スピンドル装置

細胞生物学において、紡錘体は真核細胞の細胞骨格構造であり、細胞分裂時に姉妹染色分体を娘細胞間で分離するために形成される。有糸分裂中は有糸分裂紡錘体と呼ばれ、遺伝的に同一の娘細胞を生成する過程であり、減数分裂中は減数分裂紡錘体と呼ばれ、親細胞の半分の数の染色体を持つ配偶子を生成する過程である。

染色体の他に、紡錘体は数百のタンパク質から構成されている。^{[ 1 ] [ 2 ]}微小管は、この装置の最も豊富な構成要素である。

微小管の染色体への結合は、紡錘体の形成を積極的に監視し、時期尚早な後期開始を防ぐ動原体によって媒介される。微小管の重合と脱重合のダイナミクスが染色体の整列を促進する。微小管の脱重合は動原体に張力を発生させる。^{[ 3 ]}姉妹動原体が反対側の細胞極から伸びる微小管に双極性に結合し、反対の張力が結合して染色体が細胞赤道に整列し、娘細胞への分離の準備が整う。すべての染色体が双極性になると、後期が開始され、姉妹染色分体を結合するコヒーシンが切断され、姉妹染色分体が反対側の極へ移動できるようになる。

細胞の紡錘体装置には、紡錘体微小管、キネシンやダイニンなどの分子モーターを含む関連タンパク質、凝縮した染色体、および細胞の種類に応じて紡錘体極に存在する可能性のある中心体や星状体が含まれます。 ^{[ 4 ]}紡錘体装置は断面が漠然と楕円形で、両端に向かって細くなっています。紡錘体中央部と呼ばれる広い中央部分では、キネシンによって逆平行の微小管が束ねられています。紡錘体極と呼ばれる尖った端では、ほとんどの動物細胞で中心体によって微小管が核形成されます。中心体を持たない紡錘体または星状体を持たない紡錘体は、それぞれ紡錘体極に中心体または星状体を欠いており、たとえばほとんどの動物の雌の減数分裂中に発生します。^{[ 5 ]}この場合、Ran GTP勾配が紡錘体微小管の組織化と組み立ての主な調節因子です。真菌類では、紡錘体は核膜に埋め込まれた紡錘体極体の間に形成され、核膜は有糸分裂中に崩壊しない。

適切に形成された有糸分裂紡錘体では、二方向性染色体が細胞の赤道に沿って並び、紡錘体微小管は染色体に対してほぼ垂直に配向し、そのプラス端は動原体に埋め込まれ、マイナス端は細胞極に固定されている。この複合体の正確な配向は、正確な染色体分離と細胞分裂面の決定に必要である。しかし、紡錘体がどのように組織化されるかは依然として不明である。この分野では、相乗効果があり相互に排他的ではない2つのモデルが主流となっている。探索捕獲モデルでは、紡錘体は主に中心体微小管形成中心（MTOC）の極方向への分離によって組織化される。紡錘体微小管は中心体から伸びて動原体を「探し出し」、動原体に結合すると安定化して染色体に張力をかける。別の自己組織化モデルでは、微小管は凝縮した染色体の間で中心体を持たない核形成を起こします。細胞の大きさ、モータータンパク質を介した逆平行微小管との側方結合、および動原体への末端結合によって制約を受けながら、微小管は細胞の赤道に沿って染色体が整列した紡錘体のような構造を自然に形成します。

低分子量GTPase Ranのグアニンヌクレオチド交換因子（染色体凝縮調節因子1またはRCC1）は、コアヒストンH2AおよびH2Bを介してヌクレオソームに結合している。^{[ 25 ]}そのため、有糸分裂クロマチンの周囲にGTP結合Ranの勾配が生成される。RCC1でコーティングされたガラスビーズは、アフリカツメガエル卵抽出液中で微小管の核形成と二極性紡錘体の形成を誘導し、Ran GTP勾配だけで紡錘体形成に十分であることを示している。^{[ 26 ]}この勾配は、輸送タンパク質インポーチンβ/αを介して、紡錘体形成因子（SAF）を阻害的相互作用から解放する。結合していないSAFは、有糸分裂クロマチンの周囲で微小管の核形成と安定化を促進し、紡錘体の二極性は微小管モータータンパク質によって組織化される。^{[ 27 ]}

紡錘体形成は、有糸分裂キナーゼによって触媒されるリン酸化イベントによって大きく制御されています。サイクリン依存性キナーゼ複合体（CDK）は、有糸分裂中に翻訳が増加する有糸分裂サイクリンによって活性化されます。CDK1（CDC2とも呼ばれる）は、哺乳類細胞における主要な有糸分裂キナーゼと考えられており、サイクリンB1によって活性化されます。オーロラキナーゼは、適切な紡錘体形成と分離に必要です。^{[ 28 ]}オーロラAは中心体と結合し、有糸分裂の開始を制御すると考えられています。オーロラBは染色体パッセンジャー複合体のメンバーであり、染色体と微小管の結合および姉妹染色分体の凝集を媒介します。ポロ様キナーゼ（PLKとも呼ばれる）、特にPLK1は、微小管ダイナミクスを制御することによって紡錘体の維持に重要な役割を果たしています。^{[ 29 ]}

DNA複製が終了すると、姉妹染色分体は絡み合ったDNAとタンパク質の無定形塊に結合します。有糸分裂が始まると、複製されたゲノムの劇的な再編成が引き起こされ、姉妹染色分体がほどけて互いに分離されます。染色体の長さも短縮され、動物細胞では最大10,000分の1になります^{[ 30 ]。}この過程は凝縮と呼ばれます。凝縮は前期に始まり、染色体は中期に紡錘体の中央に整列するまでに棒状の構造に最大限に凝縮されます。これにより、有糸分裂染色体は核型に見られる古典的な「X」字型になり、凝縮した各姉妹染色分体はコヒーシンタンパク質によって長さに沿って連結され、多くの場合、中心付近のセントロメアで結合します。^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}

これらの動的な再編成はゲノムの正確かつ高精度な分離を保証するために極めて重要であるが、有糸分裂染色体構造に関する我々の理解は依然として大部分が不完全である。しかしながら、いくつかの特定の分子因子が特定されている。トポイソメラーゼIIはATP加水分解を利用してDNAの絡み合いの脱連結を触媒し、姉妹染色分体の分離を促進する。^{[ 33 ]}コンデンシンは5つのサブユニットからなる複合体であり、これもATP加水分解を利用して染色体の凝縮を促進する。^{[ 34 ]}アフリカツメガエル卵抽出液を用いた実験では、リンカーヒストンH1が有糸分裂染色体の凝縮の重要な調節因子であることも示唆されている。 ^{[ 35 ]}

紡錘体形成の完了は、細胞周期における重要な転換点であり、紡錘体形成チェックポイントと呼ばれています。このチェックポイントまでに染色体が有糸分裂紡錘体に適切に結合していない場合、後期の開始が遅れます。^{[ 36 ]}この紡錘体形成チェックポイントの失敗は異数性を引き起こし、老化や癌の形成に関与している可能性があります。^{[ 37 ]}

細胞分裂の方向は、組織構造、細胞運命、形態形成にとって非常に重要である。細胞は、いわゆるヘルツヴィヒ則に従って、長軸に沿って分裂する傾向がある。細胞分裂の軸は、紡錘体の向きによって決定される。細胞は、紡錘体の2つの中心体を結ぶ線に沿って分裂する。形成後、紡錘体は細胞内で回転する。中心体から伸びる星状微小管は細胞膜に到達し、そこで特定の皮質手がかりに向かって引っ張られる。試験管内では、皮質手がかりの分布は接着パターンによって設定される。^{[ 38 ]}生体内では、極性手がかりは、細胞頂点に局在する三細胞接合部の局在によって決定される。^{[ 39 ]}皮質手がかりの空間分布は、最終的な紡錘体の向きとそれに続く細胞分裂の向きを決定する力場につながる。

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