Spindlen er en dynamisk struktur, der dannes under mitose og meiose for at sikre segregation (adskillelse) af kromosomer og celledeling. En typisk spindel er bipolær - et spindelformet system af mikrotubuli er dannet mellem de to poler . Spindelmikrotubulierne fæstner sig til kromatidkinetochorerne ved centromererne og sikrer kromosomernes bevægelse mod polerne.
Spindlen er dannet af tre hovedstrukturelementer: mikrotubuli, delepoler og kromosomer. Hos dyr er centrosomer indeholdende centrioler involveret i organiseringen af delingspolerne . I planter såvel som i oocytterne hos nogle dyr er centrosomer fraværende, og der dannes en atcentrosomal spindel med brede poler. En vigtig rolle i spindeldannelsen spilles af motorproteiner, der tilhører dynein- og kinesinfamilierne .
En komplet fissionsspindel dannes på prometafasestadiet efter ødelæggelsen af kernemembranen , når cytoplasmatiske mikrotubuli og centrosomer (i dyr) får adgang til kromosomer og andre komponenter i spindlen. En undtagelse er den spirende gærspindel , som dannes inde i kernen.
Delingsspindelen af en typisk pattedyrcelle består af tre strukturelle elementer - centrosomer , mikrotubuli og kromosomer - som danner en symmetrisk bipolær struktur. Ved spindlens poler er centrosomer, små organeller, der fungerer som organiseringscentre for mikrotubuli . Hvert centrosom består af et par centrioler , omgivet af mange forskellige proteiner. Mellem spindlens poler er kondenserede kromosomer, bestående af et par kromatider , fastgjort ved centromeren . På kromosomernes centromere regioner er kinetochorer - komplekse strukturer, der er ansvarlige for binding til spindelmikrotubuli [1] .
Delingsspindlen består af to halvspindler. Halvspindelen er dannet af polariserede mikrotubuli. De negative minusender af mikrotubuli samles ved spindelpolerne omkring centrosomer. Plus-ender af mikrotubuli bevæger sig væk fra de to poler og skærer hinanden i den midterste ækvatoriale del af spindlen. Hos de fleste hvirveldyr består halvspindelen af 600-750 mikrotubuli, hvoraf 30-40% ender i kinetochorer. Mikrotubulierne, der forbinder spindelpolerne med kromosomernes kinetochorer, kaldes kinetochorer . Desuden er hver kinetochore, under dannelsen af spindlen, forbundet med mange mikrotubuli og danner et kinetochore bundt. Mikrotubuli, der er placeret mellem polerne og ikke fæstner sig til kinetochorer, kaldes interpolære . En del af spindlens mikrotubuli danner radiale strukturer omkring hver pol, kaldet stjerner eller asters. Sådanne mikrotubuli kaldes astrale [2] .
Hos planter, såvel som i nogle dyrs oocytter, er centrosomer fraværende, og der dannes en atcentrosomal spindel med brede poler [3] . Der er heller ingen astrale mikrotubuli ved polerne af den atcentrosomale spindel. Ellers svarer strukturen af plantecellespindelen til strukturen af dyrecellespindelen.
Samlingen af fissionsspindlen begynder i profase. Men på dette stadium er dannelsen af en fuldgyldig spindel umulig på grund af isoleringen af kromosomer såvel som vigtige motoriske, regulerende og stabiliserende proteiner i kernen.
I planter, på grund af fraværet af centrosomer, udføres rollen som center for organisering af mikrotubuli i profasen af den nukleare kappe. Mikrotubuli samler sig nær overfladen af kernen og ved slutningen af profasen er de orienteret langs aksen af den fremtidige fissionsspindel og danner den såkaldte profasespindel [4] .
I dyreceller er mikrotubulus organisationscenter centrosomet. Derfor begynder dannelsen af fissionsspindlen med adskillelse og adskillelse af et par centrosomer under profase. Divergensen af centrosomer i profase er tilvejebragt af motorproteiner dyneiner . De er fastgjort på indersiden af cellemembranen og på den ydre overflade af kernen. Membranfikserede dyneiner hæfter til astrale mikrotubuli og bevæger sig mod minusenden af mikrotubuli. På grund af dette bevæger centrosomer sig til modsatte dele af cellemembranen og divergerer længere fra hinanden [5] .
Samlingen af spindlen afhænger af to nøgleprocesser. For det første fra dannelsen af en bipolær ophobning af mikrotubuli omkring kromosomer. For det andet fra vedhæftning af kromosomer til mikrotubuli fra modsatte delingspoler [6] . Fastgørelse af søsterkromatider til mikrotubuli er en integreret del af spindelsamlingsprocessen. Kromosomer og mange af de motoriske og andre proteiner, der er involveret i dannelsen af en komplet fissionsspindel, er imidlertid isoleret i cellekernen. Og mikrotubuli og centrosomer (hos dyr) er placeret i cytoplasmaet. Samlingen af spindlen afhænger således af ødelæggelsen af kernemembranen i prometafase [7] .
En undtagelse er den spirende gærspindel, som dannes inde i kernen [8] .
Selvorganisering af spindlenI alle eukaryoter afhænger samlingen af den bipolære spindel i høj grad af spindelkomponenternes evne til selvorganisering. Selvorganisering er den eneste mekanisme til at samle fissionsspindlen i celler, der mangler centrosomer [9] . Samlingen af den bipolære spindel uden deltagelse af centrosomer kaldes atcentrosomal. Det er karakteristisk for højere planter og observeres også under meiose i de tidlige stadier af udvikling af nogle dyr. [10] Desuden er selvorganisering af mikrotubuli blevet foreslået at være den dominerende mekanisme til spindelsamling, selv i dyreceller, der indeholder centrosomer [11] .
Selvorganisering af spindlen begynder efter ødelæggelsen af den nukleare membran. Cytoplasmatiske mikrotubuli samles (kernedannelse) omkring kromosomer. Her, med deltagelse af lokale stabiliserende faktorer, forlænges de akkumulerende mikrotubuli. Derefter begynder organiseringen af mikrotubuli med deltagelse af tre grupper af motorproteiner [11] [12] :
I mange dyreceller, herunder menneskelige, deltager centrosomer, som er polerne i delingsspindelen, i spindelsamlingen. Som i samlingen af den atcentrosomale spindel er motoriske og andre proteiner involveret i selvorganiseringen af mikrotubuli til en bipolær struktur, som er fokuseret af mikrotubuliernes minusender i centrosomområdet. I dette tilfælde deltager centrosomer også i spindelsamlingen og bidrager til dannelsen af delepoler, men de er ikke en integreret komponent af spindlen, da samlingsprocessen kan fortsætte, selv når centrosomer er inaktiveret [9] .
Afhængigt af tidspunktet for divergensen af centrosomer i forhold til tidspunktet for ødelæggelse af kernemembranen, skelnes der mellem to mekanismer for spindeldannelse [13] :
Mekanismen for vedhæftning af kromosomer til spindlen i dyreceller, der indeholder centrosomer, er bedst undersøgt. Under profase dannes en stjernestruktur af mikrotubuli omkring centrosomerne, divergerende i radial retning. Området af kernen efter ødelæggelsen af kernemembranen probes aktivt af dynamisk ustabile mikrotubuli, som fanges af kinetochorer af kromosomer. En del af kromosomerne binder sig hurtigt til mikrotubuli fra modsatte poler. En anden del af kromosomerne hæfter sig først til mikrotubuli, der udgår fra en af polerne. Derefter bevæger den sig i retning af den tilsvarende pol. Kromosomer forbundet med den ene pol fanger derefter mikrotubuli fra den modsatte pol. Under metafasen forbinder omkring 10-40 mikrotubuli hver kinetochore for at danne et kinetochorebundt. Alle kromosomer er forbundet med modsatte delingspoler og er samlet til en metafaseplade i midten af spindlen [6] .
Der er også en alternativ model for fastgørelse af kinetochorer til spindlen, velegnet til både celler med centrosomer og celler, der mangler centrosomer. Ifølge denne model danner korte mikrotubuli kerne i nærheden af kromosomerne med deltagelse af gamma-tubulin ringkomplekset . Med deres plus-ende er mikrotubuli indlejret i kinetochorer. Dette efterfølges af kontrolleret vækst ( polymerisation ) af mikrotubuli. De forlængede minusender af mikrotubuli er "syet" og fokuseret i området for divisionspoler med deltagelse af motorproteiner. Centrosomer (hvis de er til stede) bidrager til fastgørelsen af kinetochore mikrotubuli til divisionspoler [14] .
Bipolar orientering af søsterkromatiderFor en ligelig fordeling af kromosomer mellem datterceller er det vigtigt, at kinetochorerne af parrede kromatider er knyttet til mikrotubuli, der udgår fra modsatte poler. Den normale bipolære binding af kinetokorer til modsatte poler kaldes amfitel . Andre kromosomer kan dog forekomme under spindelsamlingen. Fastgørelsen af en kinetochore til en divisionspol kaldes monotelisk . Vedhæftningen af to kinetochorer af et kromosom på én gang til en delingspol kaldes syntelisk . Merotelisk vedhæftning er også mulig , hvor en kinetochore er forbundet til to poler på én gang [15] .
Forkert vedhæftning forhindres delvist af selve geometrien af søsterkinetochorerne, som er på modsatte sider af kromosomernes centromere region. Derudover er fejltilknytninger ustabile og reversible, mens normal bipolær tilknytning af kinetochorer er stabil. En stabil forbindelse opnås på grund af de trækkræfter, der udgår fra de modsatte delepoler. Hovedkomponenten i det regulatoriske system, der er ansvarlig for den korrekte binding af kinetochorer til modsatte poler, er proteinkinasen aurora B [15] .