有丝分裂中期纺锤体稳定性与极向流调控机制：微管动态平衡的物理生物学研究 中文标题

本研究针对有丝分裂中期纺锤体如何维持稳定性及极向流（poleward flux）调控纺锤体长度的机制问题，通过建立包含动粒（kinetochore）、微管（MT）、马达蛋白（kinesin-5/kinesin-13）和NuMA蛋白的最小纺锤体模型，揭示了极向流通过协调微管加端聚合、滑动和减端解聚的速率实现系统稳定，并发现微管成核在大型细胞中影响纺锤体动力学。该研究为理解细胞分裂精准性提供了新视角，发表于《iScience》。

　　

细胞分裂是生命体繁衍和生长的核心过程，而有丝分裂中期的纺锤体如同一个精准的“分子机器”，负责将染色体平均分配到两个子细胞中。这一过程中，纺锤体需要维持稳定的长度和结构，同时其内部的微管（microtubule, MT）会持续向两极移动，形成所谓的“极向流”（poleward flux）。尽管这种动态现象已被发现数十年，但极向流如何参与纺锤体稳定性调控、其速率如何与纺锤体尺寸关联，以及大型胚胎细胞中的微管成核如何影响整体动力学，仍是未解之谜。传统模型多忽略极向流的作用，或未能整合多种关键蛋白的协同机制，导致对哺乳动物等细胞的解释力不足。

为了回答这些问题，中国科学院物理研究所与北京师范大学的研究团队合作，在《iScience》上发表了题为“Mechanism of spindle stability and poleward flux regulating spindle length during the metaphase”的研究论文。他们通过建立最小化的纺锤体物理模型，结合随机模拟方法，首次揭示了极向流通过调控抗平行微管重叠长度和纺锤体长度，实现微管聚合、滑动和解聚速率平衡的机制，并阐明了微管成核在大型细胞中的特殊作用。

研究主要采用了计算建模与蒙特卡洛随机模拟方法，整合了微管动力学、马达蛋白（kinesin-5, kinesin-13）的力学化学循环、NuMA蛋白的交联作用以及弹性连接元件的力学响应。模型参数依据人类细胞和小型胚胎细胞（如斑马鱼）的实验数据校准，包括微管聚合速率（v_po）、马达蛋白的结合/解离速率、弹性系数（κ₁, κ₂, κ₃）等。模拟过程中追踪了微管重叠长度、纺锤体长度和蛋白分布的时间演化，并通过扰动分析验证了系统的稳定性与可恢复性。

纺锤体的稳定性

研究团队发现，无论初始条件如何变化（如蛋白数量、分布或初始长度），系统总能自发达到稳态，其中极向流速率（v_flux）、微管加端聚合速率（v_pol）和减端解聚速率（v_dep）均趋于相等（图2E, 2F）。这种平衡是通过抗平行微管重叠长度（L_OL）的自适应调节实现的：当重叠长度较短时，驱动蛋白-5（kinesin-5）的数量减少，导致滑动速率下降，从而允许聚合占优并延长重叠区；反之，过长重叠会增强滑动，缩短重叠区。同时，动粒（kinetochore）位置会呈现大幅缓慢振荡（周期约3000秒），这与实验中观察到的染色体“呼吸运动”一致，且振荡幅度随聚合速率增加而增大，解释了kinesin-8缺失导致的异常振荡现象。

极向流速率决定重叠长度与纺锤体长度

通过调节预设的微管聚合速率（v_po），模拟结果重现了Steblyanko等人（2020）和Risteski等人（2022）的实验数据：极向流速率与纺锤体长度（图3）、重叠长度（图4）均呈线性正相关。例如，在人类细胞中，v_po从20 nm/s增至30 nm/s时，纺锤体长度从10 μm延长至14 μm。这一关系源于kinesin-5的力-速度特性：其未负载速度需大于v_po/2，才能通过重叠长度调整滑动速率至与v_po匹配。此外，NuMA蛋白的引入确保了多组微管对的同步滑动，防止系统失稳（图S18）。

参数扰动对纺锤体动力学的影响

研究系统评估了关键参数的敏感性（图5）：

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  kinesin-13解聚参数：增加推动力下的解聚速率（k_dep⁽⁺⁾）会缩短重叠和纺锤体长度，而增加拉力下的解聚速率（k_dep^(-)）在低值时延长系统，高值时影响微弱。

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  聚合相关参数：调控动粒端聚合的力敏感性参数（F_p0）和速率抑制因子（B）均正比于重叠和纺锤体长度，证实动粒局部kinesin-13通过抑制kMT聚合调控全局尺寸。

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  弹性系数：弹簧刚度（κ₁, κ₂, κ₃）在广泛范围内不影响稳态长度，表明系统对力学连接细节不敏感。

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  kinesin-5动力学参数：其未负载速度（由k⁽⁺⁾, k_r, E_p决定）与重叠/纺锤体长度正相关，而结合速率（k_on^(m)）与长度负相关。

大型细胞中的微管成核效应

在斑马鱼等大型胚胎细胞中，微管长度远小于纺锤体尺寸，且存在分支成核现象（branching nucleation）。扩展模型显示，成核蛋白将短微管刚性连接为长链，使“主干”kMT和iMT的动力学仍服从上述规律，但大量短微管增加了kinesin-13的运输效率，导致解聚速率提升（图6B）。这解释了大型细胞中纺锤体长度与极向流速率的正比关系更显著的现象（图6C），与Rieckhoff等人（2020）的实验一致。

结论与意义

该研究通过最小化模型揭示了有丝分裂中期纺锤体稳定的核心机制：极向流不是被动现象，而是主动调控者，通过微管重叠长度的自适应调节，实现聚合-滑动-解聚的动态平衡。研究首次量化了极向流速率与纺锤体尺寸的线性关系，并阐明了kinesin-13依靠微管滑动（而非定向运动）抵达减端的运输机制。此外，参数扰动分析为实验干预（如蛋白降解或药物抑制）提供了预测框架，例如降低kinesin-13浓度可延长纺锤体，而动粒端kinesin-13的活性抑制可缩短纺锤体。

局限性方面，研究未解释动粒大幅振荡的物理起源（如错误连接的纠正），也未考虑kinesin-12等辅助马达蛋白的作用。未来工作可整合更多蛋白因子及错误附着修正机制，进一步提升模型的生理相关性。总体而言，该研究为理解细胞分裂精准性提供了力学与动态学基础，对肿瘤治疗（如靶向纺锤体稳定性）和发育生物学具有重要启示。