IMECH-IR  > 国家微重力实验室
人胚胎干细胞力学组学及流体剪切下的功能研究
Alternative TitleMechanomics of Human Embryonic Stem Cells and Functional Tests under Shear Flow
王家文
Thesis Advisor龙勉
2016
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral北京
Subtype博士
Degree Discipline一般力学与力学基础
Abstract胚胎干细胞是从5天的囊胚内细胞团中获得的多能干细胞,是研究胚胎发育和细胞分化过程的模型,并为再生医学提供细胞来源。长期以来,生物学家研究重点在可溶性因子对干细胞分化的影响上,但胚胎干细胞的生长受到不同的生化和力学微环境的影响,近年来的证据表明力学因素也可以通过粘附斑、离子通道等力学感受器激活胞内信号通路,进而影响其分化、迁移等过程。目前对胚胎干细胞力学感受机制的研究还是唯象的,依赖于具体的实验条件,力学微环境对干细胞分化的力学调控及引起的胞内信号转导机制目前还不清楚,同时细胞对力学刺激做出应答的整体规律还需深入研究。 本文针对干细胞生物力学研究的需要,搭建了基于蠕动泵的流动腔式培养器流体控制模块,可以实现不同波形、不同流量的多模态控制模式。然后,以胚胎干细胞的分化为研究背景,以人胚胎干细胞系H1为研究对象,运用力学组学(细胞受到的全部力学刺激及其做出的系统性应答)的思想,以自行研制的流动腔、商业化拉伸仪及定量蛋白质组学为研究技术,采用不同的具有生理意义的力学刺激参数,对胚胎干细胞响应不同力学刺激的蛋白质组学进行系统研究,以期找到胚胎干细胞响应力学刺激的应答机制。本文工作主要包括以下三个方面: (1)hESC细胞的力学组学。胚胎干细胞可承受剪切、拉伸等不同类型力学刺激,静态、动态等不同加载模态,以及幅值、频率、作用时间等不同参数的调控。本文选取了胚胎干细胞的典型力学参参数,流体剪切刺激包括1 h与24 h两个时间、恒定流与1 Hz脉动流两个模态、0.5 Pa与1.1 Pa两个振幅;力学拉伸刺激包括1 h与12 h两个时间、1 Hz与0.1 Hz两个频率、连续与间歇两个模态。流体剪切刺激和拉伸刺激均采用完全实验设计,各8种,共计16种组合。 流体剪切刺激下共得到了13个模态敏感蛋白,18个振幅敏感蛋白和41个时间敏感蛋白;拉伸刺激下共得到了37个模态敏感蛋白,41个频率敏感蛋白和23个时间敏感蛋白。刺激类型对蛋白质整体表达模式的影响最大;在流体剪切刺激组内,时间的影响最大,其次为振幅,最后是模态;在拉伸刺激组内,频率的影响最大,模态和时间的聚类规律不明显。 人胚胎干细胞对不同力学刺激的响应具有共同的规律。每条染色体上(Y除外)的流体剪切敏感蛋白与拉伸敏感蛋白大致相等,二者的整体亚细胞定位也相似。功能富集分析发现不同力学刺激下核糖体合成、乙酰化等过程均显著受到影响,不同的力学刺激收敛于细胞核,提示细胞核是一种能够对力学刺激普遍做出应答的细胞器。 (2)流体剪切下hESC细胞的力学-化学耦合。流体剪切通过上调F-actin结合蛋白CFL2及增加其核定位促使H2B乙酰化和细胞核铺展,二者共同引起染色质的去凝集,染色质去凝集改变了细胞核的力学性质,使细胞核变软。流体剪切使胚胎干细胞背向来流方向的伪足收起,呈现出极性,并通过伪足内的CFL2与F-actin正向调节集落边缘处的H2B乙酰化水平,使集落边缘细胞的乙酰化程度远远高于集落内部的细胞。 (3)微重力下微丝蛋白组装动力学。作为此项研究的延伸,对纯化的G-actin进行体外生化分析,发现空间微重力环境下微丝组装减弱,且微丝组装具有浓度依赖性:0.12 mg/mL是最为适宜的浓度,更低浓度下微丝含量太少而无法形成便于观察的特征结构,更高浓度下微丝网络结构遭到破坏。基于反应-扩散方程的数值模拟结果表明,微丝组装量随G-actin浓度的增加而增加,微丝组装时没有形成与微管类似的周期性振荡结构,与实验观察一致。实验工作由本文作者完成,数值模拟由杨浩博士生完成。 综上,本文第一次运用力学组学的观点对胚胎干细胞的力学应答机制进行了深入研究,发现不同的力学加载类型和参数对蛋白表达模式具有不同的作用,并得到了一批力学敏感蛋白;上述力学敏感蛋白的数量和定位具有相似的特征,显示出整体受控的特点;细胞骨架的结构与细胞(核)形态及其力学性质受到力学刺激的调控;流体剪切通过细胞骨架调控H2B乙酰化。以上研究结果为细胞的力学应答机制提供了新的思路和线索。
Call Number31354
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/59445
Collection国家微重力实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
王家文. 人胚胎干细胞力学组学及流体剪切下的功能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2016.
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