Theoretical analysis of forces generated by mitotic spindle

分裂するすべての生細胞は、精密なエンジニアリングの妙技を演じなければなりません。それは、自身の遺伝物質を2つの同一のセットに分割し、細胞の両端へと引き離すことです。「有糸分裂」として知られるこのプロセスは、「紡錘体」と呼ばれる一時的な構造体に依存しています。これはタンパク質繊維で構成された微小な機械であり、足場とモーターの両方の役割を果たします。この機械の中では、微小な分子モーターがこれらの繊維に沿って歩行し、染色体を細胞の中央に整列させるために必要な張力と、後にそれらを力強く引き離すために必要な強力な力を生み出しています。科学者たちは、整列段階において染色体を保持するために繊維がどれほどの力を及ぼしているかを長年測定できてきましたが、次の段階に移ると、不可解な不一致が生じることが明らかになりました。研究者が分離段階において染色体の動きを止めようとしたところ、整列時に静止させておくために必要だった力よりも、数百倍も強い力が必要であることが判明したのです。この巨大な差は、なぜこの機械が停止させるためだけにこれほど膨大なパワーを生み出すのか、そしてそのパワーはどこから来るのかという疑問を生物学者たちに抱かせました。

中国科学院のピン・シェ（Ping Xie）による新しい理論的研究は、紡錘体がどのように力を生成するかをモデル化することで、この謎に対して明確な説明を提示しています。この研究は、紡錘体が整列段階と分離段階の間で根本的なエンジンを変更しているのではなく、染色体を止めるために必要な力の違いは、その染色体が動こうとしている速度の直接的な結果であることを示唆しています。初期の段階である染色体が整列しているとき、繊維には張力がかかっていますが、動きは比較的緩やかです。一方、後期の段階で染色体が引き離されているとき、繊維はその末端で脱重合しており、染色体を極へとるついでに 훨씬 高速で押し出しています。本研究は、染色体を止めるために必要な力は、単に繊維の強さだけでなく、繊維が染色体をどれほどの速度で引き離そうとしているかによるものだと提唱しています。高速で動いている物体を止めるには、たとえそれらを動かしているエンジンが同じであっても、低速で動いているものを止めるよりも、はるかに大きな力が必要なのです。

この論文は、細胞分裂の研究における古典的なモデルであるバッタの精母細胞のデータに焦点を当てています。これらの細胞において、研究者は以前、整列段階で単一の繊維を保持するために約7ピコニュートン（pN）の力が必要であることを測定していました。しかし、分離段階で染色体全体の動きを止めようとしたとき、700 pNという驚異的な力が必要であることが分かりました。一つの染色体には約15本の繊維が付着しているため、これは分離中に各繊維が約50 pNの力を発生させていることを意味しており、これは以前に見られた7 pNよりもはるかに高い数値です。シェのモデルは、操作されていない染色体が分離中に中心から遠ざかる速度が、整列中の繊維の速度よりもはるかに速いことを計算することで、これを説明しています。繊維が染色体を引き離そうとする速度が非常に速いため、その動きを打ち消して静止させるために必要な力も自然と大きくなるのです。モデルによれば、整列時の各繊維への牽引力が約7.87 pNであれば、実験で観察された700 pNのストール力（停止時の力）を数学的に完璧に予測できることが示されています。

また、この研究は、なぜ他の実験では染色体を止めるのにずっと低い力が必要であると報告されているのかについても言及しています。それらのケースでは、研究者がレーザー光を用いて染色体を保持していました。新しいモデルは、レーザー光自体が、繊維を引き離す役割を担う分子モーターを損傷させたり、あるいは外したりして、実質的に染色体の速度を低下させてしまった可能性を示唆しています。もしモーターが損なわれたために染色体の動きが遅くなっているならば、それを止めるために必要な力もはるかに少なくなります。これにより、細胞が整列と分離のために二つの異なるエンジンを持っていると仮定することなく、不一致を説明することができます。つまり、細胞は一貫した一つのメカニズムを使用していますが、プロセスの速度が停止に必要な力を決定しているのです。

さらに、この研究は、もし科学者が単一の染色体ではなく、細胞内のすべての染色体を同時に止めようとした場合に何が起こるかについて、具体的な予測を行っています。モデルによれば、すべての染色体を同時に止めるために必要な総力は、単一の染色体を止めるために必要な力の約4倍になることを示唆しています。逆に、その全グループの中の個々の染色体を止めるために必要な力は、単独の染色体を止めるために必要な力のわずか17パーセント程度になります。この直感に反する結果は、繊維が相互に連結しているために生じます。システムの一部を止めることは、残りの部分のダイナミクスを変化させるのです。著者は、将来の実験によってこの予測を検証できることを期待しています。それが実現すれば、紡錘体が、生成される力が運動の速度と密接に関連している、統一された自己調節機能を持つ機械であることを裏付けることになるでしょう。

本研究は、細胞がいかにして分裂の膨大な力を制御しているかについての統一的な視点を提供しています。ストール力がこれほど高い理由は、分子モーターの強さが突然増したからではなく、分離の速度が高いことの自然な帰結であることを示すことで、この謎を解決しました。紡錘体はギアを切り替えたりエンジンを変更したりする必要はありません。単にプロセスの速度に反応しているだけなのです。動いている部分を止めるために必要な力は、その部分がどれほど速く動いているかによって決まるということを理解することで、科学者は生命の最も基本的なレベルにおけるメカニズムをより深く理解することができます。本研究は、紡錘体が、成分の速度によって力がバランスされる堅牢なシステムであり、生命が継続するために必要な精度とパワーをもって染色体を分離することを裏付けています。