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細胞分裂は、親細胞が2 つの娘細胞に分裂する過程です。 [ 1 ]細胞分裂は通常、細胞が分裂する前に成長し、染色体を複製するより大きな細胞周期の一部として起こります。真核生物には、2 つの異なるタイプの細胞分裂があります。親細胞と遺伝的に同一の娘細胞を生成する栄養分裂 (有糸分裂) と、有性生殖のための半数体配偶子を生成する細胞分裂(減数分裂) で、二倍体の親細胞では各タイプ 2 個だった染色体の数を娘細胞では各タイプ 1 個に減らします。[ 2 ]有糸分裂は細胞周期の一部であり、複製された染色体が 2 つの新しい核に分離されます。細胞分裂により、染色体の総数が維持された遺伝的に同一の細胞が生じます。一般的に、有糸分裂（核の分裂）は、間期のS期（ DNA複製が行われる期間）に先行し、終期と細胞質分裂に続きます。細胞質分裂では、 1つの細胞の細胞質、細胞小器官、細胞膜が、これらの細胞成分をほぼ均等に含む2つの新しい細胞に分割されます。有糸分裂のさまざまな段階はすべて、動物細胞周期のM期、つまり母細胞が遺伝的に同一の2つの娘細胞に分裂する段階を定義します。[ 3 ]
細胞周期の適切な進行を保証するために、DNA損傷はさまざまな細胞周期チェックポイントで検出され修復されます。これらのチェックポイントは、特定のサイクリン-CDK複合体を阻害することによって細胞周期の進行を停止させることができます。減数分裂は2回の分裂を経て、4つの半数体の娘細胞を生成します。相同染色体は減数分裂の最初の分裂で分離され、各娘細胞は各染色体の1コピーを持ちます。これらの染色体はすでに複製されており、2つの姉妹染色分体があり、これらは減数分裂の2回目の分裂中に分離されます。[ 4 ]これらの細胞分裂サイクルは両方とも、ライフサイクルのどこかの時点で有性生殖の過程で使用されます。両方とも、最後の真核生物の共通祖先に存在していたと考えられています。
原核生物（細菌と古細菌）は通常、二分裂と呼ばれる栄養細胞分裂を行い、遺伝物質は2つの娘細胞に均等に分配されますが、出芽などの他の分裂様式も観察されています。生物の種類に関わらず、すべての細胞分裂は、1回のDNA複製に先行して行われます。
アメーバのような単純な単細胞微生物の場合、1回の細胞分裂は生殖に相当し、まったく新しい生物が作られます。より大きなスケールでは、有糸分裂は、挿し木から成長する植物のような多細胞生物から子孫を作り出すことができます。有糸分裂は、有性生殖を行う生物が、減数分裂によってそれぞれ生成された2つの配偶子の融合によって生成される単細胞の接合子から発達することを可能にします。[ 5 ] [ 6 ]接合子から成体への成長後、有糸分裂による細胞分裂は、生物の継続的な構築と修復を可能にします。[ 7 ]人間の体は、生涯で約10京回の細胞分裂を経験します。[ 8 ]
細胞分裂の主な目的は、元の細胞のゲノムを維持することです。分裂が起こる前に、染色体に保存されているゲノム情報が複製され、複製されたゲノムが子孫細胞間で適切に分配されなければなりません。[ 9 ]世代間でゲノム情報の一貫性を確保するために、多くの細胞インフラストラクチャが関与しています。[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]
細菌の細胞分裂は、二分裂または出芽によって起こる。ディビソームは、細菌内のタンパク質複合体であり、細胞分裂、分裂中の内膜と外膜の収縮、および分裂部位でのペプチドグリカン細胞壁の再構築を担っている。チューブリン様タンパク質であるFtsZは、細胞分裂のための収縮環の形成に重要な役割を果たしている。[ 14 ]
真核生物の細胞分裂は原核生物よりも複雑です。染色体数が減少する場合、真核細胞の分裂は減数分裂（還元分裂）に分類されます。染色体数が減少しない場合、真核細胞の分裂は有糸分裂（等分裂）に分類されます。無糸分裂と呼ばれる原始的な細胞分裂の形態も存在します。無糸分裂または有糸分裂による細胞分裂は、原生生物（珪藻、渦鞭毛藻など）や菌類など、さまざまな生物群の間でより非典型的で多様です。[ 15 ]
有糸分裂中期（下記参照）では、通常、染色体（それぞれが間期のS期における複製中に形成された2本の姉妹染色分体を含む）が中期板上に整列する。その後、姉妹染色分体が分裂し、2つの娘細胞に分配される。[ 16 ]
減数分裂Iでは、相同染色体が分離して2つの娘細胞に分配される前にペアリングされます。一方、減数分裂IIは有糸分裂に似ています。染色分体は同じように分離され分配されます。ヒト、他の高等動物、および他の多くの生物では、減数分裂の過程は配偶子減数分裂と呼ばれ、減数分裂中に4つの配偶子が生成されます。一方、他のいくつかの生物群、特に植物では（下等植物では減数分裂中に観察されますが、高等植物では痕跡器官の段階で観察されます）、減数分裂によって胞子が生じ、それが発芽して半数体の栄養体（配偶体）になります。この種の減数分裂は「胞子減数分裂」と呼ばれます。[ 17 ]
間期は、細胞が有糸分裂、減数分裂、細胞質分裂の前に通過しなければならないプロセスです。[ 18 ]間期は、 G1、S、G2の3つの主要なフェーズで構成されています。G1は細胞の成長期であり、DNA複製のために細胞を準備するために特殊な細胞機能が発生します。[ 19 ]間期には、細胞がさらに発達を進めるか停止するかを決定できるチェックポイントがあります。1つのチェックポイントはG1とSの間にあり、このチェックポイントの目的は、適切な細胞サイズとDNA損傷の有無を確認することです。2番目のチェックポイントはG2フェーズにあり、このチェックポイントも細胞サイズとDNA複製を確認します。最後のチェックポイントは中期にあり、染色体が有糸分裂紡錘体に正しく接続されていることを確認します。[ 20 ] Sフェーズでは、遺伝的内容を維持するために染色体が複製されます。[ 21 ] G 2 期の間、細胞は M 期に入る前に成長の最終段階を経て、紡錘体が合成されます。M 期は、細胞の種類によって有糸分裂または減数分裂のいずれかになります。生殖細胞、つまり配偶子は減数分裂を行い、体細胞は有糸分裂を行います。細胞が M 期を正常に通過した後、細胞質分裂によって細胞分裂を行うことがあります。各チェックポイントの制御は、サイクリンとサイクリン依存性キナーゼによって制御されます。間期の進行は、サイクリン量の増加の結果です。サイクリン量が増加すると、より多くのサイクリン依存性キナーゼがサイクリンに結合し、細胞を間期へとさらに進めます。サイクリン依存性キナーゼに結合したサイクリンのピークでは、このシステムが細胞を間期から M 期へと押し出し、そこで有糸分裂、減数分裂、細胞質分裂が起こります。[ 22 ]細胞がM期に入る前に通過しなければならない移行チェックポイントが3つあります。最も重要なのはG 1 -S移行チェックポイントです。細胞がこのチェックポイントを通過しない場合、細胞は細胞周期から離脱します。[ 23 ]
前期は分裂の最初の段階です。この段階で核膜が分解され始め、長いクロマチン鎖が凝縮して染色体と呼ばれるより短く目に見える鎖を形成し、核小体が消失し、2つの中心体から有糸分裂紡錘体が形成され始めます。[ 24 ]染色体の整列と分離に関連する微小管は、紡錘体と紡錘体繊維と呼ばれます。染色体は顕微鏡でも見ることができ、セントロメアで結合しています。減数分裂のこの凝縮と整列の期間中、相同染色体は二本鎖DNAの同じ場所で切断され、続いて断片化した親のDNA鎖が非親の組み合わせに組み換えられ、これを交叉と呼びます。[ 25 ]このプロセスは、DNA複製および転写におけるトポイソメラーゼと同様のメカニズムを介して、高度に保存されたSpo11タンパク質によって大部分が引き起こされることが証明されている。[ 26 ]
前中期は細胞分裂の第二段階です。この段階は、核膜が完全に崩壊し、さまざまな構造が細胞質に露出することから始まります。この崩壊により、中心体から伸びる紡錘体が姉妹染色分体の動原体に付着できるようになります。紡錘体が姉妹染色分体の動原体に安定して付着することで、後期における染色体の分離がエラーなく行われることが保証されます。[ 27 ]前中期は前期に続き、中期に先行します。
中期では、染色体のセントロメアが中期板（または赤道板）上に整列します。中期板は、2 つの中心体極から等距離にある仮想の線で、コヒーシンと呼ばれる複合体によって結合されています。染色体は、微小管形成中心（MTOC）が両方の染色分体のセントロメアを押し引きすることで細胞の中央に並び、染色体が中央に移動します。この時点では、染色体はまだ凝縮中で、最もらせん状に凝縮した状態になる一歩手前であり、紡錘糸はすでに動原体に接続しています。[ 28 ]この段階では、動原体を除くすべての微小管が不安定な状態にあり、後期への進行が促進されます。[ 29 ]この時点で、染色体は細胞の反対側の極に分裂し、それらに接続されている紡錘体に向かう準備ができています。[ 30 ]
後期は細胞周期の非常に短い段階であり、染色体が有糸分裂板に整列した後に起こります。動原体は、有糸分裂紡錘体に結合するまで後期抑制シグナルを発します。最後の染色体が適切に整列して結合すると、最後のシグナルが消散し、後期への急激な移行が引き起こされます。[ 29 ]この急激な移行は、後期促進複合体の活性化と、中期から後期への移行に重要なタンパク質の分解を標識する機能によって引き起こされます。分解されるタンパク質の1つはセキュリンであり、その分解によって、姉妹染色分体を結合しているコヒーシン環を切断する酵素セパラーゼが放出され、染色体の分離につながります。 [ 31 ]染色体が細胞の中央に整列すると、紡錘糸がそれらを引き離します。染色体は分離され、姉妹染色分体は細胞の反対側に移動します。[ 32 ]姉妹染色分体が引き離されるにつれて、細胞と形質は非動原体微小管によって伸長される。[ 33 ]さらに、この段階では、 Cdh-1との結合による後期促進複合体の活性化により、有糸分裂サイクリンの分解が始まる。[ 34 ]
終期は細胞周期の最終段階で、分裂溝によって細胞の細胞質（細胞質分裂）とクロマチンが分離されます。これは、各極に集まったクロマチンの周りに新しい核膜が合成されることによって起こります。クロマチンが間期に持っていた緩い状態に戻ると、核小体が再形成されます。[ 35 ] [ 36 ]細胞内容物の分割は必ずしも均等ではなく、卵母細胞形成に見られるように、細胞の種類によって異なる場合があります。卵母細胞形成では、4つの娘細胞のうちの1つがアヒルの雛の大部分を占めます。[ 37 ]
細胞分裂プロセスの最終段階は細胞質分裂です。この段階では、有糸分裂または減数分裂の終わりに細胞質分裂が起こります。この段階で不可逆的な分離が起こり、2つの娘細胞が生成されます。細胞分裂は細胞の運命を決定する上で重要な役割を果たします。これは、非対称分裂の可能性があるためです。その結果、細胞質分裂によって、運命決定分子の量や濃度が完全に異なる不均等な娘細胞が生成されます。[ 38 ]
動物では、細胞質分裂は収縮環の形成とその後の分裂で終わります。しかし、植物では異なります。まず細胞板が形成され、次に2つの娘細胞の間に細胞壁が発達します。[ 39 ]
細胞は大きく分けて、単純な無核原核細胞と複雑な有核真核細胞の2種類に分類されます。構造的な違いから、真核細胞と原核細胞の分裂様式は異なります。また、真核幹細胞を配偶子（男性では精子、女性では卵子）に分化させる細胞分裂の様式である減数分裂は、体細胞の分裂様式とは異なります。
2022年、科学者たちは、幼魚の表皮の扁平上皮細胞に見られる、非同質分裂と呼ばれる新しいタイプの細胞分裂を発見した。幼魚が成長すると、皮膚細胞は急速に増加する体表面積を素早く覆わなければならない。これらの皮膚細胞は、DNAを複製せずに分裂するため（有糸分裂のS期）、最大50%の細胞でゲノムサイズが縮小する。これらの細胞は後に、標準量のDNAを持つ細胞に置き換えられる。科学者たちは、このタイプの分裂が他の脊椎動物にも見られると予想している。[ 42 ]
DNA損傷は細胞周期のさまざまな段階で検出され、修復されます。G1 /Sチェックポイント、G2/Mチェックポイント、および中期と後期の間のチェックポイントはすべて、DNA損傷を監視し、さまざまなサイクリン-CDK複合体を阻害することによって細胞分裂を停止します。p53腫瘍抑制タンパク質は、 G1/SチェックポイントとG2/Mチェックポイントで重要な役割を果たします。活性化されたp53タンパク質は、細胞周期停止、修復、およびアポトーシスにおいて重要な多くのタンパク質の発現をもたらします。G1/Sチェックポイントでは、p53は細胞がDNA複製の準備ができていることを確認するために働き、G2/Mチェックポイントでは、p53は細胞が有糸分裂に入る前に内容物を適切に複製したことを確認するために働きます。[ 43 ]
具体的には、DNA損傷が存在すると、ATMおよびATRキナーゼが活性化され、さまざまなチェックポイントキナーゼが活性化されます。[ 44 ]これらのチェックポイントキナーゼはp53をリン酸化し、DNA修復に関連するさまざまな酵素の産生を促進します。[ 45 ]活性化されたp53はp21も上方制御し、さまざまなサイクリン-cdk複合体を阻害します。これらのサイクリン-cdk複合体は、E2Fファミリー転写因子と結合する腫瘍抑制因子である網膜芽細胞腫（Rb）タンパク質をリン酸化します。このRbタンパク質の結合により、細胞がS期に時期尚早に進入しないことが保証されます。しかし、これらのサイクリン-cdk複合体によってリン酸化されない場合、タンパク質は残存し、細胞は細胞周期のG1期で停止します。[ 46 ]
DNAが損傷すると、細胞はBADがリン酸化されてBcl2から解離するAkt経路を変化させ、アポトーシスを阻害することもある。この経路がAktまたはBcl2の機能喪失変異によって変化すると、DNAが損傷した細胞は強制的にアポトーシスを起こすことになる。[ 47 ] DNA損傷が修復できない場合、活性化されたp53はアポトーシスによる細胞死を誘導することができる。これは、p53アップレギュレートアポトーシス調節因子（PUMA）を活性化することによって行われる。PUMAは、抗アポトーシスBcl-2ファミリーメンバーを阻害することによってアポトーシスを急速に誘導するプロアポトーシスタンパク質である。[ 48 ]
多細胞生物は、細胞分裂によって老化した細胞を置き換えます。しかし、一部の動物では、細胞分裂は最終的に停止します。ヒトでは、平均して52回の分裂後にこれが起こり、これはヘイフリック限界として知られています。その後、細胞は老化細胞と呼ばれます。分裂のたびに、染色体の末端にある保護的なDNA配列であるテロメアは短くなります。この短縮は、加齢に伴う疾患やヒトの寿命の短縮などの悪影響と関連付けられています。[ 49 ] [ 50 ]一方、がん細胞は、たとえあったとしても、このように劣化しないと考えられています。がん細胞に大量に存在するテロメラーゼと呼ばれる酵素複合体は、テロメアDNA反復配列の合成によってテロメアを再構築し、分裂を無限に継続させます。[ 51 ]
19世紀初頭、顕微鏡技術の進歩により植物や動物の生物で観察できるようになった細胞増殖について、さまざまな仮説が提唱された。古い細胞の内側での細胞増殖[ 52 ] [ 53 ]、既存の細胞への小胞の付着[ 54 ] 、細胞間空間での結晶化[ 55 ]などが細胞増殖のメカニズムとして提唱された一方で、細胞分裂そのものの支持者は、その受け入れのために何十年も戦わなければならなかった。
ベルギーの植物学者バルテルミー・シャルル・ジョゼフ・デュモルティエは、細胞分裂の最初の発見者とみなされるべきである。1832年、彼は単純な水生植物（フランス語で「conferve」）の細胞分裂を次のように記述した（フランス語から英語への翻訳）。
「環状構造の発達は、その構造と同様に単純である。それは、新しい細胞が古い細胞に付着することによって起こり、この付着は常に末端から起こる。末端細胞は深部の細胞よりも長く伸びる。すると、内部の流体中に側方二等分線が形成され、細胞は2つの部分に分割される傾向がある。深部の部分は静止したままで、末端部分は再び伸びて新しい内部隔壁を形成し、これを繰り返す。中央隔壁の形成は、もともと二重なのか単一なのか？これを判断することは不可能だが、結合すると後に二重に見えることは常に真実であり、2つの細胞が自然に分離すると、それぞれの両端が閉じている。」[ 56 ]
1835年、ドイツの植物学者で医師のフーゴ・フォン・モールは、医学と外科の博士論文のための淡水藻類と海水藻類に関する論文で、植物細胞分裂についてより詳細に記述した。[ 57 ]
「植物の生命現象の中でも最も謎に包まれているものの一つが、新たに発生する細胞の形成過程である。[…]そのため、この過程に関する記述や説明は数多く存在する。[…]そして、観察結果に見られたギャップは、過度に大胆な結論や仮定によって埋められてきた。」（ドイツ語から英語への翻訳）
1838年、ドイツの医師で植物学者のフランツ・ユリウス・フェルディナント・マイエンは、植物の根の先端で細胞分裂のメカニズムを確認した。[ 58 ] ドイツ系ポーランド人の医師ロベルト・レマクは、1841年に鶏の胚の血液で動物細胞分裂を発見したのではないかと疑っていたが、[ 59 ]鳥の胚、カエルの幼生、哺乳類で初めて動物細胞分裂を確認できたのは1852年になってからだった。[ 60 ]