Spindeln är en dynamisk struktur som bildas under mitos och meios för att säkerställa segregation (separation) av kromosomer och celldelning. En typisk spindel är bipolär - ett spindelformat system av mikrotubuli bildas mellan de två polerna . Spindelmikrotubulierna fäster vid kromatidkinetokorerna vid centromererna och säkerställer kromosomernas rörelse mot polerna.
Spindeln bildas av tre huvudsakliga strukturella element: mikrotubuli, delningspoler och kromosomer. Hos djur är centrosomer som innehåller centrioler involverade i organiseringen av divisionspolerna . I växter , såväl som i oocyterna hos vissa djur, saknas centrosomer, och en atcentrosomal spindel med breda poler bildas. En viktig roll i spindelbildningen spelas av motorproteiner som tillhör dynein- och kinesinfamiljerna .
En komplett fissionsspindel bildas i prometafasstadiet efter förstörelsen av kärnmembranet , när cytoplasmatiska mikrotubuli och centrosomer (i djur) får tillgång till kromosomer och andra komponenter i spindeln. Ett undantag är den spirande jästspindeln , som bildas inuti kärnan.
Delningsspindeln hos en typisk däggdjurscell består av tre strukturella element - centrosomer , mikrotubuli och kromosomer - som bildar en symmetrisk bipolär struktur. Vid spindelns poler finns centrosomer, små organeller som fungerar som organiseringscentra för mikrotubuli . Varje centrosom består av ett par centrioler , omgivna av många olika proteiner. Mellan spindelns poler finns kondenserade kromosomer, bestående av ett par kromatider , fästa vid centromeren . På de centromera regionerna av kromosomerna finns kinetochorer - komplexa strukturer som är ansvariga för fästning till spindelmikrotubuli [1] .
Delningsspindeln består av två halvspindlar. Halvspindeln är bildad av polariserade mikrotubuli. De negativa minusändarna av mikrotubuli samlas vid spindelpolerna runt centrosomer. Plusändar av mikrotubuli rör sig bort från de två polerna och skär varandra i den mellersta ekvatorialdelen av spindeln. Hos de flesta ryggradsdjur består halvspindeln av 600–750 mikrotubuli, varav 30–40 % slutar i kinetokorer. Mikrotubulierna som förbinder spindelpolerna med kromosomernas kinetokorer kallas kinetokorer . Dessutom är varje kinetokor, under bildandet av spindeln, associerad med många mikrotubuli och bildar ett kinetokorknippe. Mikrotubuli som ligger mellan polerna och inte fäster vid kinetokorer kallas interpolära . En del av spindelns mikrotubuli bildar radiella strukturer runt varje pol, kallade stjärnor eller astrar. Sådana mikrotubuli kallas astrala [2] .
I växter, såväl som i oocyterna hos vissa djur, saknas centrosomer, och en atcentrosomal spindel med breda poler bildas [3] . Det finns inte heller några astrala mikrotubuli vid polerna av den atcentrosomala spindeln. I övrigt motsvarar växtcellsspindelns struktur strukturen hos djurcellsspindeln.
Monteringen av klyvningsspindeln börjar i profas. Men i detta skede är bildandet av en fullfjädrad spindel omöjligt på grund av isoleringen av kromosomer, såväl som viktiga motoriska, regulatoriska och stabiliserande proteiner i kärnan.
I växter, på grund av frånvaron av centrosomer, utförs rollen som centrum för organisering av mikrotubuli i profasen av kärnhöljet. Mikrotubuli samlas nära kärnans yta och vid slutet av profasen är de orienterade längs den framtida fissionsspindelns axel och bildar den så kallade profaspindeln [4] .
I djurceller är organiseringscentret för mikrotubuli centrosomen. Därför börjar bildandet av klyvningsspindeln med separation och separation av ett par centrosomer under profas. Divergensen av centrosomer i profas tillhandahålls av motorproteiner dyneiner . De är fixerade på insidan av cellmembranet och på kärnans yttre yta. Membranfixerade dyneiner fäster vid astrala mikrotubuli och rör sig mot minusänden av mikrotubuli. På grund av detta flyttar centrosomer till motsatta delar av cellmembranet och divergerar längre från varandra [5] .
Monteringen av spindeln beror på två nyckelprocesser. Först från bildandet av en bipolär ansamling av mikrotubuli runt kromosomerna. För det andra, från fästningen av kromosomer till mikrotubuli från motsatta divisionspoler [6] . Fastsättning av systerkromatider till mikrotubuli är en integrerad del av spindelsammansättningsprocessen. Kromosomer och många av de motoriska och andra proteinerna som är involverade i bildandet av en komplett fissionsspindel är dock isolerade i cellkärnan. Och mikrotubuli och centrosomer (hos djur) finns i cytoplasman. Sålunda beror monteringen av spindeln på förstörelsen av kärnmembranet i prometafas [7] .
Ett undantag är den spirande jästspindeln, som bildas inuti kärnan [8] .
Självorganisering av spindelnI alla eukaryoter beror sammansättningen av den bipolära spindeln till stor del på spindelkomponenternas förmåga att självorganisera sig. Självorganisering är den enda mekanismen för att montera klyvningsspindeln i celler som saknar centrosomer [9] . Monteringen av den bipolära spindeln utan deltagande av centrosomer kallas atcentrosomal. Det är karakteristiskt för högre växter och observeras också under meios i de tidiga utvecklingsstadierna hos vissa djur. [10] Dessutom har självorganisering av mikrotubuli föreslagits vara den dominerande mekanismen för spindelsammansättning, även i djurceller som innehåller centrosomer [11] .
Självorganisering av spindeln börjar efter förstörelsen av kärnmembranet. Cytoplasmatiska mikrotubuli samlas (kärna) runt kromosomerna. Här, med deltagande av lokala stabiliserande faktorer, förlängs de ackumulerande mikrotubulierna. Sedan börjar organiseringen av mikrotubuli med deltagande av tre grupper av motorproteiner [11] [12] :
I många djurceller, inklusive mänskliga, deltar centrosomer, som är polerna i delningsspindeln, i spindelsammansättningen. Liksom vid monteringen av den atcentrosomala spindeln är motoriska och andra proteiner involverade i mikrotubuliernas självorganisering till en bipolär struktur, som fokuseras av mikrotubuliernas minusändar i centrosomregionen. I det här fallet deltar centrosomer också i spindelmonteringen och bidrar till bildandet av delningspoler, men de är inte en integrerad komponent i spindeln, eftersom monteringsprocessen kan fortsätta även när centrosomer är inaktiverade [9] .
Beroende på tidpunkten för divergens av centrosomer i förhållande till ögonblicket för förstörelse av kärnmembranet, särskiljs två mekanismer för spindelbildning [13] :
Mekanismen för fastsättning av kromosomer till spindeln i djurceller som innehåller centrosomer har bäst studerats. Under profas bildas en stjärnstruktur av mikrotubuli runt centrosomerna, divergerande i radiell riktning. Området av kärnan efter förstörelsen av kärnmembranet undersöks aktivt av dynamiskt instabila mikrotubuli, som fångas av kinetokorer av kromosomer. En del av kromosomerna binder snabbt till mikrotubuli från motsatta poler. En annan del av kromosomerna fäster först till mikrotubuli som kommer från en av polerna. Sedan rör den sig i riktning mot motsvarande stolpe. Kromosomer associerade med en pol fångar sedan mikrotubuli från den motsatta polen. Under metafas sammanfogar cirka 10-40 mikrotubuli varje kinetochore för att bilda ett kinetochoreknippe. Alla kromosomer är associerade med motsatta delningspoler och är sammansatta till en metafasplatta i centrum av spindeln [6] .
Det finns också en alternativ modell för fastsättning av kinetokorer till spindeln, lämplig för både celler med centrosomer och celler som saknar centrosomer. Enligt denna modell bildas korta mikrotubuli nära kromosomerna med deltagande av gamma-tubulinringkomplexet . Med sin plus-ände är mikrotubuli inbäddade i kinetokorer. Detta följs av kontrollerad tillväxt ( polymerisation ) av mikrotubuli. De förlängda minusändarna av mikrotubuli "sys" och fokuseras i området för divisionspoler med deltagande av motorproteiner. Centrosomer (om sådana finns) bidrar till fästningen av kinetochore mikrotubuli till divisionspoler [14] .
Bipolär orientering av systerkromatiderFör en jämn fördelning av kromosomerna mellan dotterceller är det viktigt att kinetokorerna hos parade kromatider är fästa vid mikrotubuli som kommer från motsatta poler. Den normala bipolära bindningen av kinetokorer till motsatta poler kallas amfitelic . Däremot kan andra fästen av kromosomer förekomma under spindelmontering. Fästningen av en kinetochore till en divisionspol kallas monotelisk . Fästningen av två kinetokorer av en kromosom på en gång till en delningspol kallas syntelisk . Merotelic fastsättning är också möjlig , där en kinetochore är ansluten till två poler samtidigt [15] .
Felaktig vidhäftning förhindras delvis av själva geometrin hos systerkinetochorerna, som finns på motsatta sidor av kromosomernas centromeriska region. Dessutom är felkopplingar instabila och reversibla, medan normal bipolär koppling av kinetokorer är stabil. En stabil anslutning uppnås tack vare dragkrafterna som utgår från de motsatta delningspolerna. Huvudkomponenten i det regulatoriska systemet som är ansvarigt för korrekt bindning av kinetokorer till motsatta poler är proteinkinaset aurora B [15] .