有丝分裂纺锤体是一种临时形成、通常具有两极的结构，在有丝分裂过程中将复制后的染色体分配给子细胞。它由微管及相关蛋白质组成，包括分子马达、微管组织因子和染色体结合复合物。纺锤体并非刚性支架，而是在保持有序形态的同时不断更新其组成成分。它的运作既依赖微管的动态变化，也依赖相互连接的微管束传递机械力。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
结构组织
纺锤体是细胞骨架的一种特化组织形式。它的两极确定了一条轴线，染色体沿此轴线分离。微管的正端和负端在结构上有所不同：纺锤体微管的负端通常朝向两极，正端则向染色体、纺锤体内部或细胞周边延伸。并非每根微管都从一极连续延伸至其终点；电子断层成像已揭示，纺锤体主体内部也存在许多微管负端。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
按照连接关系，通常将纺锤体微管分为三类：
- 动粒微管附着于动粒，后者是在染色体着丝粒上组装形成的多蛋白结构。在许多动物细胞中，多根微管组成一束动粒纤维，又称 k纤维，将染色体上的附着位点与朝向纺锤体极的微管网络连接起来。
- 极间微管与从纺锤体另一半伸来的微管相互重叠。重叠区域内的交联和滑动有助于纺锤体的组织与伸长。一些极间微管束形成桥接纤维，在相邻的姐妹动粒纤维之间建立机械连接。
- 星状微管在许多动物细胞中从纺锤体两极向外辐射。它们与细胞皮层相互作用，帮助确定纺锤体的位置和方向。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
这些分类描述的是功能性连接，而不是完全独立的系统。动粒微管束与极间微管束可以发生机械耦合，使纺锤体某一部分产生的力影响其他部分。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
微管动态与力的产生
微管是由微管蛋白构成的聚合物。其末端可以在生长和快速缩短之间交替，这种行为称为动态不稳定性。这使微管能够探索细胞内空间并重新组织，而不必让整个纺锤体解体。从生长转为缩短称为灾变；重新转入生长则称为挽救。对单根微管的直接观察证实，即使微管聚合物总量大致稳定，生长中的微管与快速缩短的微管仍可同时存在。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
纺锤体通过多种机制产生力。分子马达利用化学能沿微管移动、使相邻微管相互滑动，或借助细胞内的锚定位点施加拉力。例如，锚定在细胞皮层上的动力蛋白可以牵拉星状微管。当动粒与不断回缩的微管末端保持耦合时，微管缩短也能产生作用于染色体的力。使用分离的酵母动粒开展的实验表明，这种附着能够在承受负荷时维持，而且张力可以直接提高附着的稳定性。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
因此，不能简单地将染色体运动解释为分子马达沿固定轨道运输染色体。轨道本身也在生长、缩短和滑动，并通过不断变化的网络传递力。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
纺锤体组装
中心体与非中心体途径
在许多动物细胞中，中心体是主要的微管组织中心。它们富集含有γ-微管蛋白的成核装置，并帮助形成纺锤体两极。然而，纺锤体微管并非仅在中心体处产生。与染色体相关的途径以及已有纺锤体内部的成核过程，也参与纺锤体组装。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
augmin复合物通过招募成核装置，促进新微管从已有微管上产生。这使纺锤体能够增加微管数量，同时在很大程度上保留已有网络的取向。对人类细胞进行的电子断层成像发现，一根微管的管壁与另一根微管的负端之间存在依赖augmin的连接，为这一机制提供了支持。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
染色体也可以组织其附近的微管组装。在蛙卵提取物中，与染色体相关的分支成核能够产生微管阵列，并在没有中心体的情况下发展为双极纺锤体。这些途径相互补充，而非在所有情况下都可彼此替代：它们的相对贡献取决于生物种类和细胞环境。(nature.com)
双极性的建立
产生微管只是组装过程的一部分。还必须对微管取向进行调整，将负端聚集成两极，并在纺锤体两半之间组织反平行的重叠区域。1996年发表的实验表明，在蛙卵提取物中，微管能够围绕包被DNA的微珠自组织形成双极结构，说明形成纺锤形组织结构并不绝对需要中心体。(nature.com)
仅有双极性并不能保证准确分裂。染色体附着的结构布局，以及纺锤体微管束之间的机械耦合，也必须适当。例如，在人类细胞中干扰augmin，会改变桥接纤维和动粒纤维的排列，并增加错误附着。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
染色体附着与分离
DNA复制后，每条复制后的染色体都含有两条姐妹染色单体。要实现准确的有丝分裂分离，两者的动粒必须分别连接至纺锤体相对的两半，这种构型称为双向定向或双向附着。姐妹染色单体之间的连接抵抗来自纺锤体的相反方向的力，使其附着处能够产生张力。重构实验表明，机械张力本身就可以稳定动粒与微管之间的连接。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
分裂后期的染色体分离涉及两种在概念上不同的运动：
- **后期A：**染色体向各自的纺锤体极移动，染色体与极之间的距离缩短。
- **后期B：**纺锤体两极进一步远离，两组染色体之间的距离增大。
这两种运动在时间上可能重叠。其背后的机制因系统而异，包括动粒纤维缩短、微管滑动，以及通过极间微管束传递的力。在人类细胞中，激光消融和光激活实验表明，桥接纤维内部的滑动能够推动姐妹动粒纤维彼此分开，并对染色体分离作出显著贡献。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
纺锤体组装检查点
当动粒附着尚未完成时，纺锤体组装检查点会延迟分裂后期的开始。它不应被理解为对纺锤体形态的全面检查。在人类细胞中发现的一种分子机制是：微管与检查点激酶Mps1竞争结合动粒蛋白复合物Ndc80。这在附着状态与检查点信号之间建立了直接联系。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
检查点信号促成一种含有Mad2、BubR1、Bub3和Cdc20的抑制性复合物。这种有丝分裂检查点复合物抑制后期促进复合物／细胞周期体（APC/C）；后者是一种蛋白质降解调控因子，控制细胞进入染色体分离阶段。因此，检查点将机械性附着与细胞周期的生化进程协调起来。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
附着监测并非万无一失。在单动粒双向附着中，一个动粒同时结合朝向两极的微管。这种附着可能逃过检查点检测，因为动粒已被微管占据，但它仍可能在分裂后期造成染色体滞后。因此，除检查点信号外，还需要适当的纺锤体结构和附着纠错机制。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
不同生物之间的差异
含有中心体的动物细胞纺锤体并不是所有生物通用的模板。开花植物细胞在没有典型中心体的情况下组装有丝分裂纺锤体。对拟南芥的研究表明，植物augmin参与这些无中心体纺锤体的组织，包括促使微管在两极汇聚。同一复合物还参与成膜体的组织；成膜体是一种不同的微管阵列，参与植物的胞质分裂。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
实验用动物细胞提取物中也会发生无中心体的纺锤体组装。然而，在提取物中围绕人工染色体组装的纺锤体，并不等同于完整的有丝分裂细胞：它揭示了自组织能力，但排除了一部分细胞内的限制条件和调控相互作用。(nature.com)
纺锤体定向又增添了一个组织层面。在哺乳动物细胞中，皮层动力蛋白和星状微管将纺锤体的力学行为与细胞形状及黏附的几何布局联系起来。因此，分离染色体与定位执行分离的装置，是相互关联但可以区分的两项功能。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
实验研究与未解问题
纺锤体研究结合了活细胞荧光成像、电子断层成像、遗传扰动、生化重构和力学操控。光激活用于追踪标记微管群体的运动；激光消融用于检验微管束被切断后力如何重新分布；分离动粒实验则在可控负荷下考察附着行为。这些方法能够区分微管的生长或缩短与微管晶格本身的移动。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
一个主要局限是，在某一实验系统中测得的机制，在另一系统中未必具有同等的定量重要性。例如，皮层牵拉对纺锤体定位很重要，而在某些特定人类细胞系统中开展的实验，则发现内部桥接纤维的滑动是分裂后期分离的重要驱动力。尚未解决的问题包括：这些产力系统如何协调，其贡献如何随细胞几何形态而变化，以及一个持续更新的网络如何维持可靠的染色体附着。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
参考来源
- Augmin-dependent microtubule nucleation at microtubule walls in the spindlepmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Microtubule Sliding within the Bridging Fiber Pushes Kinetochore Fibers Apart to Segregate Chromosomespmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Tension directly stabilizes reconstituted kinetochore-microtubule attachmentspubmed.ncbi.nlm.nih.gov
- Astral microtubules control redistribution of dynein at the cell cortex to facilitate spindle positioningpmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Direct observation of steady-state microtubule dynamicspubmed.ncbi.nlm.nih.gov
- Augmin: a protein complex required for centrosome-independent microtubule generation within the spindlepmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Acentrosomal spindles assemble from branching microtubule nucleation near chromosomes in Xenopus laevis egg extractnature.com
- Augmin prevents merotelic attachments by promoting proper arrangement of bridging and kinetochore fiberspmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Kinetochore attachment sensed by competitive Mps1 and microtubule binding to Ndc80Cpubmed.ncbi.nlm.nih.gov
- Checkpoint inhibition of the APC/C in HeLa cells is mediated by a complex of BUBR1, BUB3, CDC20, and MAD2pmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Characterization of the Arabidopsis Augmin Complex Uncovers Its Critical Function in the Assembly of the Acentrosomal Spindle and Phragmoplast Microtubule Arrayspmc.ncbi.nlm.nih.gov