細胞分裂是生物體繁殖，生長和修復(fù)的基本過程。但是，當錯誤破壞了這個復(fù)雜的生物過程時，細胞異常會導(dǎo)致疾病，例如癌癥，使細胞得以生長并失控。

通過實驗和數(shù)學(xué)建模的結(jié)合，來自科學(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隊開始揭示四倍體背后的機制-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胞分析，活細胞成像和數(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展中的作用。這項工作為將來的研究奠定基礎(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。畢業(yè)于生物科學(xué)系和BIOTRANS計劃，這是生物學(xué)家和工程師的跨學(xué)科研究生計劃。

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

當四倍體細胞獲得兩倍的染色體時，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，因此細胞分裂會產(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展模型中進行了兩項研究，結(jié)果表明這些細胞最初獲得了額外的中心體，但隨著時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證四倍體細胞是否損失了額外的中心體，研究了這一過程的動力學(xué)過程，并揭示了導(dǎo)致四倍體細胞損失這種中心體的機制。”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胞成像和固定細胞分析，證實四倍體細胞確實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)的實驗中，他們得出的結(jié)論是，分裂四倍體細胞不對稱地聚集其多余的中心體時，就會發(fā)生中心體損失。結(jié)果，子細胞之一將繼承一個中心體，而不是兩個。這將使該細胞長期遭受較少的細胞分裂失敗并產(chǎn)生更多的細胞。

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期存活的細胞是能夠在細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胞。這些預(yù)測已通過實驗進行了測試，并揭示了一種機制，該機制解釋了為何某些癌細胞盡管存在額外的中心體計數(shù)卻能存活。如果細胞未能有效地聚集其多余的中心體，下一代子細胞就會死亡。

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，才能實現(xiàn)這種機械理解水平。

“建立在實驗測量的基礎(chǔ)上，數(shù)學(xué)模型描繪出有關(guān)細胞中心體數(shù)目如何變化的連續(xù)而詳細的圖像。這使我們能夠看到實驗無法測量的信息。” 陳說，弗蘭林生命科學(xué)研究所和BIOTRANS的副教授。

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

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

Chen認為，當前和未來癌癥研究的成功可以歸因于生物學(xué)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域研究人員之間獨特但重要的合作。

“實驗者和建模者之間的這種密切合作非常重要，這是對生物學(xué)研究進行建模的一種很好的方法。該過程需要我們之間進行很多密切的交流。如果正確完成，它會非常強大。”陳