本文關鍵詞：對細胞周期時程補償和同步化機制的計算研究

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【摘要】：細胞周期也稱為細胞分裂周期,是指細胞從一次分裂完成后到下一次分裂結(jié)束所經(jīng)歷的全過程,這個過程所需要的時間稱為細胞周期時間。根據(jù)細胞周期過程中DNA含量的變化,可將細胞周期分為四個連續(xù)進行的過程,它們分別是G1期(DNA合成前期)、S期(DNA合成期)、G2期(DNA合成后期)M期(有絲分裂期)。在胚胎發(fā)育或腫瘤細胞中,由于生長因子和調(diào)控信號的作用,細胞周期沿著G1期→S期→G2期→M期方向有條不紊地進行,并周而復始地重復這一過程。細胞周期的動態(tài)過程通過許多細胞信號進行調(diào)節(jié),不同的信號調(diào)節(jié)不同基因的表達、翻譯后修飾、分子間的相互作用以及蛋白的降解,這些信號蘊含了多種正負反饋調(diào)節(jié)機制,確保了細胞周期的有序進行。 細胞周期調(diào)控機制的核心是不同的蛋白激酶在細胞周期的特定時刻被激活,磷酸化相應的底物,推動細胞周期時相的轉(zhuǎn)換。其中,細胞周期蛋白(cyclin)是調(diào)控細胞周期的最基本成分,它們總是保持周期性的表達與降解。細胞周期蛋白依賴性激酶(Cyclin-dependent kinase, Cdk)是細胞周期的主要運營者,它們被cyclin激活后,在細胞質(zhì)中與cyclin結(jié)合形成cyclin/Cdk復合物,構(gòu)成了細胞周期系統(tǒng)調(diào)控的核心組件。此外,Cdk還能在細胞周期的不同時相磷酸化不同的底物蛋白,控制細胞信號傳導,調(diào)控細胞的分化以及凋亡。再者,不同的cyclin/Cdk復合物被相應的細胞周期蛋白依賴性激酶抑制蛋白(Cyclin-dependent kinases inhibitor, CKI)調(diào)節(jié),抑制其活性,細胞周期的運轉(zhuǎn)缺乏動力,引發(fā)細胞周期停頓或終止。為確保細胞周期的可靠進行,細胞需通過一系列的檢測點(包括start checkpoint, G2/M checkpoint, metaphase-to-anaphase transition等)來監(jiān)控細胞周期事件在時間上的有序性。細胞周期檢測點是細胞內(nèi)的監(jiān)控機構(gòu),保證了細胞內(nèi)分子間交互事件的精確有序進行。 細胞周期的精確調(diào)控對生物的生存、繁殖、發(fā)育和遺傳均很重要。對簡單生物來說,即單細胞生物,調(diào)控細胞周期主要是為了適應自然環(huán)境,根據(jù)環(huán)境狀況來調(diào)節(jié)繁殖速度,保證物種的繁衍。復雜生物的細胞則要應對來自于自然環(huán)境以及其他細胞與組織的信號,并做出正確的反應,從而保證組織、器官和個體的形成、生長以及創(chuàng)傷愈合等過程能夠正常進行。因此,復雜生物的細胞有著更為精確的細胞周期調(diào)控機制。細胞周期調(diào)控機制的異常和多種人類疾病相關,當細胞周期失調(diào)時,細胞將無限增殖,引發(fā)腫瘤和癌癥,因此細胞周期調(diào)控機制的研究在細胞生物學領域中占有重要地位。 自19世紀以來,人們對細胞周期調(diào)控機制展開了大量研究,從基礎的實驗觀察到許多理論概念的提出,獲得了巨大的進步。2001年10月8日,瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學研究院宣布由利蘭.哈爾威爾(Leland Hartwell)、保羅.納斯(Paul Nurse)和提摩西.亨特(Timothy Hunt)共享2001年度諾貝爾生理學／醫(yī)學獎,表彰他們發(fā)現(xiàn)了細胞周期中的關鍵調(diào)節(jié)因子。這三位先驅(qū)的成果構(gòu)成了細胞周期調(diào)控機制的框架,并迅速推動了細胞周期與腫瘤發(fā)生和抑制機制等方面的研究。隨著對細胞周期調(diào)控機制研究的日益深入以及系統(tǒng)生物學的快速發(fā)展,許多計算研究者開始構(gòu)造細胞周期的數(shù)學模型并進行計算研究,揭示細胞周期調(diào)控的內(nèi)在機制與重要特性。本文將對細胞周期調(diào)控過程中的兩個重要方面進行研究,即細胞周期時程補償機制和細胞周期同步化機制。 由于定量描述細胞周期調(diào)控中的大量分子活動十分復雜,迄今為止的計算研究側(cè)重于兩個方面,一是G1/S期或G2/M期調(diào)控網(wǎng)絡中的反饋,例如控制細胞周期啟動的Rb/E2F1間反饋以及控制G2/M期的string/Weel/CDKB間的正負反饋；二是重要反饋環(huán)路的非線性特性,例如CDKE (cyclin E/Cdk2)、CDKA (cyclin A/Cdkl)、CDKB (cyclin B/Cdkl)復合物的活性受磷酸化、去磷酸化、CKI等調(diào)節(jié)過程的非線性特性。迄今為止,完整描述G1/S/G2/M四個時期的數(shù)學模型依舊很少。本研究在匯集大量實驗報道的基礎上,建立了一個描述果蠅完整細胞周期的數(shù)學模型。 穩(wěn)固性(robustness)是生物系統(tǒng)整體特性中的一種,它指當生物系統(tǒng)受到外部信號擾動或內(nèi)部環(huán)境變化等不確定因素干擾時,仍保持其結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定的一種性質(zhì)。環(huán)境中的物理和化學因素、食物和藥物等都是擾動生物系統(tǒng)的外部因素,而細胞內(nèi)生物分子的變化、細胞代謝的失控等都是干擾生物系統(tǒng)的內(nèi)部因素。細胞周期的穩(wěn)固性表現(xiàn)為細胞在受到多種因素的干擾時,能夠保持正常的增殖與生長周期,如細胞周期時程、事件次序及不可逆性等均不發(fā)生改變。一個合理的細胞周期數(shù)學模型必須具有較高的穩(wěn)固性,它表現(xiàn)為當模型中的參數(shù)在較大范圍內(nèi)變動時,模型依然能夠模擬細胞周期性的活動。本文檢驗了作者提出的數(shù)學模型的穩(wěn)固性,并考察了其雙穩(wěn)態(tài)性和不可逆性。 當細胞分裂時,多種調(diào)節(jié)信號能夠引起G1/S期或G2/M期延長,細胞相應地出現(xiàn)G2/M期或G1/S期縮短,使細胞周期總時程幾乎不變,這就是有趣的細胞周期時程補償現(xiàn)象。當組織或器官生長到一定程度時,異步分裂的細胞開始同步化并隨即停止分裂,這是細胞周期同步化現(xiàn)象。本文主要探究上述兩種現(xiàn)象的調(diào)控機制與定量特性。 本研究以果蠅細胞周期為研究對象,在大量實驗數(shù)據(jù)的基礎上建立了一個完整細胞周期的數(shù)學模型。該數(shù)學模型包含了細胞周期調(diào)控通路中的所有關鍵分子,描述了重要的反饋網(wǎng)絡。模型中23個常微分方程通過標準的變步長二階龍格-庫塔法求解,步長由一個絕對誤差和一個相對誤差閾值(均設為0.00001)進行控制。本研究的創(chuàng)新之處在于,第一,描述了完整的G1/S/G2/M周期,第二,包含了Rux、Dap兩個抑制因子,第三,不僅計算了分子濃度的連續(xù)變化,還定義了離散事件來俘獲分子交互作用,借助于分析離散事件發(fā)生的次序來揭示細胞周期調(diào)控的重要機制。本文的主要研究工作如下： 1)確定和了解細胞周期調(diào)控系統(tǒng)的重要分子,總結(jié)了基因調(diào)控和分子交互網(wǎng)絡,并根據(jù)已有的實驗報道簡化了網(wǎng)絡,用關鍵分子描述了細胞周期調(diào)控機制的框架,構(gòu)造了一個完整簡練的細胞周期調(diào)控系統(tǒng)模型； 2)用23個常微分方程描述了細胞周期調(diào)控通路中的23個關鍵分子,在Linux系統(tǒng)下利用兩個層次的編程語言實現(xiàn)了該模型。作者系統(tǒng)地改變了細胞周期模型的組成分子或模擬條件,觀測了在不同情況下蛋白質(zhì)表達和相互作用、代謝速率等的變化,比較了細胞生物實驗數(shù)據(jù)與模型輸出結(jié)果,修正了初始的模型方程以及模型參數(shù)。在整個建模過程中,通過反復地修訂和精煉模型,最終得到了一個較全面的細胞周期數(shù)學模型,檢驗了該模型所呈現(xiàn)的細胞周期的雙穩(wěn)態(tài)性、不可逆性、穩(wěn)固性； 3)在得到一個較全面的細胞周期數(shù)學模型基礎上,進一步模擬了細胞周期時程補償以及細胞周期同步化過程； 4)在模擬計算細胞周期活動的過程中,分析了分子濃度的連續(xù)變化以及分子交互作用的離散事件的發(fā)生情況,驗證了若干重要的生物實驗結(jié)果,并進一步探索了細胞周期時程補償、細胞周期同步化機制及其聯(lián)系； 5)探索了同步化停滯于G1期的細胞如何再次進入細胞增殖周期。本文的研究結(jié)果與發(fā)現(xiàn)： 1)通過考察參數(shù)的攝動范圍可知,本文中的細胞周期數(shù)學模型具有高度的穩(wěn)固性,因而能夠相當合理地反映細胞周期的生物學特性。作為CDKE復合物的抑制因子,Dap過量表達直接引起G1/S期延長,細胞周期調(diào)控機制相應地則使G2/M期縮短。作為Cdkl的抑制因子,Weel過量表達直接引起G2/M期延長,細胞周期調(diào)控機制相應地使G1/S期縮短。在這兩種情形下,細胞周期總時程幾乎保持不變； 2)通過計算研究細胞周期時程補償過程,發(fā)現(xiàn)了E2F1是調(diào)控G1/S與G2/M周期補償機制的核心基因,并揭示了E2F1在調(diào)控補償機制的重要作用。當G1/S期延長時,E2F1通過調(diào)節(jié)string轉(zhuǎn)錄來促進cyclin B/Cdkl復合物的表達,引起G2/M期進程加速。當G2/M期延長時,E2F1通過調(diào)節(jié)cyclin E轉(zhuǎn)錄促進cyclin E/Cdk2復合物的表達,引起G1/S期進程加速； 3)當組織和器官生長到合適的大小時,調(diào)控信號引發(fā)異步分裂細胞的string大量表達,所有細胞先同步化再停止在G1期。string的大量表達促使G2期的細胞快速進入并完成M期,接著進入下一個G1期。而分別作為CDKE、CDKA復合物抑制因子的Dap和Rux的大量表達使得G1期的細胞不再進入S期,此時所有細胞都停滯于G1期； 4)在對細胞周期同步化過程進行計算研究中發(fā)現(xiàn),生長因子的減少或抑制因子的增多都會通過E2F1的核心調(diào)控作用發(fā)揮對細胞周期調(diào)控的影響,調(diào)整細胞G1或G2期時程,保證細胞周期完全同步化。由此推斷細胞周期時程補償與細胞周期同步化的機制具有內(nèi)在的聯(lián)系,細胞周期同步化可能是細胞周期時程補償現(xiàn)象的特例； 5)細胞生物實驗研究發(fā)現(xiàn)了Dap、Rux是調(diào)控細胞退出細胞周期的主要因子。本文的計算研究提示,在string高表達引起細胞周期同步化并停止分裂后,Dap表達改變可使細胞周期重啟。
【關鍵詞】：細胞周期 細胞周期時程補償 細胞周期同步化 反饋 數(shù)學模型
【學位授予單位】：南方醫(yī)科大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：R329.2
【目錄】：

• 摘要3-8
• ABSTRACT8-16
• 第一章 前言16-25
• 1.1 研究背景16-17
• 1.2 細胞周期調(diào)控系統(tǒng)17-22
• 1.2.1 cyclin18-19
• 1.2.2 Cdk及其復合物19-20
• 1.2.3 Rb蛋白與E2F20-21
• 1.2.4 APC21
• 1.2.5 細胞周期檢測點21-22
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀22-23
• 1.4 本文研究工作23-25
• 第二章 細胞周期調(diào)控系統(tǒng)建模25-43
• 2.1 系統(tǒng)的簡化25-27
• 2.2 數(shù)學模型的描述27-41
• 2.2.1 希爾函數(shù)27-28
• 2.2.2 去量綱化與正則化28-31
• 2.2.3 系統(tǒng)的劃分31
• 2.2.4 模型方程31-39
• 2.2.5 參數(shù)設置39
• 2.2.6 方程求解39-40
• 2.2.7 離散事件的定義與捕捉40-41
• 2.3 討論41-43
• 第三章 模型特性43-51
• 3.1 雙穩(wěn)態(tài)性43-44
• 3.2 不可逆性44-45
• 3.3 穩(wěn)固性45-49
• 3.4 討論49-51
• 第四章 細胞周期時程補償機制的模擬計算51-57
• 4.1 細胞周期時程補償現(xiàn)象51-52
• 4.2 模擬設置52-53
• 4.3 結(jié)果53-54
• 4.4 討論54-57
• 第五章 細胞周期同步化機制的模擬計算57-62
• 5.1 細胞周期同步化現(xiàn)象57-58
• 5.2 模擬設置58
• 5.3 結(jié)果58-60
• 5.4 討論60-62
• 第六章 避免細胞停滯于G1期的模擬計算62-67
• 6.1 G1期細胞停滯的避免62-63
• 6.2 模擬設置63-64
• 6.3 結(jié)果64-65
• 6.4 討論65-67
• 第七章 總結(jié)和展望67-69
• 參考文獻69-74
• 附錄74-75
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論著75-76
• 致謝76-77

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6 劉司寰;馬建e，

本文編號：705211