细胞纺锤体：受力反而增强的自我修复机制
细胞分裂过程中，有丝分裂纺锤体不断收紧以分离染色体，在此期间它既产生力，也承受力。
文/Ada Zejun Shen/Quanta Magazine
引言
动物、植物和真菌的细胞，始于一场"分裂诞生"。细胞通过分裂产生，就在母细胞即将一分为二前，它会将细胞核内的DNA复制一倍，并小心浓缩成X形染色体。随后细胞核解体，让这些至关重要的遗传指令游离于细胞内的液态基质中。接下来，细胞将完成一项令人惊叹的微观力学壮举。
蛋白丝从细胞两极向赤道面延伸，附着在染色体上。它们拖拽、调整、轻推这些珍贵的"货物"，直到所有染色体都在细胞中部整齐排列成线。随后，这个被称为纺锤体的结构——由微管束构成的柔韧动态骨架——会在两极同时缩短。它将两组染色体彻底拉开，分别牵引至细胞质的两端。当遗传物质在两极完成分离，一个细胞就能安全分裂为两个，诞生于这场微观"拔河赛"。
纺锤体在缩短和牵拉时，自身也承受着巨大张力；它如何做到不被扯碎，自150年前生物物理学家首次用显微镜观察细胞分裂以来，一直是科学界的未解之谜。"他们看到染色体在移动，于是推测细胞内可能存在某种拉力或推力，"格罗宁根大学生物物理学家Colleen Caldwell说。
如果承受这些力时纺锤体的完整性遭到破坏，两个子细胞可能都会死亡，或引发因细胞分裂和染色体排布错误导致的疾病。就此而言，包括人类在内的所有真核生物，其一生的每一次细胞分裂，都依赖纺锤体的正常运作。
直到最近，研究人员还没有工具能在亚细胞尺度上物理操控哺乳动物纺锤体结构，以探究其工作机制。近日，加州大学旧金山分校生物物理学家Sophie Dumont带领的团队，首次用微针物理操控哺乳动物细胞内的纺锤体并对其施加压力，观察它在牵拉染色体的剧烈张力下如何保持完整。
实验揭示了一种自我修复机制，能让纺锤体在受力时稳定自身、避免解体。这些研究成果于2026年2月发表在《当代生物学》（Current Biology）杂志上[https://doi.org/10.1016/j.cub.2025.12.047]，为人们打开了一扇了解细胞世界物理学的窗口——在这里，复杂的生命机器像工厂里的机械一样，承受着各种物理力和压力。纺锤体的力学特性表明，在生命最细微的尺度上，材料科学能展现出多么奇特的一面。
一种生命材料
作为生物结构，细胞纺锤体给材料物理学家带来了极大的复杂性。锡拉丘兹大学生物物理学家Colm Kelleher并未参与这项新研究，他指出，大多数人造材料仅由几种不同分子构成，而纺锤体由数百种不同的蛋白质分子组成，且每一种蛋白质本身就是"极为复杂的结构"。
纺锤体的尺寸也很特殊，进一步增加了实验难度。"科学家对单个分子的力学特性已经了解颇多，对组织和生物体的力学机制——比如肌肉如何产生力——也有不少认识，"Dumont说，"但由众多分子共同构成的这种大分子结构的力学特性，却更难探究。我们对它的了解相对较少，但它的重要性丝毫不亚于前两者。"
更特殊的是，作为活有机体的一部分，这些生物分子结构持续从自身内部获取能量——这与人造材料和机械的运作方式截然不同。Kelleher举了汽车的例子：汽车有油箱和发动机，为传动部件提供动力，再将扭矩传递给车轮，最终推动车身前进。而生物材料构成的系统运作方式完全不同。
图/Mark Belan/Quanta Magazine
"就像一辆只有车轮的汽车，你把汽油直接注入车轮，车轮就自己动了起来，"他说，"产生力的部件、消耗能量的部件和传递力的部件，在物理上完全交织在一起。"
尽管生命机器存在这些独特的力学特性，对纺锤体物理学的研究已持续数十年。20世纪60年代，已故杜克大学生物学家Bruce Niklas开始用极细的玻璃针，透过细胞膜从外部推动活细胞内的染色体，以此探究和操控它们。通过对纺锤体和染色体施加物理力，他和同事首次揭示了一些关键力学机制。例如，纺锤丝附着在染色体上的圆盘状蛋白质——动粒（kinetochore）——所受的张力，被认为能让细胞确认纺锤体是否正确附着，确保细胞分裂时染色体准确分离。
细胞分裂的各个阶段：纺锤体（绿色）通过动粒（粉色）附着在染色体上，将染色体排列在细胞中部，随后将它们拉向细胞两极，最终细胞一分为二。
图片来源：Wellcome Images/Science Source
Dumont表示，在接下来的几十年里，Niklas对纺锤丝的推、拉实验开创了纺锤体力学领域。"他基本上是我们的行业先驱，"她补充道。他的研究引出了一系列问题：纺锤体如何产生力？它能产生多大的力？它如何应对环境施加的外力？
不过，Niklas的实验是在一种非常特殊的细胞中完成的：蚱蜢精母细胞，即蚱蜢精子的前体细胞。这类细胞有一些实验优势，比如能耐受玻璃微针的物理操控，且染色体较大、易于观察。但Dumont想跳出昆虫的范畴，探究纺锤体在人类这类哺乳动物细胞中的行为。她需要找到一种哺乳动物细胞，像Niklas实验用的蚱蜢精母细胞一样，染色体数量较少但体积较大，且适合用微针操控。
最终，一种体型如兔子的夜行性有袋动物——鼠袋鼠——的细胞成为理想选择：根据性别不同，它们的细胞只有12或13条染色体。近10年来，Dumont的实验室一直用微针牵拉鼠袋鼠细胞——"我们有时称之为'细胞折磨'"——观察它们对不同力的反应。
纺锤体的韧性
2020年，她的团队有了意外发现。当用微针拉扯纺锤丝时，纺锤丝既没有从染色体上脱落，也没有从细胞两极的锚定位点脱离，而是像铅笔折断一样，在中间断裂。更神奇的是，断裂的纺锤丝末端没有立即散开，而是稳定下来，就像尼龙绳磨损的末端被熔化后防止进一步散开一样。
Dumont实验室的生物工程师Caleb Rux进一步研究了纺锤丝断裂后如何稳定下来。为了精准操控纺锤体，他用类似游戏手柄的装置操控电动微针，以62.5纳米的步长向任意方向移动。
"我把它想象成3D版的蚀刻素描玩具，"Rux说。微针被设定的移动和牵拉速度越快，施加的力就越大。
Rux、Dumont及其同事发现，用激光切割纺锤丝（不会施加拉力）时，纺锤丝会变得不稳定并解体；但先用微针牵拉纺锤丝使其受力拉伸，再用激光在受力点切割，纺锤丝就能保持稳定。
Dumont的团队猜想，纺锤体可能存在一种自动修复机制，能在受力时修复纺锤丝受损的部分。纺锤丝的本质是微管，由许多微小的互锁组件构成的长杆。Rux将这些组件比作乐高积木，它们组装成更大的结构。"受力时，这些单个的'乐高积木'可能会从结构中脱落——不是从两端，而是从中间，"Rux说。此时，周围更稳定的积木会填补空缺，让纺锤丝恢复稳定。
Caleb Rux主导的研究揭示了有丝分裂纺锤体的韧性——这是细胞分裂过程中负责整理DNA的关键结构。"我们花了好几年才找到这种机制，"他说。
图/Elisabeth Fall
为了验证这一假设，他们需要确定修复发生的位置。他们给末端结合蛋白1（EB1）添加了荧光标记，这种微管结合蛋白更倾向于结合稳定结构而非不稳定结构。结果显示，在受力点，纺锤丝被这种蛋白点亮，表明此处正在发生自我稳定过程。
"我们花了好几年才找到这种机制，"Rux说，"这真的很令人兴奋，也让我觉得之前所有的阅读和努力都没有白费，我们走对了路。"
他推测，当纺锤丝受力时，拉伸和牵拉会使其丢弃一些较小的细胞骨架组件——即"乐高积木"——这些组件被推入周围的细胞质中；同时，悬浮在细胞质中的其他更稳定的积木会填补受损结构的空缺，使其得到加固。这让纺锤体在最需要支撑的位置变得更稳定。Rux表示，这可能是一个自动过程，也可能是特定蛋白质促使微管积木填补空缺。
这种现象有点违反直觉。纽约大学计算生物学家Alexander Mogilner并未参与这项研究，他将其比作手指陷阱玩具：通常拉扯某物会导致其断裂，但在这里，拉扯反而让材料变得更强。"这项研究传递的核心信息有点暖心——外力会让纺锤体更稳定、更具韧性，"他说。
这种机制或许可以解释，纺锤体在进行染色体"拔河"时，如何产生并承受自身所受的力。Dumont指出，纺锤体的存在本身就有点矛盾。
"它必须是一个动态结构，才能完成自我组装、移动染色体和自我重塑，但同时它又必须足够坚固，"她说。或许可行的解决方案是，在产生和承受力时自发加固并稳定自身。
纺锤体韧性带来的启示不止于生物学领域。Rux曾是一名机械工程师，负责检查道路因使用和风化产生的裂缝。他现在设想，或许能设计出在负载下变得更强、而非随时间老化变脆的道路。
"生物经过数十亿年的进化，形成了这些极其坚固、高效的结构，"他说，"我认为我们可以从这些原理中学到东西，并用它们来启发我们的工程系统设计。"
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