肌球蛋白II缺失对粘附状态下哺乳动物细胞胞质分裂影响的研究

论文摘要

胞质分裂是一个涉及生物学和力学的复杂过程,其分裂模式也是多种多样。其中不依赖于肌球蛋白II、与细胞周期耦合的、黏附状态下的胞质分裂模式B在真核生物和动物细胞中普遍存在,可能是比经典的收缩环模式更原始的一种分裂方式。弄清胞质分裂模式B的机制,不仅可以深入了解促进细胞进行胞质分裂的各个调节途径之间的关系,从更广泛意义上阐明胞质分裂的机制,而且能够为揭示细胞增殖和生命延续的奥秘,认识与胞质分裂相关疾病(癌症等)的发病机理、药物设计和疾病治疗提供理论依据。以往研究主要针对粘菌细胞胞质分裂模式B机制进行了一定探索,但未见针对哺乳动物细胞的研究。本研究以贴壁生长的鼠肾上皮细胞(NRK)为研究对象,采用显微图像动态采集和分析、细胞免疫荧光和细胞力学等实验技术,研究了肌球蛋白II缺失对NRK细胞分裂的影响,首次从从细胞材料力学特性和细胞运动角度对粘附状态下、肌球蛋白II缺失的哺乳动物细胞胞质分裂机制进行了探索。主要工作内容和结论如下:1.对正常NRK细胞胞质分裂过程进行了观察和描述,讨论了起泡行为的可能机制和子细胞铺展模式与间期母细胞的关系。并利用微管吸吮技术及相关理论对正常间期NRK细胞的表面张力、粘弹性进行了测定。结合形态学、细胞力学特性和肌球蛋白II马达做功,分析了NRK细胞胞质分裂过程中分裂沟收缩产生的力和应力,验证了肌球蛋白II在正常NRK细胞分裂沟收缩中的作用。2.研究了肌球蛋白II缺失对NRK细胞分裂的影响。分别于分裂中期和后期施加肌球蛋白II抑制剂,通过CCD对肌球蛋白II缺失的NRK细胞胞质分裂进行动态图像采集,并利用显微图像分析软件对细胞间桥形态学进行了定量分析,采用细胞免疫荧光技术检测了肌动蛋白的分布。研究发现:(1)肌球蛋白II缺失并不影响间期NRK细胞突出运动和肌动蛋白在分裂沟的组装和定位;(2)肌球蛋白II缺失可引起NRK细胞核分裂受阻或延迟,并使子细胞突出运动丧失极性。(3)对细胞间桥变细形态学进行量化发现:无论是正常组还是肌球蛋白II缺失组细胞,其间桥变细曲线均先表现出指数衰减,而后为线性下降。在Dx点(细胞间桥直径和长度相等)之前,肌球蛋白II缺失的NRK细胞间桥变细曲线明显不同于对照组细胞,细胞间桥直径迅速变细,曲线明显变陡;而Dx点之后各参数无明显差别。3.对细胞材料特性在肌球蛋白II缺失的NRK细胞胞质分裂中的作用进行了研究。采用已有的细胞间桥变细力学模型,结合NRK细胞间桥变细形态学参数及细胞力学特性,对正常、DMSO处理组和肌球蛋白II抑制组的细胞间桥变细曲线进行分析发现:细胞表面张力对肌球蛋白II缺失的NRK细胞间桥变细曲线影响很大。细胞间桥与子细胞之间的压力差有助于肌球蛋白II缺失的NRK细胞完成胞质分裂。在考虑变边界、质膜为超弹性以及胞浆为粘性不可压缩流体的基础上,建立了可以动态反映细胞间桥变形过程中形态学和力学参数时空分布的力学模型。4.采用细胞免疫荧光以及肌动蛋白抑制剂对细胞运动在肌球蛋白II缺失的NRK细胞胞质分裂中的作用进行了研究。结果发现:肌球蛋白II缺失的NRK细胞在胞质分裂早期两极的扇形板状突出中富集了大量肌动蛋白纤维。对肌球蛋白II缺失的NRK子细胞施加肌动蛋白抑制剂使胞质分裂明显受阻,细胞两极相对距离明显下降,子细胞运动参与了肌球蛋白II缺失的NRK细胞胞质分裂。由此得出:粘附生长的NRK细胞在肌球蛋白II缺失的情况下,整个细胞表面张力降低,胞质分裂所需的缢缩力明显减小,由肌动蛋白介导的子细胞极区突出运动产生方向相反的牵张力,不仅促进了子细胞的分离,而且使分裂沟的表面张力增大,增大的表面张力加大了细胞间桥与子细胞之间的压力差,胞浆从细胞间桥向两个子细胞流动加速。细胞间桥不断变细,使间桥与子细胞之间的压力差效应更加显著,从而促进了肌球蛋白II缺失NRK细胞的胞质分裂。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 胞质分裂的生物学基础
• 1.1.1 细胞周期
• 1.1.2 肌球蛋白II 的结构和功能
• 1.1.3 肌动蛋白的结构和功能
• 1.2 胞质分裂的生物学模式
• 1.2.1 胞质分裂模式A
• 1.2.2 胞质分裂模式B
• 1.2.3 胞质分裂模式C
• 1.2.4 助产式胞质分裂
• 1.3 胞质分裂力学研究进展
• 1.3.1 胞质分裂中的力学基础及力学现象
• 1.3.2 粘弹性的分子生物学基础
• 1.4 胞质分裂力学中采用的细胞力学研究手段及相关模型
• 1.4.1 微管吸吮技术
• 1.4.2 微玻璃针（或玻璃盘）探压针技术
• 1.4.3 原子力显微镜技术
• 1.4.4 激光跟踪微流变技术
• 1.4.5 流动腔技术
• 1.5 动物细胞有丝分裂的几种模型
• 1.6 本文研究的主要内容
• 第二章 实验方法
• 2.1 主要试剂及仪器
• 2.2 鼠肾上皮细胞（NRK）的体外培养
• 2.3 Blebbistatin 的药物作用机理
• 2.4 细胞免疫荧光染色
• 2.5 NRK 细胞内肌球蛋白II 含量的确定
• 2.5.1 NRK 细胞内总蛋白的测定
• 2.5.2 分裂沟内肌球蛋白-II 单体个数的确定
• 2.6 图像观察、采集及处理
• 2.7 微管吸吮系统
• 2.8 数据处理
• 2.9 本章小结
• 第三章 正常NRK 细胞胞质分裂过程及细胞力学特性研究
• 3.1 正常NRK 细胞胞质分裂过程
• 3.2 NRK 细胞力学特性的研究
• 3.2.1 NRK 细胞表面张力的测量
• 3.2.2 NRK 细胞粘弹性的测量
• 3.2.3 讨论
• 3.3 分裂沟缢缩力的计算
• 3.4 NRK 细胞分裂沟内环向应力的变化
• 3.5 本章小结
• 第四章 肌球蛋白II 缺失对NRK 细胞胞质分裂的影响
• 4.1 肌球蛋白II 缺失对间期NRK 细胞的影响
• 4.2 肌球蛋白II 缺失对核分裂及子细胞极性的影响
• 4.3 肌球蛋白II 缺失对肌动蛋白在分裂沟定位的影响
• 4.4 肌球蛋白II 缺失对NRK 细胞间桥动力学的影响
• 4.4.1 细胞间桥的定义和测量
• 4.4.2 肌球蛋白II 缺失对NRK 细胞间桥动力学的影响
• 4.5 讨论
• 4.6 本章小结
• 第五章 细胞材料特性在肌球蛋白II 缺失的NRK 细胞胞质分裂中作用的研究
• 5.1 细胞间桥变细力学模型
• 5.2 NRK 细胞间桥动力学的理论计算及讨论
• 5.3 细胞间桥变细力学模型的改进
• 5.3.1 控制方程及边界条件
• 5.3.2 膜表面及胞浆各点的力和流动速度的计算
• 5.3.3 质膜变形过程中膜张力的计算
• 5.4 本章小结
• 第六章 细胞运动在肌球蛋白II 缺失的NRK 细胞胞质分裂中作用的研究
• 6.1 细胞松弛素D 对正常NRK 细胞胞质分裂的影响
• 6.2 肌动蛋白在肌球蛋白II 缺失细胞胞质分裂中的作用
• 6.3 讨论
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文工作总结及展望
• 7.1 全文工作总结
• 7.2 本文的创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参与的国家基金项目及发表的学术论文目录