MARC

 008250123s2024        us                              c    eng  d
■001000017165082
■00520250211153121
■006m          o    d                
■007cr#unu||||||||
■020    ▼a9798346849537
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI31763267
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a530
■1001  ▼aZhu,  Hongkang.
■24510▼aMathematical  Modeling  and  Data-Driven  Analysis  of  Embryo  Development
■260    ▼a[Sl]▼bColumbia  University▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a134  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  86-06,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  O'Shaughnessy,  Ben.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--Columbia  University,  2024.
■520    ▼aEmbryo  development  is  a  highly  coordinated  process  where  genetic  regulation  and  mechanical  forces  interplay  to  drive  the  transformation  of  a  single  cell  into  a  complex,  multicellular  organism.  It  involves  many  fundamental  processes  such  as  cell  division,  cell  differentiation,  and  morphogenesis.  Morphogenesis,  the  shape  changes  of  tissue,  results  from  collective  cell  movement,  growth,  proliferation,  and  shape  changes,  guided  by  genetic  and  mechanical  cues.  Despite  the  comprehensive  data  obtained  from  experimental  measurements  and  advanced  imaging,  the  physical  mechanisms  underlying  morphogenesis  are  poorly  understood,  a  quantitative  cell  shape  pattern  that  describes  morphogenesis  has  yet  to  be  discovered,  and  the  coupling  between  cytoskeleton  that  generates  stress  and  shape  changes  has  not  been  quantitatively  demonstrated.To  address  these  unsolved  questions,  we  utilized  a  powerful  combination  of  first-principles  modeling  and  empirical,  data-driven  approaches.  Chapter  1  presents  our  mathematical  model  of  Drosophila  ventral  furrow  formation,  which  incorporates  actomyosin  contractile  stress  and  viscous  tissue  responses.  With  all  model  parameters  fitted  from  experiment,  our  model  quantitatively  explained  numerous  experimental  observations  in  wild-type  and  genetically  perturbed  embryos,  which  were  not  fully  explained  by  other  models  assuming  elastic  tissue  responses.  Our  model  revealed  that  the  tissue-scale  contraction  in  ventral  furrow  formation  is  driven  by  the  curvature  of  the  multicellular  myosin  profile.  We  also  demonstrated  that  the  pulsatile  time-dependence  of  myosin  acts  as  a  protective  mechanism  for  tissue  contraction,  suppressing  cell-to-cell  myosin  fluctuations  through  a  low-pass  filter  effect.  This  is  crucial  because  tissue  contraction  is  highly  sensitive  to  even  small  myosin  fluctuations,  which  would  otherwise  lead  to  significant  inhomogeneous  contractions.Chapter  2  details  our  data-driven  approach  to  studying  Drosophila  ventral  furrow  formation,  utilizing  time-lapse  3D  data  from  light  sheet  microscopy.  We  developed  computational  algorithms  to  systematically  parameterize  over  28,000  cell  shapes,  designed  interpretable  cell  shape  features,  and  employed  unsupervised  learning  to  classify  cell  shape  evolution  trajectories.  By  mapping  these  classes  onto  the  embryo,  we  extracted  the  first  quantitative  cell  shape  pattern  in  the  Drosophila  embryo.  This  pattern  unveiled  key  physical  mechanisms  underlying  embryo  development,  including  how  mechanical  stresses  propagate,  how  cell  packing  is  influenced  by  embryo  curvature,  and  the  stochastic  nature  of  apical  constriction  during  tissue  contraction.Chapter  3  explores  the  coupling  between  actomyosin  density  and  shape  changes.  We  developed  a  mathematical  model  of  the  actomyosin  cortex,  using  partial  differential  equations  to  describe  the  evolution  of  actomyosin  density  on  a  deformable  surface,  which  is  represented  through  differential  geometry.  Our  model  revealed  that  although  under  physiological  conditions,  the  cell  cortex  is  observed  to  maintain  a  homogeneous  density  and  shape,  this  stability  is  challenged  by  two  factors:  increased  cortical  tension,  which  is  mechanical  in  nature,  and  an  elongated  aspect  ratio,  which  is  a  geometric  feature.  Higher  cortical  tension  disrupts  this  homogeneity,  leading  to  patterned  actomyosin  density  and  multiply  furrowed  shape.  In  contrast,  an  elongated  aspect  ratio  drives  constriction  through  a  mechanism  we  named  active  Rayleigh  instability,  a  modified  form  of  the  Plateau-Rayleigh  instability.  Furthermore,  friction  plays  a  crucial  role  in  protecting  the  homogeneous  state  by  preserving  a  large  region  of  homogeneity  in  the  state  diagram  of  the  cortex.  When  friction  is  reduced,  this  homogeneous  region  shrinks  significantly,  making  the  cortex  more  vulnerable  to  destabilization  caused  by  increased  tension  and  an  elongated  aspect  ratio.
■590    ▼aSchool  code:  0054.
■650  4▼aComputational  physics
■650  4▼aDevelopmental  biology
■650  4▼aComputer  science
■653    ▼aComputational  biophysics
■653    ▼aMathematical  modeling
■653    ▼aMechanical  forces
■653    ▼aEmbryo  development
■653    ▼aDrosophila
■690    ▼a0216
■690    ▼a0758
■690    ▼a0984
■71020▼aColumbia  University▼bChemical  Engineering.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g86-06B.
■790    ▼a0054
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2024
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17165082▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

미리보기

내보내기

chatGPT토론

Ai 추천 관련 도서