Деление клеток-это фундаментальный процесс, необходимый организмам для размножения, роста и восстановления. Но когда ошибка нарушает этот сложный биологический процесс, клеточные аномалии могут привести к заболеваниям, таким как рак, где клетки получают возможность расти и делиться бесконтрольно.

источник: i24.info

Используя комбинацию экспериментов и математического моделирования, команда исследователей из Вирджинского технологического отделения биологических наук в колледже науки и Института естественных наук Фралина начинают разгадывать механизмы, лежащие в основе тетраплоидии-хромосомной аномалии, которая часто встречается в злокачественных опухолях.

Тетраплоидная митотическая клетка RPE-1. Центриоли показаны зеленым цветом (две точки На каждом полюсе центросомы/веретена); микротрубочки показаны красным цветом; хромосомы показаны синим цветом. Изображение было получено на широкополевом флуоресцентном микроскопе.

Их результаты были опубликованы 29 апреля в eLife, журнале открытого доступа, посвященном исследованиям в области естественных наук.

«Наше исследование использовало анализ фиксированных клеток, визуализацию живых клеток и математическое моделирование, чтобы помочь нам лучше понять роль тетраплоидии в формировании и прогрессировании опухоли. Эта работа закладывает основу для будущих исследований, чтобы действительно понять связь между тетраплоидией и раком. Если мы знаем, что происходит с опухолями, то у нас может быть лучшее представление о том, как разработать лучшие методы лечения для них», — сказал Николаас Бодуэн, ведущий автор исследования и недавний доктор философии. выпускник кафедры биологических наук и программы БИОТРАНС, междисциплинарной аспирантуры биологов и инженеров.

Каждая человеческая «родительская» клетка содержит по две копии каждой хромосомы. Перед началом клеточного деления каждая хромосома дублируется, так что генетическая информация может быть равномерно распределена между двумя «дочерними» клетками. Но если родительская клетка не может завершить деление клетки, все четыре хромосомы выделяются в одну дочернюю клетку, что делает клетку тетраплоидной.

Когда тетраплоидные клетки приобретают в два раза больше хромосом, они также приобретают в два раза больше центросом. Среди их организационных и структурных функций центросомы играют ключевую роль в формировании микротрубочек и веретенообразных волокон, которые работают, чтобы разорвать хромосомы во время деления клеток. При избытке центросом хромосомы вытягиваются во многих различных направлениях, и деление клеток может иметь аномальные результаты.

Предыдущие исследования показали, что эти дополнительные центросомы могут вызывать образование опухоли, вызванное тетраплоидией. Но затем команда Virginia Tech наткнулась на два исследования в моделях прогрессирования рака, которые показали, что клетки изначально получали дополнительные центросомы, но со временем теряли их.

«Основная цель нашего исследования состояла в том, чтобы проверить, что тетраплоидные клетки теряют дополнительные центросомы, изучить динамику этого процесса и раскрыть механизм, который вызывает эту потерю центросом из тетраплоидных клеток»,-сказала Даниэла Чимини, профессор кафедры биологических наук и содиректор BIOTRANS.

Используя визуализацию живых клеток и анализ фиксированных клеток в модели in vitro, команда подтвердила, что тетраплоидные клетки действительно теряют дополнительные центросомы, которые они приобрели во время тетраплоидизации.

В экспериментах, основанных на математическом моделировании, они пришли к выводу, что потеря центросом происходит, когда делящиеся тетраплоидные клетки группируют свои дополнительные центросомы асимметрично. В результате одна из дочерних клеток унаследует одну центросому — вместо двух, что позволит клетке меньше страдать от сбоев деления клеток и производить больше клеток в долгосрочной перспективе.

Это открытие может объяснить, как некоторые виды рака могут сначала получить дополнительные центросомы во время тетраплоидизации, но затем потерять их на более поздних стадиях. Это указывает на то, что причинно-следственная связь между тетраплоидией и раком нуждается в дальнейшем исследовании.

Математическая модель также показала, что единственными клетками, которые могли бы поддерживать долгосрочное выживание с дополнительными центросомами, были клетки, которые могли бы успешно и последовательно группировать эти центросомы в две группы во время деления клеток. Эти предсказания были проверены экспериментально и показали механизм, который объясняет, почему некоторые раковые клетки выживают, несмотря на их дополнительное количество центросом. И если клетки не смогли эффективно сгруппировать свои дополнительные центросомы, следующее поколение дочерних клеток умирало.

Бодуэн и Чимини согласны, что этот уровень механистического понимания стал возможен только благодаря их сотрудничеству с Цзин Чэнем, математическим биологом и ассистентом профессора биологических наук в Вирджинском технологическом колледже науки.

«Построенная на экспериментальных измерениях, математическая модель рисует непрерывную и детальную картину того, как меняются числа центросом клеток. Это позволяет нам видеть информацию, которая не может быть измерена с помощью экспериментов.- сказал Чен, член отделения Института биологических наук и БИОТРАНСА Фралина.

Затем команда хотела бы воспользоваться преимуществами своей модели, чтобы лучше понять клеточную динамику в трехмерных культурах и реальных опухолях.

В своей системе in vitro команда могла получить представление о том, что происходит внутри клеток, отслеживая и визуализируя их, но это не может быть сделано в более сложных системах, таких как реальные опухоли. С их новейшей моделью и предыдущими данными команда сможет сделать некоторые убедительные прогнозы.

По мнению Чэна, успех нынешних и будущих исследований рака можно объяснить уникальным, но чрезвычайно важным сотрудничеством между исследователями в области биологии и математики.

»Это тесное сотрудничество между экспериментатором и моделистом очень важно — и это отличный подход для моделирования биологических исследований. Этот процесс требует очень тесного общения между нами. Когда это делается правильно, он может быть очень мощным", — сказал Чэнь.