Theoretical analysis of forces generated by mitotic spindle

Jede lebende Zelle, die sich teilt, muss eine Meisterleistung präziser Ingenieurskunst vollbringen: Sie muss ihr genetisches Material in zwei identische Sätze aufteilen und sie zu den gegenüberliegenden Enden der Zelle ziehen. Dieser Prozess, bekannt als Mitose, beruht auf einer temporären Struktur namens Spindel, einer mikroskopischen Maschine aus Proteinfasern, die sowohl als Gerüst als auch als Motor fungiert. Innerhalb dieser Maschine laufen winzige molekulare Motoren entlang dieser Fasern und erzeugen die Spannung, die benötigt wird, um Chromosomen in der Mitte der Zelle auszurichten, sowie die kraftvolle Gewalt, die erforderlich ist, um sie später auseinanderzureißen. Wissenschaftlern ist es schon lange möglich zu messen, wie viel Kraft diese Fasern aufwenden, um Chromosomen während der Ausrichtungsphase an ihrem Platz zu halten, doch eine rätselhafte Diskrepanz trat zutage, als sie die nächste Phase untersuchten. Als Forscher versuchten, ein Chromosom während der Trennungsphase zu stoppen, stellten sie fest, dass eine Kraft nötig war, die hundertmal stärker war, als es nötig gewesen wäre, um es zuvor lediglich in Bewegung zu halten. Dieser massive Unterschied hat Biologen rätseln lassen, warum die Maschine eine so enorme Menge an Energie aufbringen muss, nur um gestoppt zu werden, und woher diese Kraft stammt.

Eine neue theoretische Studie von Ping Xie von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften bietet eine klare Erklärung für dieses Rätsel, indem sie modelliert, wie die Spindel Kraft erzeugt. Die Forschung legt nahe, dass die Spindel nicht ihren grundlegenden Antrieb zwischen der Ausrichtungs- und der Trennungsphase ändert; vielmehr ist der Unterschied in der Kraft, die benötigt wird, um ein bewegtes Chromosom zu stoppen, ein direktes Resultat dessen, wie schnell dieses Chromosom sich bewegen will. In der früheren Phase, wenn die Chromosomen ausgerichtet werden, stehen die Fasern unter Spannung, aber die Bewegung ist relativ langsam. In der späteren Phase, wenn die Chromosomen auseinandergezogen werden, depolymerisieren die Fasern an ihren Enden, was die Chromosomen mit einer viel höheren Geschwindigkeit zu den Polen treibt. Die Studie schlägt vor, dass die Kraft, die nötig ist, um ein Chromosom anzuhalten, nicht nur von der Stärke der Fasern abhängt, sondern von der Geschwindigkeit, mit der sie versuchen, das Chromosom wegzuziehen. Um ein schnelles Objekt zu stoppen, benötigt man deutlich mehr Kraft als um ein langsames Objekt zu stoppen, selbst wenn der Motor, der sie antreibt, derselbe ist.

Die Arbeit konzentriert sich auf Daten aus Grashüpfer-Spermatocyten, einem klassischen Modell zur Untersuchung der Zellteilung. In diesen Zellen haben Forscher zuvor gemessen, dass es etwa 7 Pikonewton Kraft benötigt, um eine einzelne Faser während der Ausrichtungsphase an ihrem Platz zu halten. Als sie jedoch versuchten, ein ganzes Chromosom während der Trennungsphase zu stoppen, stellten sie fest, dass sie ganze 700 Pikonewton benötigten. Da ein einzelnes Chromosom an etwa 15 Fasern befestigt ist, impliziert dies, dass jede Faser während der Trennung etwa 50 Pikonewton Kraft erzeugt, was weit höher ist als die 7 Pikonewton, die zuvor beobachtet wurden. Xies Modell erklärt dies durch die Berechnung, dass die Geschwindigkeit, mit der sich die unmanipulierten Chromosomen während der Trennung von der Mitte weg bewegen, viel höher ist als die Geschwindigkeit der Fasern während der Ausrichtung. Weil die Fasern versuchen, das Chromosom so schnell wegzuziehen, ist die Kraft, die erforderlich ist, um dieser Bewegung entgegenzuwirken und sie zum Stillstand zu bringen, von Natur aus viel größer. Das Modell zeigt, dass wenn die Zugkraft auf jede Faser während der Ausrichtung etwa 7,87 Pikonewton beträgt, die Mathematik exakt die beobachteten 700 Pikonewton an Stoppkraft aus den Experimenten vorhersagt.

Die Studie geht auch der Frage nach, warum andere Experimente deutlich geringere Kräfte gemeldet haben, die nötig waren, um Chromosomen zu stoppen. In diesen Fällen verwendeten Forscher Laserstrahlen, um die Chromosomen festzuhalten. Das neue Modell legt nahe, dass das Laserlicht selbst die molekularen Motoren, die für das Auseinanderziehen der Fasern verantwortlich sind, beschädigt oder gelöst haben könnte, was das Chromosom effektiv verlangsamte. Wenn das Chromosom langsamer bewegt wird, weil die Motoren beeinträchtigt sind, dann ist viel weniger Kraft nötig, um es zu stoppen. Dies erklärt die Diskrepanz, ohne davon ausgehen zu müssen, dass die Zelle zwei verschiedene Motoren für Ausrichtung und Trennung besitzt. Stattdessen nutzt die Zelle einen konsistenten Mechanismus, aber die Geschwindigkeit des Prozesses bestimmt die erforderliche Kraft zum Anhalten.

Darüber hinaus stellt die Forschung eine spezifische Vorhersage darüber auf, was passieren würde, wenn Wissenschaftler versuchen würden, jedes Chromosom in der Zelle gleichzeitig zu stoppen, statt nur eines. Das Modell legt nahe, dass die Gesamtkraft, die erforderlich ist, um alle Chromosomen gleichzeitig zu stoppen, etwa viermal größer wäre als die Kraft, die nötig ist, um nur ein einzelnes zu stoppen. Umgekehrt wäre die Kraft, die nötig ist, um jedes einzelne Chromosom in dieser Gesamtgruppe zu stoppen, nur etwa 17 Prozent der Kraft, die nötig ist, um ein einzelnes Chromosom zu stoppen. Dieses kontraintuitive Ergebnis ergibt sich daraus, dass die Fasern miteinander verbunden sind; das Stoppen eines Teils des Systems verändert die Dynamik für den Rest. Der Autor hofft, dass zukünftige Experimente diese Vorhersage testen können, was bestätigen würde, dass die Spindel als eine einheitliche, selbstregulierende Maschine arbeitet, bei der die erzeugte Kraft eng mit der Bewegungsgeschwindigkeit verknüpft ist.

Diese Arbeit liefert eine vereinheitlichte Sichtweise darauf, wie Zellen die immensen Kräfte der Teilung bewältigen. Sie löst das Rätsel, warum die Stoppkraft so hoch ist, indem sie zeigt, dass dies eine natürliche Folge der hohen Geschwindigkeit der Trennung ist und nicht einer plötzlichen Zunahme der Stärke der molekularen Motoren. Die Spindel muss nicht die Gänge wechseln oder ihren Motor ändern; sie reagiert einfach auf die Geschwindigkeit des Prozesses. Durch das Verständnis, dass die Kraft, die erforderlich ist, um ein bewegtes Teil zu stoppen, davon bestimmt wird, wie schnell dieses Teil sich bewegt, können Wissenschaftler die Mechanik des Lebens auf seiner fundamentalsten Ebene besser verstehen. Die Studie bestätigt, dass die Spindel ein robustes System ist, in dem die Kräfte durch die Geschwindigkeiten der Komponenten ausgeglichen werden, wodurch sichergestellt wird, dass die Chromosomen mit der Präzision und Kraft getrennt werden, die für die Fortdauer des Lebens notwendig sind.