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纺锤体

纺锤体(Spindle Apparatus),形似纺锤,是产生于细胞分裂前初期(Pre-Prophase)到末期(Telophase)的一种特殊细胞器。其主要元件包括微管(Microtubules),附着微管的动力分子分子马达(Molecular motors),以及一系列复杂的超分子结构。一般来讲,在动物细胞中,中心体不是纺锤体的一部分。植物细胞的纺锤体不含中心体。而真菌细胞的纺锤体含纺锤极体(Spindle Pole Body),一般被视为中心体的同源细胞器。

在含中心体的细胞中,纺锤体的生成开始于细胞分裂前初期 - 即在细胞核膜分解(Nuclear Envelope Breakdown, NEB)之前。初期的结构为两个独立的以中心体为核的星状体(asters)。当细胞核膜分解后,染色体和星状体发生一系列复杂的互动反应。最终结果为所有的染色体在纺锤体的中央(赤道板,)排列整齐,每两条染色体有一个着丝点,每一个着丝点被一束极性相同的微管(通常称为纺锤丝)附着。此时细胞处于分裂中期,纺锤体生成完毕。实验证明,中心体在这个过程中的作用不是必需的。动物细胞在中心体被激光捣毁后仍旧能够筑构纺锤体,但其位置通常不在细胞的大致几何中心,其后的胞质分裂也会受严重影响。

在不含中心体的细胞中,纺锤体的生成是由染色体本身主导的。此过程由一小分子量的GTP连接蛋白(Ran GTPase)控制。细胞核分解后,纺锤丝由染色体周围生成。其后这些纺锤丝会在动力分子与为微管动力的合作影响下自动排列为极性相反大致数目相同的两组。每组的极性相对于一组着丝点。同时在微管远端的动力蛋白 dynein 会将这些微管束集中到一点,形成纺锤极区(Spindle Polar Zone)。与此同时,染色体会自动在赤道板排列整齐。纺锤体生成完毕。

在细胞分裂中,其主要作用有两个部分。其一为排列与分裂染色体。纺锤体的完整性决定了染色体分裂的正确性。纺锤体的正常生成是染色体排列的必要条件。纺锤体生成完毕后一般会有5-20分钟的延迟,以供细胞调整着丝点上微管束的极性,以及决定是否所有的着丝点都附着正确。此后细胞进入分裂后期,染色体分裂为两组数目相等的姐妹染色单体。同样,纺锤体的完整性决定这个分裂过程在时间和空间上的准确性。

纺锤体另一功能为决定胞质分裂的分裂面。染色体分裂的同时,纺锤体中的一部分微管不随染色体分裂到两级,而停弛在纺锤体中央, 形成纺锤中央体(central spindle)。在纺锤中体的中央为两组极性相反的微管交叠的区域,称为纺锤中央区(spindle midzone).此中央区就是接下来的胞质分裂面。胞质分裂开始于分裂后期的较晚期。胞质分裂一般结束于分裂末期后1-2小时,此期间两个子细胞由中心颗粒体(midbody)连接。 一般认为纺锤体的分解发生在细胞分裂末期。

多极纺锤体 multipolar spindle,polyspindle

在有丝分裂时纺锤体一般有二个极。但是在多精入卵的卵细胞、肿瘤细胞、培养的HeLa细胞、杂种细胞等,随着条件不同可形成有3、4个或者更多个极的纺锤体。当存在多极纺锤体时,染色体的后期分配便不规则,可形成几个小核。用低浓度的秋水仙碱等药物处理也能诱导出同样的变化。木贼等特殊的植物体或胚乳细胞,往往在分裂初期形成多极纺锤体,及至分裂中期多数可恢复为二个极。

当细胞从间期进入有丝分裂期,间期细胞微管网络解聚为游离的αβ-微管蛋白二聚体,再重组成纺锤体,介导染色体的运动;分裂末期纺锤体微管解聚,又重组形成细胞质微管网络。

可分为:动粒微管:连接染色体动粒于两极的微管。

极间微管:从两极发出,在纺锤体中部赤道区相互交错的微管。

星体微管:中心体周围呈辐射分布的微管。

染色体的运动依赖纺锤体微管的组装和去组装。在这一过程中动粒微管与动粒之间的滑动主要是依靠结合在动粒部位的驱动蛋白和动力蛋白沿微管的运动来完成。极微管在纺锤体中部交错,有些分布在极微管之间特殊的双极马达蛋白,其中2个马达蛋白沿一条微管运动,另2个马达结构域沿另一条微管运动。由于2条微管分别来自二极,故极性相反。当双极驱动蛋白四聚体沿微管向正极运动时,纺锤体二极间距离延长。反之纺锤体距离缩短。

在动物细胞的细胞分裂结束时,母细胞在一个被称为“胞质分裂”的过程中分裂成两个子细胞和分区隔离的染色体。有丝分裂纺锤体控制胞质膜上的“胞质分裂”事件,但连接这两个宏观结构的机制一直不清楚。Mark Petronczki及其同事提供了一个结构和功能分析结果,他们发现中央纺锤体蛋白(纺锤体中间区域和中间体中的一个蛋白复合物)是有丝分裂纺锤体与胞质膜间所缺失的联系环节,这个联系环节确保“胞质分裂”过程的最后结果。本文作者还发现,中央纺锤体蛋白的MgcRacGAP亚单元中的一个区域为一个“系绳”,它连接到胞质膜中的磷酸肌醇脂质上。 [1]


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