Der Spindelapparat: Wie Chromosomen bewegt werden

Vertiefung zum ThemaMitose

46 Chromosomen, jedes aus zwei Chromatiden, müssen in wenigen Minuten exakt auf zwei Zellen verteilt werden. Kein einziges darf verloren gehen. Diese Präzisionsarbeit leistet der Spindelapparat, ein Gerüst aus winzigen Röhrchen, das sich für jede Teilung neu aufbaut. Ohne ihn bleibt die Mitose stecken. Genau das macht man sich in Medizin und Pflanzenzucht zunutze.

Einfach erklärt

Diese Seite vertieft das Thema Mitose. Bei der Teilung muss die Zelle alle Chromosomen genau verteilen. Diese Arbeit macht der Spindelapparat. Das ist ein Gerüst aus winzigen Röhrchen. Die Röhrchen heißen Mikrotubuli. Die Zelle baut das Gerüst für jede Teilung neu auf.

Die Röhrchen wachsen von den beiden Zellpolen aus. Sie greifen an einer bestimmten Stelle am Chromosom an. Diese Stelle heißt Kinetochor. Zuerst ordnen die Fasern die Chromosomen in der Zellmitte an. Dann ziehen sie die Hälften zu den beiden Polen. Tierzellen haben an den Polen kleine Zylinder. Pflanzenzellen bauen ihre Spindel ohne sie.

Die Zelle kontrolliert die Arbeit genau. Alle Chromosomen müssen richtig hängen. Erst dann beginnt die Trennung. Colchicin – das ist ein Gift aus der Herbstzeitlose. Es verhindert neue Röhrchen. Dann bleibt die Teilung stecken. Das nutzt man im Labor und in der Pflanzenzucht. Ähnliche Stoffe helfen gegen Krebs.

Merke: Der Spindelapparat zieht die Chromosomen-Hälften zu den beiden Polen.

Was ist der Spindelapparat?

Der Spindelapparat ist die Maschine, die in den Phasen der Mitose die Chromosomen bewegt. Er entsteht in der Prophase, wenn sich die Zelle auf die Teilung vorbereitet, und wird nach der Telophase wieder abgebaut. Seinen Namen hat er von seiner Form: Zwischen den beiden Polen der Zelle spannen sich Fasern auf, die in der Mitte breit und an den Polen schmal sind, wie eine Spindel am Spinnrad.

Die Spindelfasern sind Mikrotubuli, hohle Röhrchen aus dem Protein Tubulin mit einem Durchmesser von nur etwa 25 Nanometern. Ein Baustein besteht aus zwei ähnlichen Untereinheiten, α- und β-Tubulin, die zusammen ein Dimer bilden. Viele Dimere reihen sich zu Längsfäden auf, meist 13 davon bilden die Wand eines Röhrchens. Weil alle Dimere gleich ausgerichtet sind, hat ein Mikrotubulus zwei verschiedene Enden: ein schnell wachsendes Plus-Ende und ein langsam wachsendes Minus-Ende. Die Plus-Enden wechseln ständig zwischen Wachsen und Schrumpfen. Diese dynamische Instabilität ist kein Fehler, sondern der Trick der Spindel: Durch Wachsen und Schrumpfen tasten die Fasern den Raum ab, bis sie ein Chromosom treffen.

Zentrosomen und Zentriolen – und warum Pflanzen ohne auskommen

In tierischen Zellen wachsen die Mikrotubuli von zwei Organisationszentren aus, den Zentrosomen. Die Minus-Enden sitzen am Zentrosom, die Plus-Enden zeigen nach außen. Ein Zentrosom wird in der Interphase verdoppelt. Zu Beginn der Mitose wandern die beiden Zentrosomen auseinander und bilden die zwei Pole der Spindel. Im Inneren jedes Zentrosoms liegen zwei Zentriolen: kleine Zylinder aus neun Dreiergruppen von Mikrotubuli, die meist rechtwinklig zueinander stehen. Baugleiche Strukturen bilden übrigens die Basis von Geißeln und Wimpern.

Pflanzenzellen besitzen keine Zentriolen und dennoch einen voll funktionsfähigen Spindelapparat. Ihre Mikrotubuli bilden sich vor allem an der Oberfläche der Kernhülle und ordnen sich dann zu einer eher tonnenförmigen Spindel mit breiten Polen. Das zeigt: Zentriolen sind praktisch, aber für eine Spindel nicht unbedingt nötig.

Drei Sorten Spindelfasern und das Kinetochor

Nicht alle Mikrotubuli der Spindel haben dieselbe Aufgabe. Man unterscheidet drei Sorten:

Sorte	Verlauf	Aufgabe
Kinetochor-Mikrotubuli	vom Pol zu einem Kinetochor	halten die Chromosomen fest, ordnen sie in der Zellmitte an und ziehen die Chromatiden in der Anaphase zu den Polen
polare Mikrotubuli	vom Pol zur Zellmitte, wo sie sich mit Fasern vom anderen Pol überlappen	schieben die Pole in der Anaphase auseinander, die Spindel wird länger
astrale Mikrotubuli	vom Pol nach außen zur Zellrinde	verankern die Spindel und richten sie in der Zelle aus

Das Gegenstück der Fasern am Chromosom ist das Kinetochor: ein Komplex aus vielen Proteinen, der sich am Zentromer jedes Chromatids bildet. Ein Zwei-Chromatid-Chromosom besitzt also zwei Kinetochore, die in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Im Idealfall wird das eine von Fasern des linken, das andere von Fasern des rechten Pols eingefangen. Dieses Einfangen geschieht nach dem Prinzip Versuch und Irrtum: Die Plus-Enden wachsen in alle Richtungen und schrumpfen wieder, bis zufällig ein Kinetochor getroffen ist. Dann wird die Faser stabilisiert.

In der Anaphase werden die Klammerproteine, die die Schwesterchromatiden zusammenhalten, von einem Enzym zerschnitten. Die Kinetochor-Mikrotubuli verkürzen sich, indem an ihren Enden Tubulin abgebaut wird, und die Chromatiden wandern zu den Polen. Gleichzeitig schieben die polaren Mikrotubuli die Pole auseinander. Wo sich die Zelle anschließend teilt, bestimmt ebenfalls die Spindel: Die Teilungsebene liegt in der Mitte zwischen den Polen. Wie die Zelle dort durchgeschnürt wird, zeigt die Seite Zytokinese.

Der Spindelkontrollpunkt: erst alle anschnallen, dann losfahren

Würde die Anaphase beginnen, bevor alle Chromosomen richtig befestigt sind, bekäme eine Tochterzelle ein Chromatid zu viel, die andere eines zu wenig. Deshalb wacht der Spindelkontrollpunkt über die Metaphase. Jedes Kinetochor, das noch nicht an Fasern hängt, sendet ein Wartesignal. Schon ein einziges unbefestigtes Kinetochor reicht aus, um den Start der Anaphase aufzuhalten. Erst wenn alle Chromosomen von beiden Polen her eingespannt sind und unter Zug stehen, verstummt das Signal, und das Enzym, das die Schwesterchromatiden trennt, wird aktiv.

Der Spindelkontrollpunkt ist einer von mehreren Kontrollpunkten, die den Ablauf der Zellteilung absichern. Wie er mit dem Restriktionspunkt in G1 und dem G2-Kontrollpunkt zusammenspielt, erklärt die Seite Zellzyklus.

Colchicin und andere Spindelgifte

Die Herbstzeitlose (Colchicum autumnale) enthält das Gift Colchicin. Es bindet an Tubulin und verhindert, dass sich daraus Mikrotubuli bilden. Ohne Mikrotubuli kein Spindelapparat: Die Chromosomen verdichten sich zwar, werden aber nicht verteilt, und der Spindelkontrollpunkt hält die Zelle in der Metaphase fest. Das Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) wies schon 2005 darauf hin, dass die jungen Blätter der sehr giftigen Herbstzeitlose leicht mit Bärlauch verwechselt werden und solche Verwechslungen regelmäßig zu teils tödlichen Vergiftungen führen.

Im Labor sind solche Spindelgifte dagegen nützliche Werkzeuge:

• Karyogramme: Für eine Chromosomenanalyse gibt man Zellkulturen ein Spindelgift wie Colcemid, eine Verwandte des Colchicins. Viele Zellen bleiben dann in der Metaphase stehen, wo die Chromosomen am stärksten verdichtet sind. So lassen sie sich zählen, anfärben und ordnen. Wie das Färben funktioniert, erklärt die Seite Chromosomen anfärben.
• Pflanzenzucht: Behandelt man teilungsaktives Pflanzengewebe mit Colchicin, wird die DNA weiter verdoppelt, die Chromosomen werden aber nicht verteilt. Es entstehen Zellen mit vervielfachtem Chromosomensatz, also polyploide Pflanzen. Ein bekanntes Beispiel ist die kernlose Wassermelone: Der japanische Forscher Hitoshi Kihara beschrieb 1951, wie man mit Colchicin aus der normalen, diploiden Wassermelone eine Linie mit vier Chromosomensätzen erzeugt. Kreuzt man sie mit einer diploiden Pflanze, entstehen triploide Pflanzen. Ihre Meiose funktioniert mit drei Sätzen nicht richtig, deshalb bilden die Früchte kaum Samen. Mehr zu Zuchtmethoden findest du bei Die Züchtung.
• Krebstherapie: Wirkstoffe wie Vincristin und Vinblastin aus dem Madagaskar-Immergrün hemmen ebenfalls den Aufbau von Mikrotubuli. Paclitaxel (Taxol) aus der Eibe wirkt umgekehrt: Es stabilisiert die Mikrotubuli so stark, dass sie nicht mehr schrumpfen können. Beides legt die Spindel lahm und trifft vor allem Zellen, die sich häufig teilen.

Vertiefung Oberstufe: Wie die Spindel Fehler erkennt

Ein Chromosom kann auf verschiedene Weise falsch befestigt sein. Hängen beide Kinetochore an Fasern desselben Pols, würden beide Chromatiden in dieselbe Zelle wandern. Solche Fehler erkennt die Zelle an der fehlenden Spannung. Richtig befestigt, ziehen die beiden Pole in entgegengesetzte Richtungen, das Chromosom steht unter Zug wie ein gespanntes Seil. Fehlt dieser Zug, werden die Verbindungen von Enzymen am Kinetochor wieder gelöst, und die Fasern bekommen eine neue Chance.

Solange auch nur ein Kinetochor frei ist, entsteht dort ein Hemmkomplex, an dem das Protein Mad2 beteiligt ist. Er blockiert den Anaphase-Promoting Complex, einen Enzymkomplex, der Proteine zum Abbau markiert. Erst wenn alle Kinetochore befestigt sind, wird der Komplex aktiv. Er markiert unter anderem einen Hemmstoff der Separase, der dann abgebaut wird. Die freigesetzte Separase schneidet Cohesin, den Proteinring, der die Schwesterchromatiden seit der S-Phase zusammenhält. Weil dieser Schnitt nicht rückgängig zu machen ist, beginnt die Anaphase bei allen Chromosomen gleichzeitig.

Die Bewegung selbst hat zwei Anteile. In der Anaphase A verkürzen sich die Kinetochor-Mikrotubuli, die Chromatiden wandern zu den Polen. In der Anaphase B gleiten die polaren Mikrotubuli mithilfe von Motorproteinen aneinander vorbei, und die astralen Fasern ziehen die Pole zur Zellrinde. Die Spindel wird länger, die beiden Chromosomensätze rücken weiter auseinander.

Fachbegriffe

Spindelapparat

Gerüst aus Mikrotubuli, das in der Kernteilung die Chromosomen anordnet und verteilt.

Mikrotubulus

Hohles Röhrchen aus Tubulin-Dimeren, etwa 25 nm dick, mit Plus- und Minus-Ende.

Zentrosom

Organisationszentrum der Mikrotubuli in Tierzellen; bildet die Spindelpole.

Zentriole

Zylinder aus neun Dreiergruppen von Mikrotubuli; zwei davon liegen in jedem Zentrosom. Fehlt in Pflanzenzellen.

Kinetochor

Proteinkomplex am Zentromer jedes Chromatids, an dem die Spindelfasern ansetzen.

Spindelkontrollpunkt

Prüfmechanismus, der die Anaphase erst erlaubt, wenn alle Kinetochore korrekt befestigt sind.

Colchicin

Gift der Herbstzeitlose; verhindert den Aufbau von Mikrotubuli und damit der Spindel.

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