G0フェーズ
G0期は、複製細胞周期外の細胞状態を表します。古典的に、細胞は増殖に必要な資源を制限する栄養欠乏などの環境要因により主にG0に入ると考えられていました。したがって、それは休息段階と考えられました。 G0は現在、さまざまな形をとり、さまざまな理由で発生することが知られています。たとえば、体内で最も代謝活性の高い細胞の中で、ほとんどの成人の神経細胞は完全に分化しており、最終G0期にあります。ニューロンは、確率的または限られた栄養供給のためではなく、内部の遺伝的プログラミングの一部として、この状態にあります。
G0は初期の細胞周期研究に基づいた細胞状態として最初に提案されました。最初の研究で放射性標識技術を使用して細胞周期の4つの段階を定義したとき、集団内のすべての細胞が同様の速度で増殖するわけではないことが発見されました。人口の「成長率」（または成長していた人口の一部）は活発に増殖していましたが、他の細胞は非増殖状態で存在していました。これらの非増殖細胞の一部は、外因性刺激に応答し、細胞周期に再び入ることにより増殖する可能性があります。初期の対照的な見解では、非増殖細胞は単純に拡張G1期またはG1とは異なる細胞周期期（G0と呼ばれる）にあると考えられていました。その後の研究は、細胞がRポイントの前にG0に入ることができますが、Rポイントの後に有糸分裂にコミットされるG1の制限ポイント（Rポイント）を指しました。これらの初期の研究は、アクセスが制限されているG0状態の存在の証拠を提供しました。さらに分裂しないこれらの細胞は、G1期を出て静止期と呼ばれる非活動期に入る
G0状態の多様性
3つのG0状態が存在し、可逆（静止）または不可逆（老化と分化）のいずれかに分類できます。セルがセルサイクルの次のラウンドにコミットする前に、これらの3つの状態はそれぞれG1フェーズから開始できます。静止とは、外因性シグナルに応答した活性化後に細胞周期に入る前に、細胞の亜集団が「静止」状態にある可逆的なG0状態を指します。静止細胞は、低RNA含有量、細胞増殖マーカーの欠如、および低細胞代謝回転を示すラベル保持の増加によってしばしば識別されます。老化は、細胞の子孫を生存不能にするDNA損傷または分解に応答して細胞が入る不可逆的な状態であるため、静止とは異なります。このようなDNA損傷は、多くの細胞分裂におけるテロメアの短縮、および活性酸素種（ROS）の暴露、癌遺伝子の活性化、細胞間融合から発生する可能性があります。老化細胞は複製できなくなりますが、多くの正常な細胞機能を実行できます。老化は多くの場合、アポトーシスによるそのような損傷細胞の自己破壊の生化学的代替物です。細胞の老化とは対照的に、静止は反応性のイベントではなく、いくつかの異なる細胞タイプのコアプログラミングの一部です。最後に、分化細胞は、分化プログラムを経て成熟した、最終分化した状態に到達した幹細胞です。分化した細胞はG0にとどまり続け、主な機能を無期限に実行します。
静止幹細胞の特徴
トランスクリプトーム
造血、筋肉、毛包などのいくつかのタイプの静止幹細胞のトランスクリプトームは、マイクロアレイやRNAシーケンスなどのハイスループットテクニックによって特徴付けられています。個々のトランスクリプトームにはばらつきがありますが、ほとんどの静止組織幹細胞は、サイクリンA2、サイクリンB1、サイクリンE2、およびサバイビンなどの細胞周期進行遺伝子のダウンレギュレーションと、それに関与する遺伝子のアップレギュレーションを含む遺伝子発現の共通パターンを共有していますFOXO3やEZH1などの転写および幹細胞の運命の調節。ミトコンドリアのシトクロムCのダウンレギュレーションは、静止状態の幹細胞の低代謝状態も反映しています。
エピジェネティック
多くの静止幹細胞、特に成体幹細胞も同様のエピジェネティックパターンを共有しています。たとえば、H3K4me3およびH3K27me3は、二価ドメインを形成する2つの主要なヒストンメチル化パターンであり、転写開始部位の近くに位置しています。これらのエピジェネティックマーカーは、胚性幹細胞の系統決定を調節し、クロマチン修飾を介して毛包および筋肉幹細胞の静止を制御することがわかっています。
静止の規制
細胞周期調節因子
機能的な腫瘍抑制遺伝子、特にp53およびRb遺伝子は、幹細胞の静止状態を維持し、過剰な分裂による前駆細胞プールの枯渇を防ぐために必要です。たとえば、Rbファミリーのタンパク質の3つすべてのコンポーネントを削除すると、造血幹細胞の静止が停止することが示されています。 p53の欠如は、細胞が細胞周期からG0期に出ることができないため、これらの幹細胞の分化を妨げることが示されています。 p53とRbに加えて、p21、p27、p57などのサイクリン依存性キナーゼ阻害剤（CKI）も静止を維持するために重要です。マウス造血幹細胞では、p57とp27のノックアウトにより、サイクリンD1の核内輸送とその後のRbのリン酸化によりG0が終了します。最後に、Notchシグナル伝達経路が静止の維持に重要な役割を果たすことが示されています。
転写後の規制
miRNA合成を介した遺伝子発現の転写後調節は、幹細胞の静止の維持において同様に重要な役割を果たすことが示されています。 miRNA鎖は、ターゲットmRNAの3 '非翻訳領域（3' UTR）に結合し、機能性タンパク質への翻訳を防ぎます。遺伝子の3 'UTRの長さは、miRNA鎖に結合する能力を決定し、それによって静止の調節を可能にします。幹細胞のmiRNAの例には、造血幹細胞のPI3K / AKT / mTOR経路を制御するmiR-126、筋肉幹細胞のDEK癌遺伝子を抑制するmiR-489、および筋肉のMyf5を調節するmiR-31が含まれます。幹細胞。リボ核タンパク質複合体内のmiRNAのmiRNA隔離により、静止細胞はG1期への迅速な進入に必要なmRNAを保存することができます。
ストレスへの反応
長い間静止している幹細胞は、多くの場合、酸化ストレスなどのさまざまな環境ストレスに直面します。ただし、いくつかのメカニズムにより、これらの細胞はそのようなストレッサーに応答できます。たとえば、FOXO転写因子は活性酸素種（ROS）の存在に反応し、HIF1AとLKB1は低酸素状態に反応します。造血幹細胞では、代謝ストレスに反応するオートファジーが誘導されます。
リバーシブルG0フェーズの例
組織幹細胞
幹細胞とは、分化した娘細胞を生成し、自己複製によって幹細胞のアイデンティティを維持するというユニークな能力を持つ細胞です。哺乳類では、ほとんどの成体組織は、組織内に存在し、増殖して生物の寿命の間恒常性を維持する組織特異的幹細胞を含んでいます。これらの細胞は、分化して再生に関与する前に、組織の損傷に応じて膨大な増殖を受ける可能性があります。一部の組織幹細胞は、外部刺激によって活性化されるまで、可逆的で静止した状態で無期限に存在します。筋肉幹細胞（MuSC）、神経幹細胞（NSC）、腸幹細胞（ISC）など、さまざまな種類の組織幹細胞が存在します。
幹細胞の静止は、最近、G0とGAlertと呼ばれる「アラート」フェーズという2つの異なる機能フェーズで構成されることが示唆されています。幹細胞は、これらのフェーズ間で積極的かつ可逆的に移行して損傷刺激に応答し、GAlertで強化された組織再生機能を獲得すると考えられています。このように、GAlertへの移行は、細胞周期のエントリのためにそれらを準備することにより、幹細胞が損傷またはストレスに迅速に応答できるようにする適応応答として提案されてきました。筋肉幹細胞では、mTORC1活性がHGF受容体cMetを介したシグナル伝達とともにG0からGAlertへの移行を制御することが確認されています。
成熟肝細胞
組織幹細胞が刺激に迅速に応答し、適切な恒常性と再生を維持するためには、おそらく可逆的な静止状態が最も重要ですが、成熟した肝細胞などの非幹細胞では可逆的なG0期が見られます。肝細胞は通常、正常な肝臓では静止していますが、部分肝切除後の肝臓再生中に限られた複製（細胞分裂が2回未満）を受けます。ただし、特定のケースでは、肝細胞は巨大な増殖（70を超える細胞分裂）を経験する可能性があり、それらの増殖能力は可逆的な静止状態で存在することによって妨げられないことを示します。
不可逆的G0フェーズの例
老化細胞
多くの場合、in vivoでの老化および加齢に伴う疾患に関連して、老化細胞は、間質、血管系、造血系、および多くの上皮器官を含む多くの再生可能な組織に見られます。多くの細胞分裂にわたる蓄積から生じる老化は、加齢に伴う変性表現型でしばしば見られます。乳房上皮細胞機能のモデルにおける老化線維芽細胞は、マトリックスメタロプロテイナーゼの分泌により、乳タンパク質の生産を妨害することがわかっています。同様に、老化した肺動脈平滑筋細胞は、近くの平滑筋細胞の増殖と移動を引き起こし、おそらく肺動脈の肥大と、最終的には肺高血圧症の原因となります。
分化した筋肉
骨格筋形成中、筋芽細胞として知られる循環前駆細胞は分化し、終末G0相にとどまる筋細胞と呼ばれる非循環筋細胞に融合します。その結果、骨格筋を構成する線維（筋線維）は、各筋核が単一の筋芽細胞に由来するため、筋核と呼ばれる複数の核を持つ細胞です。骨格筋細胞は、サルコメアと呼ばれる細胞構造の同時収縮を介して収縮力を提供するために無期限に継続します。重要なのは、筋線維形成後の筋線維構造の破壊により、筋肉の長さを通る力の適切な伝達が妨げられるため、これらの細胞は終末G0期に維持されることです。筋肉の成長は、成長または損傷によって刺激される可能性があり、可逆的な静止状態からの筋幹細胞（衛星細胞とも呼ばれる）の補充を伴います。これらの幹細胞は分化して融合し、並列および直列の両方で新しい筋線維を生成し、力の生成能力を高めます。
心筋も筋形成によって形成されますが、幹細胞を補充して新しい細胞を形成する代わりに、心筋細胞として知られる心筋細胞は、心臓が大きくなると単純にサイズが大きくなります。骨格筋と同様に、心筋細胞が筋肉組織を追加するために分裂し続けなければならない場合、心臓機能に必要な収縮構造が破壊されます。
分化した骨
主要な4つのタイプの骨細胞のうち、骨細胞は最も一般的であり、G0末期にも存在します。骨細胞は、自己分泌マトリックス内に閉じ込められた骨芽細胞から生じます。骨細胞は合成活性も低下していますが、構造を生成する以外に骨機能を果たします。骨細胞は、さまざまな機械的感覚メカニズムを介して機能し、骨基質に対する日常的な代謝回転を助けます。
分化した神経
脳内のいくつかの神経原性ニッチ以外では、ほとんどのニューロンは完全に分化しており、最終G0期にあります。これらの完全に分化したニューロンはシナプスを形成し、そこで電気信号が軸索によって近くのニューロンの樹状突起に伝達されます。このG0状態では、ニューロンは老化またはアポトーシスまで機能し続けます。多くの研究が、哺乳類の脳における加齢に伴うDNA損傷、特に酸化的損傷の蓄積を報告しています。
G0エントリのメカニズム
Rim15の役割
Rim15は、二倍体酵母細胞の減数分裂の開始に重要な役割を果たすことが最初に発見されました。酵母の生存にとって重要な栄養素である低グルコースおよび窒素の条件下では、二倍体酵母細胞は初期減数分裂特異的遺伝子（EMG）の活性化を通じて減数分裂を開始します。 EMGの発現はUme6によって規制されています。 Ume6はヒストン脱アセチル化酵素Rpd3およびSin3を補充して、グルコースおよび窒素レベルが高い場合にEMG発現を抑制し、グルコースおよび窒素レベルが低い場合にEMG転写因子Ime1を補充します。 Rim15は、IME2と呼ばれるEMGの調節における役割にちなんで名付けられ、Rpd3とSin3を置き換え、それによってUme6が減数分裂開始のためにEMGのプロモーターにIme1をもたらすことができます。
減数分裂の開始に関与することに加えて、Rim15はストレスの存在下で酵母細胞がG0に入る重要なエフェクターであることが示されています。いくつかの異なる栄養シグナル伝達経路からのシグナルは、転写因子Gis1、Msn2、およびMsn4を活性化するRim15に収束します。 Gis1は結合後成長促進シフト（PDS）要素を含むプロモーターに結合し、活性化しますが、Msn2とMsn4はストレス応答要素（STRE）を含むプロモーターに結合して活性化します。 Rim15がどのようにGis1とMsn2 / 4を活性化するかは明らかではありませんが、Rim15がそれらを直接リン酸化するか、クロマチンリモデリングに関与している可能性があるという推測があります。 Rim15はまた、そのN末端にPASドメインを含むことが判明しており、PASキナーゼファミリーの新たに発見されたメンバーとなっています。 PASドメインは、酵母の酸化ストレスを感知する役割を果たす可能性があるRim15タンパク質の調節単位です。
栄養シグナル伝達経路
グルコース酵母はグルコースの発酵により指数関数的に成長します。グルコースレベルが低下すると、酵母は発酵から細胞呼吸に移行し、指数関数的な増殖期から発酵産物を代謝します。このシフトは、酵母がG0に入る後のジオーキシーシフトとして知られています。周囲のグルコースレベルが高い場合、RAS-cAMP-PKA経路（cAMP依存経路）を介したcAMPの産生が上昇し、プロテインキナーゼA（PKA）が下流のターゲットRim15を阻害し、細胞増殖を可能にします。グルコースレベルが低下すると、cAMPの生産が低下し、PKAのRim15の阻害が解除され、酵母細胞がG0に入ることができます。
窒素グルコースに加えて、酵母の増殖には窒素の存在が重要です。低窒素条件下では、Rim15が活性化され、プロテインキナーゼTORC1およびSch9の不活性化を通じて細胞周期の停止を促進します。 TORC1とSch9は2つの別々の経路、すなわちそれぞれTORと発酵性増殖培地誘導経路に属しますが、両方のプロテインキナーゼはRim15の細胞質保持を促進するように作用します。通常の条件下では、Rim15はそのThr1075のリン酸化を介して細胞質14-3-3タンパク質、Bmh2に固定されています。 TORC1は細胞質内の特定のホスファターゼを不活性化し、Rim15をBmh2に固定したままにしますが、Sch9はThr1075に近い別の14-3-3結合部位のリン酸化を通じてRim15の細胞質保持を促進すると考えられます。細胞外窒素が低い場合、TORC1とSch9は不活性化され、Rim15の脱リン酸化とその後の核への輸送が可能になり、G0への細胞侵入の促進に関与する転写因子を活性化できます。また、Rim15は自己リン酸化により核からの独自の輸出を促進することもわかっています。
リン酸酵母細胞は、無機リン酸の産生と上方制御に関与する遺伝子を活性化することにより、低い細胞外リン酸レベルに反応します。 PHO経路は、リン酸塩レベルの調節に関与しています。通常の条件下では、酵母サイクリン依存性キナーゼ複合体、Pho80-Pho85はリン酸化によりPho4転写因子を不活性化します。しかし、リン酸塩レベルが低下すると、Pho81はPho80-Pho85を阻害し、Pho4がアクティブになります。リン酸が豊富な場合、Pho80-Pho85は、Thr1075 Bmh2結合部位のリン酸化を促進することにより、Rim 15の核プールも阻害します。したがって、Pho80-Pho85はSch9およびTORC1と協調して作用し、通常の条件下でRim15の細胞質保持を促進します。
G0終了のメカニズム
Cyclin C / Cdk3およびRb
G1期からS期への移行は、G1後期のCyclin D / Cdk4およびCyclin E / Cdk2複合体による進行性の過剰リン酸化によるRbの不活性化によって促進されます。 Rbの損失がG0細胞の細胞周期再入を促進したという初期の観察は、Rbが静止細胞のG0からG1への移行を調節するのにも不可欠であることを示唆した。さらなる観察により、サイクリンC mRNAのレベルはヒト細胞がG0を出るときに最高になることが明らかになり、サイクリンCがRbリン酸化に関与してG0停止細胞の細胞周期再突入を促進する可能性が示唆されました。免疫沈降キナーゼアッセイにより、サイクリンCにはRbキナーゼ活性があることが明らかになりました。さらに、サイクリンDおよびEとは異なり、サイクリンCのRbキナーゼ活性は初期G1で最も高く、G1およびS後期で最も低く、G0からG1への移行に関与している可能性があります。 G1細胞と比較して高いDNA対RNA比によって特徴付けられるG0細胞を同定するための蛍光活性化細胞選別の使用は、哺乳類細胞におけるRNAiによる内因性サイクリンCの抑制が増加するにつれてサイクリンCがG0出口を促進するという疑いを確認したG0で逮捕された細胞の割合。特定のリン酸化部位でのRbの変異を含むさらなる実験により、G0出口にはS807 / 811でのRbのサイクリンCリン酸化が必要であることが示された。ただし、このリン酸化パターンがG0出口に十分であるかどうかは不明のままです。最後に、共免疫沈降アッセイにより、サイクリン依存性キナーゼ3（cdk3）がサイクリンCと複合体を形成して、S807 / 811でRbをリン酸化することにより、G0出口を促進することが明らかになりました。興味深いことに、S807 / 811はG1からSへの移行中のサイクリンD / cdk4リン酸化の標的でもあります。これは、特にcdk3を欠いているがcdk4で機能している細胞では、G0の出口が遅延するだけで永続的に阻害されないという観察に照らして、cdk4によるcdk3活性の可能な補償を示唆するかもしれません。リン酸化標的の重複にもかかわらず、G0からG1への最も効果的な移行にはcdk3が依然として必要であると思われます。
RbおよびG0が終了します
研究は、転写因子のE2FファミリーのRb抑制が、G1からSへの移行と同様に、G0からG1への移行を調節することを示唆しています。 E2F複合体の活性化はヒストンアセチルトランスフェラーゼの動員に関連しており、G1エントリに必要な遺伝子発現を活性化しますが、E2F4複合体は遺伝子発現を抑制するヒストンデアセチラーゼを動員します。 Cdk複合体によるRbのリン酸化により、E2F転写因子からの解離と、その後のG0出口に必要な遺伝子の発現が可能になります。 p107やp130など、Rbポケットタンパク質ファミリーの他のメンバーもG0停止に関与していることがわかっています。 p130レベルはG0で上昇し、E2F-4複合体と関連してE2F標的遺伝子の転写を抑制することがわかっています。一方、p107は、G0細胞で比較的低いレベルで発現しているにもかかわらず、Rbの喪失後の細胞停止表現型を救助することがわかっています。まとめると、これらの発見は、E2F転写因子のRb抑制が細胞停止を促進し、Rbのリン酸化がE2F標的遺伝子の抑制解除を介してG0退出をもたらすことを示唆しています。 E2Fの調節に加えて、RbはrRNA合成に関与するRNAポリメラーゼIおよびRNAポリメラーゼIIIを抑制することも示されています。したがって、Rbのリン酸化は、rRNA合成の活性化も可能にします。これは、G1に入る際のタンパク質合成にとって重要です。
