分重要的作用。因此,研究纺锤体的力学行为和受到细胞内外力学机制的调控,对于进一步认识细胞分裂,研究生长发育和癌症,都具有重要的意义。本文主要采用计算模拟的方法,并结合实验,对纺锤体的多个关键力学问题进行了研究。首先,通过完整地考虑中心体、染色体、微管、细胞皮层和各种分子马达,以及由微管或分子马达产生的各种力学相互作用,构建了纺锤体的通用计算模型。首创性地成功模拟出纺锤体的自组装、定位、取向和染色体的排列与分离。然后,利用计算模型对以下问题进行了系统地研究:（1）探究了纺锤体长度调控和长度上限的产生机制,发现在体外构建的纺锤体,由于没有与囊泡边界的相互作用,长度是由物质总量,即囊泡体积来调控的。而在细胞内的纺锤体,长度主要由星状微管和细胞边界的力学作用来调控。但细胞或囊泡足够大时,物质充足而边界微管稀少,体积和边界都失去了调控作用,这时,纺锤体的长度由自身的几何不对称性决定,从而达到上限。（2）纺锤体能够被定位到细胞中心并沿细胞长轴取向。通过研究发现它们在较小的细胞中主要通过皮层作用力来实现,在较大的细胞中则主要依靠细胞质中的作用力。定位和取向的特征时间随着细胞的增大而增加。而细胞大小不变时,细胞形状各向异性越大,取向过程实现越快。纺锤体最终的取向并非总是沿着细胞最长轴,而是由细胞形状的极性和对称性决定的。（3）通过力学加载模拟,探究了纺锤体双极结构的轴向动态力学性能,发现其具有粘弹性和拉压不对称性。在拉伸或压缩时,由于微管连接和断开过程的不同步,纺锤体会发生短暂的软化或硬化现象。基于模拟结果,提出了纺锤体的最小粘弹性本构模型。（4）探究了纺锤体取向受细胞形状和粘附共同调控的竞争机制,发现在上皮组织中,当细胞形状各向异性较小时,纺锤体的取向由细胞间侧向粘附决定,沿组织平面方向,当细胞形状各向异性较大时,纺锤体的取向则倾向于沿着细胞长轴,即垂直于组织的方向。更强的粘附和中等的粘附长度能够确保上皮细胞更多地沿着组织平面方向分裂。进一步研究发现类似的竞争机制也存在于细胞单侧粘附和细胞压缩之间,以及三细胞节点分布极性和细胞拉伸之间,并且可以推广到各种各样的细胞力学微环境中。（5）采用模拟和实验相结合的方法,探究了细胞形状变化对多极纺锤体结构的影响。在圆形细胞中多极纺锤体呈现正多边形结构,随着细胞长宽比的增加,多极纺锤体也会被逐渐压缩,最终发展为直线形结构。这个现象在实验中得到了验证,并且能够利用细胞形状相关的力学平衡机制进行解释。本文不仅提供了研究纺锤体力学-生物学行为的通用的新工具,而且通过对一些关键问题的研究,解释了一些已有的实验现象,并提供了很多新的预测和部分的实验验证。本文的研究有助于进一步深入了解纺锤体的力学行为和相关调控机制,对进一步认识细胞分裂和发展力生物学应用具有十分重要的价值。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 李景辰
导师: 姜洪源
关键词: 细胞分裂,纺锤体,自组装,细胞形状与大小,长度调控,定位和取向,粘弹性,多极结构
来源: 中国科学技术大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 生物学
单位: 中国科学技术大学
分类号: Q253
总页数: 172
文件大小: 18149K
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标签：细胞分裂论文; 纺锤体论文; 自组装论文; 细胞形状与大小论文; 长度调控论文; 定位和取向论文; 粘弹性论文; 多极结构论文;