细胞体积对细胞粘附、脱粘和力学性质的调控机制研究

发布时间：2020-04-25 16:54

【摘要】：细胞的微环境中存在着许多力学刺激。由于缺少坚硬的细胞壁来抵抗变形,在力学刺激的作用下,动物细胞的体积会发生很大的变化。而细胞体积的变化能进一步影响细胞的力学性质、细胞粘附、细胞迁移、细胞增殖和干细胞分化等生理过程。因此,为了能够稳定地执行自身的生理功能,细胞需要主动地调节体积大小来稳定自身的内部结构和力学性质。但是,目前为止很多研究都忽略了细胞体积变化的影响。因此,研究细胞体积调节的力学机制以及细胞体积调控如何影响细胞的生理过程,能更好地了解细胞体积与细胞生理功能之间的调控机制。体内和体外的细胞基本都处于粘附状态,因此细胞与细胞外基质间的粘附也对细胞的很多生理过程有着重要的影响。与外界基底的粘附可使得细胞能够感知周围环境的力学信号,并将力学信号传入细胞内部进而将力学信号传化为化学信号。在力学信号感知和传递的过程中,细胞的力学性质起着十分重要的作用,因为细胞的力学性质可以决定细胞在力学刺激下的响应幅度和形式。迄今为此,细胞体积、细胞粘附和细胞力学性质之间有着怎样的力学关联和耦合机制还不清楚。基于这个问题,本文研究细胞体积调控细胞粘附、脱粘和力学性质的力学机制。本文首先研究细胞体积的变化如何调控对称地粘附在两平行板间细胞的形貌和动力学响应。依赖于粘附细胞的大小、两板间的间隔、细胞与板间的粘附能密度和可变形板的硬度,细胞可以形成稳定的(内凹或者外凸)或者不稳定的(细胞自发破裂或者崩塌)粘附形貌,并且不稳定的粘附形貌是由体积变化直接引起的。此外作为一个体积可变的开放系统,细胞的力学响应还与加载历史和加载速率有关。再接着,本文研究细胞粘附到单个基底表面时,基底的力学和物理性质如何调控细胞的体积大小。在动态粘附过程中细胞体积会显著减小,而且稳定粘附后细胞的体积随着基底硬度、可粘附面积和粘附能密度的增大,细胞体积可以减小50%以上。细胞粘附导致细胞体积收缩的原因是细胞粘附会导致肌动蛋白皮层张力增大进而压缩细胞将水和离子挤出细胞外。随后,通过研究非特异性粘附和特异性粘附细胞的脱粘过程,本文系统地比较了细胞体积调控和受体-配体键的动力学特性对细胞脱粘速率相关性的贡献比例。由体积调控和受体-配体键的动力学特性分别引起的速率相关性是相反的,并且这两者分别在不同的时间尺度下控制着细胞脱粘的速率相关性。外凸细胞的脱粘速率相关性主要来源于细胞体积的调控,而内凹细胞的速率相关性主要来源于受体-配体键的动力学特性。最后,本文还通过实验和理论结合研究双板压缩时细胞体积变化使得细胞表现出的力学性质。研究发现在高频和低频周期性压缩下,体积的变化使得细胞表现为弹性体,而在中间频率的周期性压缩下,体积变化使得细胞表现为粘弹性体。并且理论预测了细胞体积调控引起的粘性对于细胞整体粘性的贡献远远大于肌动蛋白皮层性粘性的贡献。本文首次揭示了细胞体积的主动调节可以导致细胞出现不稳定的粘附形貌,阐明了细胞粘附导致细胞压缩进而使得细胞体积减小的力学机理,还发现了细胞脱粘速率相关性和细胞粘弹性的新来源机制-体积调节。因此,本文的研究阐明了细胞体积变化调控细胞粘附、脱粘和力学性质的力学机制。此外,本文的结果也预示着细胞体积调控有可能在其他生理过程中起到重要的调节作用。
【图文】：

胞体积的减小会抑制细胞质中的囊泡输运［３］；邋（ｃ）渗透压机器［５］：水和离子的输运驱逡逑动细胞在受限环境中迁移；（ｄ）纺锤体长度与细胞体积的大小成正比［６］。逡逑和离子流出细胞［图１．１（ｃ）］。因此，细胞前后两端水和离子跨膜输运的差异能够逡逑驱动细胞在受限管道内迁移，这一驱动力与细胞粘附和肌球蛋白的主动收缩无逡逑关，是一个与细胞在二维基底上的迁移时完全不一样的驱动力。受限空间内由体逡逑积变化引起的细胞迁移的机制被称为“渗透压引擎模型”（Ｏｓｍｏｔｉｃｅｎｇｉｎｅ邋Ｍｏｄｅｌ）。逡逑根据这个机制，可以通过改变迁移细胞前端和后端的渗透压强度来控制细胞的逡逑迁移方向与速度。细胞前端和后端阴、阳离子跨膜输运的差异还可使得细胞在外逡逑加电场的作用下出现定向迁移（趋电性）［１５］。逡逑细胞体积的大小还能显著影响细胞的活性、增殖、分化以及凋亡等。在细胞逡逑受到压缩时，细胞体积的减小可以释放细胞内部的压力从而增大细胞在压缩加载逡逑下的活性［１６，１７］。细胞体积的大小还可以控制细胞核的大小ｔ１８］和细胞核中染色质逡逑的浓缩程度［１９］从而影响细胞的增殖［２Ｇ，，２１】、纺锤体的长度［图ｌ．ｌ（ｄ）］［６］和千细胞逡逑的分化趋势［２２］。细胞程序性死亡（Ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ邋Ｃｅｌｌ邋Ｄｅａｔｈ，邋ＰＣＤ）时一个明显的形逡逑貌特征是显著的体积收缩ｐ３］

不同于植物细胞与细菌，动物细胞缺少坚硬的细胞壁来抵抗外界环境变化逡逑所引起的体积变化，因此动物细胞需要主动地调控自身体积的大小来适应不同逡逑的生理环境［３５］。如图１．２（ａ）所示，在低渗冲击下，细胞体积首先会快速膨胀，接逡逑着细胞可以通过主动调节自身水和离子的跨膜输运来慢慢减小体积以便恢复到逡逑初始的体积大小。细胞体积膨胀后恢复到初始体积大小的过程称为调节性体积逡逑减小（Ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙ邋Ｖｏｌｕｍｅ邋Ｄｅｃｒｅａｓｅ，ＲＶＤ）。而在高渗刺激下，细胞体积首先会快逡逑速减小，接着通过调节水和离子的跨膜输运，细胞体积又慢慢增大到初始的体积逡逑大小［图１．２（ｂ）］。细胞体积缩小之后恢复到初始体积大小的过程称为调节性体积逡逑增大（Ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙ邋Ｖｏｌｕｍｅ邋Ｉｎｃｒｅａｓｅ，ＲＶＩ）。这些体积调节过程可以使得细胞能够在逡逑不同的生理条件下保持体积的稳定。这种体积调节行为有助于稳定细胞形貌，例逡逑如圆柱形的轴突细胞在低渗环境中的体积膨胀会导致轴突形貌的失稳，由圆柱逡逑形变化成串珠形（Ｐｅｒｉｓｔａｌｔｉｃ邋Ｓｈａｐｅ）。通过自身低渗刺激后的调节性体积减小这一逡逑过程，轴突细胞可以消除外界渗透压变化所导致的形貌变化，并在几分钟内恢复逡逑到圆柱形｜３６］。逡逑细胞主要是通过调控水和离子的跨膜输运来调节自身的体积大小。细胞膜逡逑两侧的静水压差与渗透压差可以直接控制水和离子的跨膜输运。水是不可压缩逡逑的，因此水的跨膜输运会直接导致细胞体积的变化，而离子的跨膜输运会改变细逡逑３逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q27


本文编号：2640467