細(xì)胞分裂是生物體繁殖，生長(zhǎng)和修復(fù)的基本過(guò)程。但是，當(dāng)錯(cuò)誤破壞了這個(gè)復(fù)雜的生物過(guò)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(zhǎng)并失控。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)建模的結(jié)合，來(lái)自科學(xué)學(xué)院的弗吉尼亞理工學(xué)院生物科學(xué)系和弗蘭林生命科學(xué)研究所的研究人員團(tuán)隊(duì)開始揭示四倍體背后的機(jī)制-四倍體是一種經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的染色體異常在惡性腫瘤中。

他們的發(fā)現(xiàn)于4月29日發(fā)表在致力于生命科學(xué)研究的開放式期刊eLife上。

“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(lái)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)工作為將來(lái)的研究奠定基礎(chǔ)，以真正了解四倍體與癌癥之間的聯(lián)系。知道了腫瘤中發(fā)生了什么，那么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(shuō)。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)被復(fù)制，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?cè)诩?xì)胞分裂過(guò)程中將染色體拉開。由于中心體過(guò)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(shuō)：“ 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(guò)程的動(dòng)力學(xué)過(guò)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(guò)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(duì)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(zhǎng)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(guò)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)，唯一能在額外的中心體中維持長(zhǎng)期存活的細(xì)胞是能夠在細(xì)胞分裂過(guò)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(cè)已通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)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。

鮑杜因和西米尼都同意，只有與弗吉尼亞理工大學(xué)數(shù)學(xué)生物學(xué)家兼生物科學(xué)助理教授荊晨合作，才能實(shí)現(xiàn)這種機(jī)械理解水平。

“建立在實(shí)驗(yàn)測(cè)量的基礎(chǔ)上，數(shù)學(xué)模型描繪出有關(guān)細(xì)胞中心體數(shù)目如何變化的連續(xù)而詳細(xì)的圖像。這使我們能夠看到實(shí)驗(yàn)無(wú)法測(cè)量的信息。” 陳說(shuō)，弗蘭林生命科學(xué)研究所和BIOTRANS的副教授。

接下來(lái)，研究小組希望利用他們的模型來(lái)更好地了解三維文化和真實(shí)腫瘤中的細(xì)胞動(dòng)力學(xué)。

在他們的體外系統(tǒng)中，研究小組可以通過(guò)跟蹤和成像來(lái)了解細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的事情，但是在像真實(shí)腫瘤這樣的更復(fù)雜的系統(tǒng)中卻無(wú)法做到這一點(diǎn)。利用他們的最新模型和之前的數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)將能夠做出一些令人信服的預(yù)測(cè)。

Chen認(rèn)為，當(dāng)前和未來(lái)癌癥研究的成功可以歸因于生物學(xué)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域研究人員之間獨(dú)特但重要的合作。

“實(shí)驗(yàn)者和建模者之間的這種密切合作非常重要，這是對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)行建模的一種很好的方法。該過(guò)程需要我們之間進(jìn)行很多密切的交流。如果正確完成，它會(huì)非常強(qiáng)大。”陳