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有糸分裂（/ maɪˈtoʊsɪs /）は、真核細胞の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る。有糸分裂による細胞分裂は均等分裂であり、染色体の総数が維持された遺伝的に同一の細胞を生み出す。[ 1 ]有糸分裂の前には間期のS期（DNA複製が行われる）があり、後には終期と細胞質分裂が続く。終期と細胞質分裂では、 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る。 [ 2 ]このプロセスにより、各娘細胞が同一の染色体セットを受け取り、細胞世代を超えて遺伝的安定性が維持される。有糸分裂のさまざまな段階は、細胞周期の有糸分裂期（M期）を定義する。これは、母細胞が互いに遺伝的に同一の2つの娘細胞に分裂する段階である。 [ 3 ]
有糸分裂の過程は、一連の活動の完了と次の活動の開始に対応する段階に分けられます。これらの段階は、前前期（植物細胞に特有の段階）、前期、前中期、中期、後期、終期です。有糸分裂中、間期にすでに複製された染色体は凝縮し、紡錘糸に付着して、各染色体の1つのコピーを細胞の反対側に引っ張ります。[ 4 ]その結果、遺伝的に同一の2つの娘核ができます。その後、細胞の残りの部分は細胞質分裂によって分裂を続け、2つの娘細胞を生成します。[ 5 ]有糸分裂のさまざまな段階は、ライブセルイメージングを使用してリアルタイムで視覚化できます。[ 6 ]
有糸分裂のエラーにより、正常な2つの娘細胞の代わりに3つ以上の娘細胞が生成されることがあります。これはそれぞれ三極性有糸分裂と多極性有糸分裂と呼ばれます。これらのエラーは、着床に失敗する生存不能な胚の原因となることがあります。[ 7 ]有糸分裂中のその他のエラーは、有糸分裂の崩壊、アポトーシス（プログラム細胞死）を引き起こしたり、突然変異を引き起こしたりする可能性があります。特定の種類の癌は、このような突然変異から発生する可能性があります。[ 8 ]
有糸分裂は生物によって異なる。[ 9 ]例えば、動物細胞は一般的に開放型有糸分裂を行い、染色体が分離する前に核膜が崩壊するのに対し、真菌細胞は一般的に閉鎖型有糸分裂を行い、染色体は無傷の細胞核内で分裂する。[ 10 ] [ 11 ]ほとんどの動物細胞は、有糸分裂の開始時に、有糸分裂細胞の丸みと呼ばれる形状変化を起こし、ほぼ球形の形態をとる。ほとんどのヒト細胞は有糸分裂によって生成される。重要な例外として、減数分裂によって生成される配偶子（精子と卵子）がある。真の核を持たない原核生物、細菌、古細菌は、二分裂と呼ばれる別のプロセスで分裂する。[ 12 ]
18世紀と19世紀には、さまざまな精度で細胞分裂に関する数多くの記述がなされた。 [ 13 ] 1835年、ドイツの植物学者フーゴ・フォン・モールは、緑藻類クラドフォラ・グロメラタの細胞分裂について記述し、細胞の増殖は細胞分裂によって起こると述べた。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] 1838年、マティアス・ヤコブ・シュライデンは、「細胞内部での新細胞形成は植物の細胞増殖の一般的な規則である」と主張したが、この見解は後にロベルト・レマクらの貢献によりモールのモデルに取って代わられた。[ 17 ]
動物細胞では、有糸分裂による細胞分裂は1873年にカエル、ウサギ、ネコの角膜細胞で発見され、 1875年にポーランドの組織学者ヴァツワフ・マイゼルによって初めて記述された。[ 18 ] [ 19 ]
ビュッチュリ、シュナイダー、フォルも、現在「有糸分裂」として知られるプロセスの発見を主張した可能性がある。[ 13 ] 1873年、ドイツの動物学者オットー・ビュッチュリは線虫の観察データを発表した。数年後、彼はこれらの観察に基づいて有糸分裂を発見し、記述した。[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]
1882年にヴァルター・フレミングによって造語された「有糸分裂」という用語は、ギリシャ語のμίτος（mitos、「縦糸」）に由来する。[ 23 ] [ 24] [ 25 ]この過程にはいくつかの別の名称があり、[ 26 ]例えば、1878年にシュライヒャーによって導入された「核分裂」[ 27 ] [ 28 ]や、 1887年にアウグスト・ヴァイスマンによって提案された「等分裂」などがある。[ 29 ]しかし、「有糸分裂」という用語は、一部の著者によって核分裂と細胞質分裂をまとめて指す広い意味でも使用されている。[ 30 ]現在では、「等分裂」は、有糸分裂に最も似ている減数分裂IIを指すのに一般的に使用されている。[ 31 ]
有糸分裂と細胞質分裂の主な結果は、親細胞のゲノムが2つの娘細胞に伝達されることです。ゲノムは、適切な細胞機能に不可欠な遺伝情報を含む、密に巻き付いたDNAの複合体である多数の染色体で構成されています。 [ 32 ]結果として生じる各娘細胞は親細胞と遺伝的に同一である必要があるため、親細胞は有糸分裂の前に各染色体のコピーを作成する必要があります。これは間期のS期に起こります。[ 33 ]染色体の複製により、セントロメアでコヒーシンタンパク質によって結合された2つの同一の姉妹染色分体が生成されます。
有糸分裂が始まると、染色体が凝縮して見えるようになる。動物などの一部の真核生物では、DNAを細胞質から分離する核膜が小さな小胞に崩壊する。細胞内でリボソームを作る核小体も消失する。微小管が細胞の両端から伸びてセントロメアに付着し、染色体を細胞の中心に整列させる。その後、微小管が収縮して各染色体の姉妹染色分体を引っ張って引き離す。[ 34 ]この時点での姉妹染色分体は娘染色体と呼ばれる。細胞が伸長するにつれて、対応する娘染色体は細胞の両端に向かって引っ張られ、後期分裂後期に最大限に凝縮する。各娘染色体セットの周りに新しい核膜が形成され、娘染色体は脱凝縮して間期核を形成する。
有糸分裂の進行中、通常は後期開始後に、細胞は細胞質分裂を起こすことがある。動物細胞では、2つの発達中の核の間で細胞膜が内側にくびれて、2つの新しい細胞が生成される。植物細胞では、 2つの核の間に細胞板が形成される。細胞質分裂は必ずしも起こるわけではなく、多核細胞（多核状態の一種）は細胞質分裂を起こさずに有糸分裂を行う。
細胞周期の間期は、比較的短いM期よりもはるかに長い段階です。間期の間、細胞は細胞分裂のプロセスに備えます。間期は、G 1（第1ギャップ）、S（合成）、G 2（第2ギャップ）の3つのサブフェーズに分けられます。間期の3つの部分すべてにおいて、細胞はタンパク質と細胞質オルガネラを生成することによって成長します。ただし、染色体はS期の間だけ複製されます。したがって、細胞は成長し（G 1）、染色体を複製しながら成長を続け（S）、さらに成長して有糸分裂の準備をし（G 2）、最後に分裂して（M）サイクルを再開します。[ 33 ]細胞周期のこれらのすべての段階は、サイクリン、サイクリン依存性キナーゼ、およびその他の細胞周期タンパク質によって厳密に制御されています。段階は厳密な順序で互いに続き、細胞周期チェックポイントがあり、細胞に1つの段階から次の段階に進むかどうかの合図を与えます。[ 35 ]細胞は、分裂を停止するために、一時的または永久的に細胞周期から離脱してG0期に入ることもあります。これは、細胞が過密状態になったとき（密度依存性阻害）や、ヒトの心筋細胞やニューロンのように、生物の特定の機能を実行するために分化するときに起こります。G0期の細胞の中には、細胞周期に再突入できるものもあります。
DNA二本鎖切断は、間期中に主に2つのプロセスによって修復される。 [ 36 ] 1つ目のプロセスである非相同末端結合（NHEJ）は、間期のG1、S、G2期に切断されたDNAの2つの末端を結合することができる。2つ目のプロセスである相同組換え修復（HRR）は、二本鎖切断の修復においてNHEJよりも正確である。HRRは、DNA複製が部分的に完了しているか、または完了した後の間期のS期とG2期に活性化される。これは、HRRが2つの隣接する相同体を必要とするためである。
間期は細胞が有糸分裂の準備をするのを助けます。間期は有糸分裂が起こるかどうかを決定します。細胞のDNAが損傷したり、重要な段階が完了していない場合は、細胞が進行するのを注意深く停止します。間期は有糸分裂が正常に完了するかどうかを決定するため、非常に重要です。間期は、生成される損傷した細胞の量と癌細胞の生成を減らします。重要な間期タンパク質の計算ミスは、後者が癌細胞を生成する可能性があるため、重大な問題となる可能性があります。[ 37 ]
植物細胞では、前期に先立って前期段階が存在します。液胞が発達した植物細胞では、有糸分裂が始まる前に核が細胞の中心に移動する必要があります。これは、細胞分裂の将来の面に沿って細胞を二分する細胞質の横断シートであるフラグモソームの形成によって達成されます。フラグモソームの形成に加えて、前期は、将来の有糸分裂紡錘体の赤道面の周りの細胞膜の下に微小管とアクチンフィラメントの環（前期帯と呼ばれる）が形成されることによって特徴づけられます。この帯は、細胞が最終的に分裂する位置を示します。高等植物（被子植物など）の細胞には中心体がありません。代わりに、微小管が核の表面に紡錘体を形成し、核膜が崩壊した後、染色体自身によって紡錘体に組織化されます。[ 38 ]前中期前期帯は核膜崩壊と紡錘体形成の際に消失する。[ 39 ]： 58-67
G 2間期の後に起こる前期では、細胞は染色体を密に凝縮し、有糸分裂紡錘体の形成を開始することによって分裂の準備をします。間期では、核内の遺伝物質はゆるく凝縮したクロマチンで構成されています。前期の開始時に、クロマチン繊維は凝縮して個々の染色体となり、通常は光学顕微鏡で高倍率で観察できます。この段階では、染色体は長く、細く、糸状です。各染色体には 2 つの染色分体があります。2 つの染色分体はセントロメアで結合しています。
遺伝子転写は前期に停止し、後期後期からG1期初期まで再開しない。[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]核小体も前期初期に消失する。[ 43 ]
動物細胞の核の近くには、中心体と呼ばれる構造があり、これは一対の中心小体がタンパク質の緩やかな集合体に囲まれた構造です。中心体は細胞の微小管の調整中心です。細胞は細胞分裂時に単一の中心体を受け継ぎ、それが次の有糸分裂が始まる前に複製されて一対の中心体になります。2つの中心体はチューブリンを重合させて微小管紡錘体装置の形成を助けます。その後、モータータンパク質がこれらの微小管に沿って中心体を細胞の反対側に押し出します。中心体は微小管の組み立てを組織化するのに役立ちますが、植物には存在しないため紡錘体装置の形成には必須ではなく[ 38 ]、動物細胞の有糸分裂にも絶対的に必要ではありません[ 44 ] 。
動物細胞では前中期開始時に核ラミンのリン酸化により核膜が小さな膜小胞に崩壊する。このとき微小管が核内に侵入する。これは開放型有糸分裂と呼ばれ、一部の多細胞生物で起こる。真菌類や藻類、トリコモナスなどの一部の原生生物では、核内に紡錘体が形成されるか、微小管が核膜を貫通する閉鎖型有糸分裂と呼ばれる変異が起こる。[ 45 ] [ 46 ]
後期前中期には、キネトコア微小管が染色体キネトコアを探し出して結合し始めます。[ 47 ]キネトコアは、後期前期に染色体セントロメア上に形成されるタンパク質性の微小管結合構造です。 [ 47 ] [ 48 ]多数の極性微小管が反対側のセントロソームからの対応する極性微小管を見つけて相互作用し、有糸分裂紡錘体を形成します。[ 49 ]キネトコアの構造と機能は完全には解明されていませんが、何らかの分子モーターが含まれていることが知られています。[ 50 ]微小管がキネトコアに結合すると、モーターが活性化し、ATPからのエネルギーを使用してチューブを「這い上がって」元の中心体に向かって移動します。この運動活動は、微小管の重合と脱重合と相まって、後に染色体の2つの姉妹染色分体を分離するために必要な牽引力を提供する。[ 50 ]
前中期に微小管が動原体を見つけて結合すると、2 つの中心体が染色体を細胞の両端に向かって引っ張り始めます。その結果生じる張力により、染色体は赤道面（2 つの中心体の中央に位置する仮想の線、細胞のほぼ中央線）に沿って中期板に整列します。 [ 49 ]有糸分裂の終わりに染色体が均等に分配されるように、中期チェックポイントは、動原体が有糸分裂紡錘体に適切に結合し、染色体が中期板に沿って整列していることを保証します。[ 51 ]細胞が中期チェックポイントを正常に通過すると、後期に進みます。
後期Aでは、姉妹染色分体を結合しているコヒーシンが切断され、2つの同一の娘染色体が形成される。 [ 52 ]動原体微小管の短縮により、新たに形成された娘染色体が細胞の両端に引っ張られる。後期Bでは、極性微小管が互いに押し合い、細胞が伸長する。[ 53 ]後期後期には、染色体も全体的に最大凝縮レベルに達し、染色体分離と核の再形成を助ける。[ 54 ]ほとんどの動物細胞では、後期Aが後期Bに先行するが、一部の脊椎動物の卵細胞では逆の順序で事象が起こる。[ 52 ]
終期（ギリシャ語のτελος「終わり」に由来）は、前期と前中期の出来事の逆です。終期の間、極微小管は伸び続け、細胞はさらに長くなります。核膜が崩壊した場合、親細胞の古い核膜の膜小胞を使用して新しい核膜が形成されます。新しい核膜は、分離された各娘染色体セットの周りに形成されます（ただし、膜は中心体を包みません）。そして核小体が再び現れます。新しい核膜に囲まれた両方の染色体セットは、「弛緩」または脱凝縮し始めます。有糸分裂は完了です。各娘核には同一の染色体セットがあります。この時点で細胞分裂が起こるかどうかは、生物によって異なります。
細胞質分裂は有糸分裂の段階ではなく、細胞分裂を完了するために必要な別のプロセスです。動物細胞では、中期板があった場所に収縮環を含む分裂溝（くびれ）が形成され、分離した核がくびれます。 [ 55 ]動物細胞と植物細胞の両方で、細胞分裂はゴルジ装置由来の小胞によっても駆動され、小胞は微小管に沿って細胞の中央に移動します。[ 56 ]植物では、この構造がフラグモプラストの中央で細胞板に融合し、2つの核を分離する細胞壁に発達します。フラグモプラストは高等植物に典型的な微小管構造ですが、一部の緑藻は細胞質分裂中にフィコプラスト微小管アレイを使用します。[ 39 ] : 64–7、328–9各娘細胞は、親細胞のゲノムの完全なコピーを持っています。細胞質分裂の終了は、M期の終了を意味する。
有糸分裂と細胞質分裂が別々に起こり、複数の核を持つ単一の細胞を形成する細胞は数多く存在する。この現象が最も顕著に見られるのは真菌、粘菌、多核藻類であるが、他の様々な生物にも見られる。動物においても、細胞質分裂と有糸分裂は独立して起こることがあり、例えばショウジョウバエの胚発生の特定の段階で見られる。[ 57 ]
有糸分裂の機能または意義は、染色体セットの維持にある。形成された各細胞は、親細胞の染色体と構成が同一で数も同じ染色体を受け取る。
有糸分裂は、次のような状況で起こります。
真核生物の細胞における有糸分裂の過程は、同様のパターンに従いますが、3つの主要な点で違いがあります。「閉鎖型」有糸分裂と「開放型」有糸分裂は、核膜がそのまま残っているか、崩壊しているかに基づいて区別できます。核膜が部分的に分解する中間形態は、「半開放型」有糸分裂と呼ばれます。中期における紡錘体の対称性に関して、ほぼ軸対称（中心）の形状は「正中分裂」と呼ばれ、有糸分裂装置が左右対称である「側方分裂」の偏心紡錘体とは区別されます。最後に、3つ目の基準は、閉鎖型側方分裂の場合の中心紡錘体の位置です。「核外」（紡錘体が細胞質にある）または「核内」（核内にある）です。[ 9 ]
核分裂は真核生物ドメインの生物の細胞でのみ起こり、細菌と古細菌には核がない。細菌と古細菌は異なるタイプの分裂を行う。[ 60 ] [ 61 ]真核生物の各スーパーグループ内では、単細胞生物のエクスカバータを除いて、開放型有糸分裂と閉鎖型有糸分裂の両方が見られる。エクスカバータは閉鎖型有糸分裂のみを示す。[ 62 ]以下は、真核生物における有糸分裂の形態の発生である。[ 9 ] [ 63 ]
有糸分裂中、特にヒトの初期胚発生中にエラーが発生することがあります。[ 64 ]有糸分裂の各段階では、通常、有糸分裂の正常な結果を制御するチェックポイントも存在します。[ 65 ]しかし、まれに、あるいはほとんどまれに、エラーが発生します。有糸分裂エラーは、1つ以上の染色体が少なすぎたり多すぎたりする異数体細胞を生み出す可能性があり、これは癌に関連する状態です。[ 66 ] [ 67 ] ヒトの初期胚、癌細胞、感染細胞、または中毒細胞も、3つ以上の娘細胞への病的分裂（三極性または多極性有糸分裂）を起こし、染色体構成に深刻なエラーが生じる可能性があります。[ 7 ]
不分離では、姉妹染色分体が後期に分離しない。[ 68 ]一方の娘細胞は不分離染色体から両方の姉妹染色分体を受け取り、もう一方の細胞は何も受け取らない。その結果、前者の細胞は染色体を3コピー受け取り、トリソミーと呼ばれる状態になり、後者の細胞は1コピーしか持たず、モノソミーと呼ばれる状態になる。細胞が不分離を起こすと、細胞質分裂が完了せず、両方の核が1つの細胞内に残ることがあり、その結果、二核細胞になる。[ 69 ]
後期遅延は、後期中に一方の染色分体の移動が阻害されたときに発生します。 [ 68 ]これは、有糸分裂紡錘体が染色体に適切に付着しないことが原因である可能性があります。遅延した染色分体は両方の核から排除され、失われます。したがって、娘細胞のうちの1つはその染色体に関してモノソミーになります。
内重複（または内複製）は、染色体が複製されるが、その後細胞が分裂しない場合に起こります。これにより、多倍体細胞、または染色体が繰り返し複製される場合は多糸染色体が生じます。 [ 68 ] [ 70 ]内重複は多くの種で見られ、発生の正常な一部であるようです。 [ 70 ]内有糸分裂は内重複の変異型で、細胞はS期に染色体を複製し、有糸分裂に入りますが、途中で有糸分裂を終了します。複製された染色体は、2つの新しい娘核に分割される代わりに、元の核内に保持されます。 [ 57 ] [ 71 ]その後、細胞はG1期とS期に再び入り、染色体を再び複製します。 [ 71 ]これは複数回起こり、複製と内有糸分裂の各ラウンドで染色体数が増加します。血小板を産生する巨核球は、細胞分化中に内有糸分裂を経ます。 [ 72 ] [ 73 ]
繊毛虫類および動物の胎盤組織における無糸分裂は、親由来の対立遺伝子のランダムな分布をもたらす。
組織病理学では、有糸分裂率（有糸分裂数または有糸分裂指数）は、診断だけでなく腫瘍の悪性度をさらに特定するために、さまざまなタイプの組織サンプルで重要なパラメータです。たとえば、乳がんの分類では、有糸分裂数の定量化が日常的に行われています。[ 74 ]有糸分裂は、有糸分裂活性が最も高い領域でカウントする必要があります。有糸分裂活性が非常に高い腫瘍では、これらの領域を視覚的に識別することは困難です。[ 75 ]また、非定型有糸分裂の検出は、診断マーカーと予後マーカーの両方として使用できます。たとえば、ラグ型有糸分裂（有糸分裂像の領域に非付着凝縮クロマチン）は、ヒトパピローマウイルス感染に関連する高リスク子宮頸がんを示します。有糸分裂数の再現性と精度を向上させるために、深層学習ベースのアルゴリズムを使用した自動画像解析が提案されています。[ 76 ]しかし、これらのアルゴリズムを日常的な診断に用いるには、さらなる研究が必要である。
動物組織では、ほとんどの細胞は有糸分裂中にほぼ球形に丸くなります。[ 77 ] [ 78 ] [ 79 ]上皮および表皮では、効率的な丸化プロセスは、適切な有糸分裂紡錘体の整列とそれに続く娘細胞の正しい配置と相関しています。[ 78 ] [ 79 ] [ 80 ] [ 81 ]さらに、研究者らは、丸化が著しく抑制されると、紡錘体の欠陥、主に極分裂と染色体の効率的な捕捉の失敗につながる可能性があることを発見しました。[ 82 ]したがって、有糸分裂細胞の丸化は、正確な有糸分裂を保証する保護的な役割を果たしていると考えられています。[ 81 ] [ 83 ]
丸みを帯びる力は、F-アクチンとミオシン（アクチンミオシン）の再編成によって収縮性の均質な細胞皮質が形成され、1) 細胞周辺部を硬化させ[ 83 ] [ 84 ] [ 85 ]、2) 細胞内静水圧（間期の最大10倍）の発生を促進する[ 86 ] [ 87 ] [ 88 ] 。細胞内圧の発生は、周囲の細胞や細胞外マトリックスに対して丸みを帯びるために外向きの力を発生させる必要がある組織シナリオなど、閉じ込められた状況下では特に重要である。圧力の発生は、フォルミンを介したFアクチン核形成[ 88 ]とRhoキナーゼ（ROCK）を介したミオシンII収縮[ 84 ] [ 86 ] [ 88 ]に依存しており、これらはどちらもCdk1の活性を介してシグナル伝達経路RhoAおよびECT2 [ 84 ] [ 85 ]によって上流で制御されている。[ 88 ]有糸分裂におけるその重要性から、有糸分裂アクチンミオシン皮質の分子構成要素とダイナミクスは活発な研究分野となっている。
細胞周期のG1期にX線照射を受けた有糸分裂細胞は、相同染色体間の組換えによって組換え誘発性DNA損傷を主に修復する。[ 89 ] G2期 に照射を受けた有糸分裂細胞は、姉妹染色分体組換えによって優先的にそのような損傷を修復する。[ 89 ]組換えに用いられる酵素をコードする遺伝子の突然変異により、細胞は様々なDNA損傷剤による死滅に対する感受性が高まる。[ 90 ] [ 91 ] [ 92 ]これらの知見は、有糸分裂組換えが、潜在的に致死的なものを含むDNA損傷を修復するための適応であることを示唆している。
真核生物の有糸分裂の主要分子（アクチン、チューブリンなど）の原核生物相同体が存在する。有糸分裂は真核生物の普遍的な性質であるため、おそらく真核生物の系統樹の基部で発生したと考えられる。有糸分裂は減数分裂よりも複雑ではないため、減数分裂は有糸分裂の後に発生した可能性がある。[ 93 ] しかし、減数分裂を伴う有性生殖は真核生物の原始的な特徴でもある。[ 94 ] したがって、減数分裂と有糸分裂はどちらも祖先の原核生物のプロセスから並行して進化してきた可能性がある。
細菌の細胞分裂では、DNAの複製後、2つの環状染色体が細胞膜の特定の領域に付着するのに対し、真核生物の有糸分裂は通常、多数の線状染色体の存在によって特徴づけられ、その動原体は紡錘体の微小管に付着する。有糸分裂の形態に関して言えば、閉鎖型核内多細胞分裂は細菌の分裂に最も類似しているため、最も原始的なタイプであると考えられる。[ 9 ]
分裂中の細胞は、蛍光抗体や色素で染色することにより、顕微鏡下で観察することができる。
通常の細胞分裂に
Aequationstheilung
という名前を与え、
核セグメント
数の半減過程に関わる 2 つの分裂に
Reduktionstheilungen という名前を与えた。
p. 102: 細胞分裂は細胞質分裂、核分裂は核質分裂です。「有糸分裂」と「減数分裂」という言葉は厳密には核質分裂のみを指しますが、細胞質分裂を説明する際にもよく使われます。
胚発生中の増殖の減少とアポトーシスの増加の組み合わせに起因することを、生体内で証明する。
この欠陥はp53(10)を介して媒介されているようで、我々のp53/rad51二重変異体は胚や成体において目立った血液学的欠陥を示さなかった。
