細胞周期

細胞周期、または細胞分裂周期は、細胞内で起こる一連の連続したイベントであり、細胞を 2 つの娘細胞に分裂させます。これらのイベントには、細胞の成長、DNA の複製 ( DNA 複製) と一部の細胞器官の複製、それに続く細胞分裂と呼ばれるプロセスで細胞質、染色体、その他の成分が 2 つの娘細胞に分割されることが含まれます。

動物、植物、真菌、原生生物の細胞を含む真核細胞（細胞核を持つ）では、細胞周期は、間期と有糸分裂および細胞質分裂を含むM期の2つの主な段階に分けられます。^[1]間期では、細胞は成長し、有糸分裂に必要な栄養素を蓄積し、DNAといくつかの細胞小器官を複製します。M期では、複製された染色体、細胞小器官、細胞質が2つの新しい娘細胞に分離します。細胞成分の適切な複製と分裂を確実にするために、細胞周期の重要な各ステップの後に、細胞が次の段階に進むことができるかどうかを判断する細胞周期チェックポイント と呼ばれる制御メカニズムがあります。

核を持たない細胞（原核生物、細菌、古細菌）では、細胞周期はB期、C期、D期に分かれています。B期は細胞分裂の終わりからDNA複製の開始までです。DNA複製はC期に起こります。D期はDNA複製の終わりから細菌細胞が2つの娘細胞に分裂するまでの段階を指します。^[2]

単細胞生物では、単一の細胞分裂周期によって生物は生存を確保するために繁殖する。植物や動物などの多細胞生物では、一連の細胞分裂周期によって単細胞の受精卵から成熟した生物へと発達し、また、毛髪、皮膚、血液細胞、および一部の内臓が再生および治癒するプロセスでもある（神経は例外の可能性がある。神経損傷を参照）。細胞分裂後、各娘細胞は新しい細胞周期の間期を開始する。間期のさまざまな段階は通常、形態学的に区別できないが、細胞周期の各段階には、細胞分裂の開始に備えるための特殊な生化学的プロセスの明確なセットがある。

真核生物の細胞周期は、G ₁期、S 期（合成）、G ₂期（まとめて間期と呼ばれる）、およびM 期（有糸分裂および細胞質分裂）の 4 つの異なる期から構成されます。M 期自体は、細胞の核が分裂する有糸分裂と、細胞の細胞質と細胞膜が分裂して 2 つの娘細胞を形成する細胞質分裂という、密接に結合した 2 つのプロセスで構成されています。各期の活性化は、前の期の適切な進行と完了に依存します。一時的または可逆的に分裂を停止した細胞は、 G ₀期または休止期 と呼ばれる静止状態に入ったと言われます。

G ₀は休止期であり、細胞は周期を離れ、分裂を停止しています。細胞周期はこの段階から始まります。多細胞真核生物の非増殖性（非分裂性）細胞は、通常、G ₁から静止期 G ₀状態に入り、長期間、場合によっては無期限に静止状態のままになることがあります（ニューロンの場合が多い）。これは、完全に分化した細胞では非常に一般的です。一部の細胞は半永久的に G _{0期に入り、有糸分裂後であると見なされます（肝臓、腎臓、胃の一部の細胞など）。多くの細胞は G 0}に入らず、生物の生涯を通じて分裂を続けます（上皮細胞など）。

「有糸分裂後」という言葉は、静止細胞と老化細胞の両方を指すために使用されることがあります。細胞老化は DNA 損傷と外部ストレスに反応して発生し、通常は G ₁で停止します。細胞老化により、細胞の子孫が生存不能になることがあります。これは、損傷を受けた細胞がアポトーシスによって自己破壊する代わりに行われる生化学的代替手段であることが多いです。

間期は、連続する 2 つの M 期の間の段階を表します。間期は、新しく形成された細胞とその核が再び分裂できるようになる前に起こる一連の変化です。準備期または有糸分裂間期とも呼ばれます。通常、間期は細胞周期に必要な全時間の少なくとも 91% 続きます。

_{間期は G 1}、 S 、 G ₂の 3 つの段階で進行し、その後に有糸分裂と細胞質分裂のサイクルが続きます。細胞の核 DNA の内容は S 期に複製されます。

間期の最初の段階、すなわち前のM期の終了からDNA合成の開始までをG _{1 期}（Gはギャップを示す）と呼ぶ。これは成長期とも呼ばれる。この段階では、M期中にかなり減速していた細胞の生合成活動が高速で再開する。G 1 期の継続時間は_、同じ種の異なる細胞の間でも非常に多様である。^{[4]この段階では、細胞はタンパク質の供給を増やし、細胞小器官（ミトコンドリア、リボソームなど）の数を増やし、サイズが大きくなる。G} ₁期では、細胞には3つの選択肢がある。

• 細胞周期を継続しS期に入る
• 細胞周期を停止し、分化を進めるG ₀期に入ります。
• _{G 1}期で停止するため、G ₀期に入るか、細胞周期に再び入ることがあります。

決定点はチェックポイント（制限点）と呼ばれます。このチェックポイントは制限点またはSTARTと呼ばれ、G ₁ /Sサイクリンによって制御され、G _{1 期からS期への移行を引き起こします。G 1}チェックポイントを通過すると、細胞は分裂を開始します。

続くS期はDNA合成が始まると始まります。合成が完了すると、すべての染色体が複製され、各染色体は2つの姉妹染色分体で構成されます。したがって、この段階では、細胞内のDNA量は2倍になりますが、倍数性と染色体の数は変わりません。この段階では、RNA転写とタンパク質合成の速度は非常に低くなります。例外はヒストンの生成で、そのほとんどはS期に発生します。^{[5] [6] [7]}

G ₂期は DNA 複製後に発生し、細胞を有糸分裂に備えるためのタンパク質合成と急速な細胞増殖の期間です。この段階では、微小管が再編成され始め、紡錘体を形成します (前前期)。有糸分裂期に進む前に、細胞は G ₂チェックポイントで染色体内の DNA 損傷をチェックする必要があります。G ₂チェックポイントは主に腫瘍タンパク質p53によって制御されます。DNA が損傷している場合、p53 は DNA を修復するか、細胞のアポトーシスを引き起こします。p53 が機能不全または変異している場合、損傷した DNA を持つ細胞は細胞周期を継続し、がんの発生につながる可能性があります。

比較的短いM 期は、核分裂 (核分裂) と細胞質分裂 (細胞質分裂) で構成されます。これは細胞周期の比較的短い期間です。M 期は複雑で、高度に制御されています。一連のイベントは、一連のアクティビティの完了と次のアクティビティの開始に対応するフェーズに分割されます。これらのフェーズは、順番に次のように呼ばれます。

• 前期
• 前中期
• 中期
• 後期
• 終期

有糸分裂は、真核細胞が細胞核内の染色体を2つの核内の2つの同一のセットに分離するプロセスです。 ^[8]有糸分裂の過程で、染色体のペアは凝縮して微小管に付着し、姉妹染色分体を細胞の反対側に引っ張ります。 ^[9]

有糸分裂は真核細胞でのみ起こるが、種によってその方法は異なる。例えば、動物細胞は「開放型」有糸分裂を起こし、染色体が分離する前に核膜が崩壊するが、アスペルギルス・ニデュランスやサッカロミセス・セレビシエ（酵母）などの菌類は「閉鎖型」有糸分裂を起こし、染色体が無傷の細胞核内で分裂する。^[10]

有糸分裂の直後に細胞質分裂が起こり、核、細胞質、細胞小器官、細胞膜が、これらの細胞成分をほぼ同量含む 2 つの細胞に分割されます。細胞質分裂は、植物細胞と動物細胞では異なる形で起こります。動物細胞では細胞膜が溝を形成し、徐々に深くなって細胞質を分離しますが、植物細胞では細胞板が形成されて細胞質を分離します。細胞板の位置は、微小管とアクチンフィラメントの前期バ​​ンドの位置によって決まります。有糸分裂と細胞質分裂はともに、親細胞を 2 つの娘細胞に分裂させることを定義します。娘細胞は互いに遺伝的に同一であり、親細胞とも遺伝的に同一です。これは細胞周期の約 10% を占めます。

細胞質分裂は通常有糸分裂と同時に起こるため、「有糸分裂」は「M期」と互換的に使用されることが多い。しかし、有糸分裂と細胞質分裂が別々に起こり、エンドリプリケーションと呼ばれるプロセスで複数の核を持つ単一の細胞を形成する細胞も数多くある。これは真菌と粘菌で最も顕著に起こるが、さまざまなグループに見られる。動物でも、例えばショウジョウバエの胚発生の特定の段階では、細胞質分裂と有糸分裂が独立して起こることがある。^{[11]有糸分裂のエラーは、}アポトーシスによる細胞死を引き起こしたり、がんにつながる可能性のある突然変異を引き起こしたりする可能性がある。

細胞周期の調節には、遺伝子損傷の検出と修復、制御不能な細胞分裂の防止など、細胞の生存に不可欠なプロセスが含まれます。細胞周期を制御する分子イベントは順序があり、方向性があります。つまり、各プロセスは連続的に発生し、サイクルを「逆転」させることは不可能です。

細胞周期における細胞の進行は、サイクリンおよびサイクリン依存性キナーゼ（CDK）という2つの主要なクラスの調節分子によって決定されます。 ^[12] Leland H. Hartwell、R. Timothy Hunt、およびPaul M. Nurseは、これらの中心的分子の発見により、2001年のノーベル生理学・医学賞を受賞しました。 ^[13]サイクリンおよびCDKをコードする遺伝子の多くは、すべての真核生物間で保存されていますが、一般的に、より複雑な生物は、より多くの個別のコンポーネントを組み込んだ、より精巧な細胞周期制御システムを持っています。関連する遺伝子の多くは、酵母、特にSaccharomyces cerevisiaeの研究によって初めて特定されました。^[14]酵母の遺伝子命名法では、これらの遺伝子の多くをcdc（「細胞分裂周期」の略）に識別番号を付けて、cdc25またはcdc20のように呼んでいます。

サイクリンは活性化ヘテロ二量体の調節サブユニットを形成し、CDKは触媒サブユニットを形成する。サイクリンには触媒活性がなく、CDKはパートナーサイクリンが存在しない場合には不活性である。結合したサイクリンによって活性化されると、CDKはリン酸化と呼ばれる一般的な生化学反応を実行し、標的タンパク質を活性化または不活性化して、細胞周期の次の段階への協調的な移行を調整する。サイクリンとCDKの異なる組み合わせによって、標的となる下流タンパク質が決定される。CDKは細胞内で恒常的に発現するが、サイクリンはさまざまな分子シグナルに反応して細胞周期の特定の段階で合成される。^[15]

有糸分裂促進細胞外シグナルを受け取ると、G ₁ サイクリン-CDK複合体は活性化して細胞を S 期に備え、転写因子の発現を促進し、その結果 S サイクリンとDNA 複製に必要な酵素の発現が促進されます。G ₁サイクリン-CDK 複合体は、S 期阻害剤として機能する分子をユビキチン化の標的とすることで、その分解も促進します。タンパク質がユビキチン化されると、プロテアソームによるタンパク質分解の標的となります。しかし、単一細胞レベルでの E2F 転写ダイナミクスに関する最近の研究結果によると、G1 サイクリン-CDK 活性、特にサイクリン D-CDK4/6 の役割は、細胞周期開始のコミットメントではなく、タイミングを調整することであるとされています。^[16]

活性Sサイクリン-CDK複合体は、DNA複製起点のG _{1期に組み立てられた}複製前複合体を構成するタンパク質をリン酸化します。リン酸化には、すでに組み立てられた複製前複合体をそれぞれ活性化することと、新しい複合体の形成を防ぐことという2つの目的があります。これにより、細胞のゲノムのすべての部分が1回だけ複製されることが保証されます。複製のギャップを防ぐ理由は非常に明確で、重要な遺伝子のすべてまたは一部が欠けている娘細胞は死滅するからです。ただし、遺伝子コピー数効果に関連する理由により、特定の遺伝子の余分なコピーを持つことも娘細胞に有害です。

有糸分裂サイクリン-CDK複合体はS期とG2期に合成されるが不活性化され_、染色体凝縮と有糸分裂紡錘体の組み立てに関与する下流タンパク質を刺激することで有糸分裂の開始を促進する。この過程で活性化される重要な複合体は、アナフェーズ促進複合体（APC）として知られるユビキチンリガーゼであり、染色体キネトコアに関連する構造タンパク質の分解を促進する。APCはまた、有糸分裂サイクリンを分解の対象とし、終期と細胞質分裂が進行することを保証する。^[17]

サイクリンDは、細胞外シグナル（成長因子など）に反応して細胞周期に入る細胞で最初に生成されるサイクリンです。増殖していない休止細胞では、サイクリンDのレベルは低いままです。さらに、CDK4 /6はINK4ファミリーのメンバー（p16など）に結合してキナーゼ活性を制限するため、CDK4/6とCDK2も不活性です。一方、CDK2複合体は、p21やp27などのCIP/KIPタンパク質によって阻害されます。^[18]細胞が細胞周期に入る時期になると、それは有糸分裂刺激によって引き起こされ、サイクリンDのレベルが上昇します。このトリガーに反応して、サイクリンDは既存のCDK4 /6に結合し、活性サイクリンD-CDK4/6複合体を形成します。サイクリンD-CDK4/6複合体は、網膜芽細胞腫感受性タンパク質（Rb ）をpRbにモノリン酸化します。リン酸化されていないRb腫瘍抑制因子は、細胞周期の終了を誘導し、G0停止（老化）を維持する機能を果たす。^[19]

過去数十年にわたり、pRBタンパク質はサイクリンD-Cdk4/6を介したリン酸化によって不活性化されるというモデルが広く受け入れられてきました。Rbには14以上の潜在的なリン酸化部位があります。サイクリンD-Cdk4/6はRbを徐々にリン酸化して高リン酸化状態にし、それがpRB- E2F複合体の解離を引き起こし、それによってG1/S細胞周期遺伝子発現とS期への進行を誘導します。^[20]

しかし、最近の研究による科学的観察によると、Rb には 3 種類のアイソフォームが存在することが示されています。(1) G0 状態のリン酸化されていない Rb。 (2) モノリン酸化 Rb（G1 期初期における「低リン酸化」または「部分的に」リン酸化 Rb とも呼ばれる）、および (3) G1 期後期における不活性な高リン酸化 Rb である。^{[21] [22] [23]} G1 期初期細胞では、モノリン酸化 Rb は 14 種類のアイソフォームとして存在し、それぞれが異なるE2F結合親和性を持つ。^[23] Rb は数百種類の異なるタンパク質と関連していることがわかっており^[24]、異なるモノリン酸化 Rb アイソフォームが異なるタンパク質パートナーを持つという考えは非常に魅力的であった。^[25]最近の報告では、モノリン酸化が Rb と他のタンパク質との関連を制御し、機能的に異なる形態の Rb を生成することが確認されている。^[26]すべての異なるモノリン酸化 Rb アイソフォームは E2F 転写プログラムを阻害し、G1 期で細胞を停止させることができる。重要なことに、異なるモノリン酸化 Rb 形態は、 E2F規制^[26]

一般的に、pRbがE2Fに結合すると、E型サイクリンを含む特定のG1/SおよびS遷移遺伝子のE2F標的遺伝子発現が阻害されます。Rbが部分的にリン酸化されると、Rbを介したE2F標的遺伝子発現の抑制が解除され、サイクリンEの発現が始まります。細胞がサイクリンE活性化に切り替わる分子メカニズムは現在不明ですが、サイクリンEレベルが上昇すると、活性サイクリンE-CDK2複合体が形成され、Rbは過剰リン酸化によって不活性化されます。^[23]過剰リン酸化RbはE2Fから完全に解離し、細胞をS期に進めるために必要な幅広いE2F標的遺伝子のさらなる発現が可能になります[1]。最近、サイクリン D-Cdk4/6 は、サイクリン E、AおよびBなどの他のサイクリンではなく、サイクリン D のみと区別できる Rb の C 末端アルファヘリックス領域に結合することが確認されました。^[27] Rb リン酸化の構造解析に基づくこの観察は、Rb が複数のサイクリン-Cdk 複合体を介して異なるレベルでリン酸化されることを裏付けています。これにより、1 種類の Rb 過剰リン酸化メカニズムを介して、すべてのモノリン酸化 Rb アイソフォームを同時にスイッチのように不活性化するという現在のモデルも実現可能になります。さらに、サイクリン D-Cdk 4/6 特異的 Rb C 末端ヘリックスの変異解析により、サイクリン D-Cdk 4/6 の Rb への結合を破壊すると、Rb のリン酸化が妨げられ、細胞が G1 で停止し、腫瘍抑制因子としての Rb の機能が強化されることが示されています。^[27]このサイクリン-Cdk駆動型細胞周期移行機構は、細胞増殖を可能にする細胞周期にコミットした細胞を制御します。癌細胞の増殖は、サイクリンD-Cdk4/6活性の調節不全を伴うことがよくあります。

過剰リン酸化RbはE2F/DP1/Rb複合体（E2F応答遺伝子に結合し、それらの転写を効果的に「ブロック」していた）から解離し、E2Fを活性化する。E2Fの活性化は、サイクリンE、サイクリンA、DNAポリメラーゼ、チミジンキナーゼなどのさまざまな遺伝子の転写をもたらす。こうして生成されたサイクリンEはCDK2に結合し、サイクリンE-CDK2複合体を形成し、細胞をG ₁期からS期（ G ₂ /M遷移を開始するG ₁ /S ）に押し上げる。^[28]サイクリンB -cdk1複合体の活性化は核膜の崩壊と前期の開始を引き起こし、その後、その不活性化によって細胞は有糸分裂から抜け出す。^[15]人工蛍光レポーター細胞を用いた単一細胞レベルでのE2F転写ダイナミクスの定量的研究は、標準的な教科書モデルに挑戦し、細胞周期開始の制御ロジックを理解するための定量的な枠組みを提供しました。MycなどのE2F蓄積の振幅を制御する遺伝子は、細胞周期とS期開始のコミットメントを決定します。G1サイクリン-CDK活性は細胞周期開始の駆動力ではありません。代わりに、それらは主にE2F増加のタイミングを調整し、それによって細胞周期の進行ペースを調節します。^[16]

cip/kip（CDK相互作用タンパク質/キナーゼ阻害タンパク質）ファミリーとINK4a/ARF（キナーゼ4阻害剤/代替リーディングフレーム）ファミリーの2つの遺伝子ファミリーは、細胞周期の進行を阻害します。これらの遺伝子は腫瘍形成の予防に役立つため、腫瘍抑制遺伝子として知られています。

cip /kipファミリーには、遺伝子p21、p27、およびp57が含まれます。これらは、サイクリン-CDK 複合体に結合して不活性化することにより、細胞周期を G _{1期で停止させます。p21 は}p53によって活性化されます(p53 は、たとえば放射線による DNA 損傷によって引き起こされます)。p27 は、成長抑制因子である トランスフォーミング成長因子 β ( TGF β ) によって活性化されます。

INK4a /ARF ファミリーには、 CDK4 に結合して細胞周期を G _{1期で停止させる}p16 ^INK4aと、p53 の分解を防ぐ p14 ^ARFが含まれます。

Cdc25の合成阻害剤は細胞周期の停止にも役立つ可能性があり、抗腫瘍剤や抗癌剤としても有用である可能性がある。^[29]

多くのヒトの癌は過剰に活性化したCdk 4/6活性を有する。^[30]サイクリンD-Cdk 4/6機能の観察を考慮すると、Cdk 4/6を阻害すると悪性腫瘍の増殖を防ぐことができるはずである。その結果、Cdk4/6は抗腫瘍効果の治療標的として特徴付けられているため、科学者は合成Cdk4/6阻害剤の発明を試みてきた。現在、3つのCdk4/6阻害剤（パルボシクリブ、リボシクリブ、アベマシクリブ）が進行期または転移性、ホルモン受容体陽性（HR陽性、HR+）、HER2陰性（HER2-）乳癌の治療に対する臨床使用についてFDAの承認を受けている。^{[31] [32]}例えば、パルボシクリブは経口活性CDK4/6阻害剤であり、ER陽性/HER2陰性進行乳癌の転帰改善が実証されている。主な副作用は好中球減少症であるが、用量を減らすことで管理できる。^[33]

Cdk4/6 標的療法は、Rb が発現している癌の種類のみを治療します。Rb が失われた癌細胞は、Cdk4/6 阻害剤に対して一次耐性を持ちます。

現在の証拠は、半自律的な転写ネットワークが CDK-サイクリン機構と連携して細胞周期を制御していることを示唆している。サッカロミセス・セレビシエにおける遺伝子発現のいくつかの研究では、細胞周期の過程で発現が変化する 800～1200 個の遺伝子が特定されている。^{[14] [34] [35]}これらの遺伝子は細胞周期の特定の時点で高レベルで転写され、残りの周期では低レベルで転写される。特定された遺伝子のセットは、それらを特定するために使用された計算方法と基準のために研究ごとに異なるが、各研究は酵母遺伝子の大部分が時間的に制御されていることを示唆している。^[36]

周期的に発現する遺伝子の多くは、やはり周期的に発現する転写因子によって駆動される。単一遺伝子ノックアウトのスクリーニングでは、細胞周期進行の欠陥を示す48の転写因子（すべての非必須転写因子の約20％）が特定された。^[37]ハイスループット技術を使用したゲノムワイド研究により、酵母遺伝子のプロモーターに結合する転写因子が特定され、これらの発見と時間的発現パターンとの相関関係を調べることで、段階特異的な遺伝子発現を駆動する転写因子を特定できた。^{[34] [ 38]}これらの転写因子の発現プロファイルは、前の段階でピークを迎える転写因子によって駆動され、計算モデルでは、これらの転写因子のCDK自律ネットワークが遺伝子発現の定常振動を生み出すのに十分であることが示された。^{[35] [39]}

実験的証拠はまた、遺伝子発現が CDK 機構とは独立して、分裂する野生型細胞に見られる周期で振動できることを示唆している。Orlandoらはマイクロアレイを使用して、野生型細胞と S 期および有糸分裂サイクリンを全て欠く細胞 ( clb1,2,3,4,5,6 ) の両方で周期的であると特定した 1,271 個の遺伝子セットの発現を測定した。検査した 1,271 個の遺伝子のうち、サイクリン欠損細胞は G 1期とS 期の境界で停止するにもかかわらず、882 個は野生型細胞と同時にサイクリン欠損細胞でも発現し続けた_。しかし、検査した遺伝子のうち 833 個は野生型細胞と変異細胞の間で挙動が変化しており、これらの遺伝子は CDK-サイクリン機構によって直接的または間接的に制御されている可能性が高いことを示している。変異細胞で時間通りに発現し続けた遺伝子の中には、変異細胞と野生型細胞で異なるレベルで発現したものもあった。これらの知見は、転写ネットワークはCDK-サイクリンオシレーターとは独立して振動するかもしれないが、細胞周期イベントの適切なタイミングを確保するためには両者が必要となるような形で結合していることを示唆している。^[35]他の研究では、Cdk1による細胞周期転写因子のリン酸化（翻訳後修飾）が、標的遺伝子のタイミングを厳密に制御するために転写因子の局在や活性を変化させる可能性があることが示唆されている。^{[37] [40] [41]}

振動転写は酵母細胞周期の進行に重要な役割を果たしているが、CDK-サイクリン機構は初期胚細胞周期では独立して機能する。中胚葉移行前は接合子転写は起こらず、B型サイクリンなどの必要なタンパク質はすべて母親由来のmRNAから翻訳される。^[42]

細胞周期の進行を遅らせることなくDNA複製の開始を防ぐ条件下でのサッカロミセス・セレビシエの同期培養の分析は、起点ライセンスが3'末端近くの起点を持つ遺伝子の発現を減少させることを示し、下流の起点が上流の遺伝子の発現を制御できることが明らかになった。 ^[43]これは、DNA複製起点の活動とmRNA発現の間の全体的な因果関係の調整に関する数学的モデリングからの以前の予測を裏付けるものであり、^{[44] [45] [46]} DNAマイクロアレイデータの数学的モデリングを使用して、これまで知られていなかった生物学的制御モードを正しく予測できることを示しています。

細胞周期チェックポイントは、細胞が細胞周期の進行を監視および制御するために使用されます。^[47]チェックポイントは特定のポイントで細胞周期の進行を防ぎ、必要な段階のプロセスの検証とDNA損傷の修復を可能にします。チェックポイントの要件が満たされるまで、細胞は次の段階に進むことができません。チェックポイントは通常、細胞周期のさまざまな段階での細胞の進行を監視および指示する制御タンパク質のネットワークで構成されています。

正常なヒト細胞では、一本鎖DNA損傷の約1％が細胞周期ごとに細胞あたり約50個の内因性DNA二本鎖切断に変換されると推定されています。^[48] このような二本鎖切断は通常、高い忠実度で修復されますが、修復エラーはヒトの癌発生率に大きく寄与していると考えられています。^[48]

損傷した DNA や不完全な DNA が娘細胞に受け継がれないようにするためのチェックポイントがいくつかあります。主なチェックポイントは 3 つあります。G 1 _/ S チェックポイント、G ₂ /M チェックポイント、中期 (有糸分裂) チェックポイントです。もう 1 つのチェックポイントは Go チェックポイントで、細胞の成熟度がチェックされます。細胞がまだ準備ができていないためにこのチェックポイントを通過できない場合、細胞は分裂から除外されます。

G ₁ /S遷移は細胞周期における律速段階であり、制限点としても知られています。^[15]ここで細胞はDNAを完全に複製するのに十分な原材料（ヌクレオチド塩基、DNA合成酵素、クロマチンなど）があるかどうかを確認します。不健康な細胞や栄養不良の細胞はこのチェックポイントで止まってしまいます。

G ₂ /M チェックポイントは、細胞が 2 つの娘細胞に十分な細胞質とリン脂質があることを確認する場所です。しかし、より重要なのは、複製する適切な時期かどうかを確認することです。多くの細胞がすべて同時に複製する必要がある状況もあります (たとえば、成長中の胚は、中期胞胚移行に達するまで対称的な細胞分布を持つ必要があります)。これは、G ₂ /M チェックポイントを制御することによって行われます。

中期チェックポイントは、細胞が中期に入ると有糸分裂を開始するという点で、かなり小さなチェックポイントです。しかし、重要ではないというわけではありません。このチェックポイントでは、細胞は、有糸分裂が始まる前に紡錘体が形成され、すべての染色体が紡錘体の赤道面に揃っていることを確認します。^[49]

これらは 3 つの「主な」チェックポイントですが、すべての細胞が複製するためにこれらのチェックポイントをこの順序で通過する必要はありません。多くの種類の癌は、細胞がさまざまなチェックポイントを高速で通過したり、チェックポイントを完全にスキップしたりすることを可能にする突然変異によって引き起こされます。S 期から M 期、そして S 期へとほぼ連続的に移行します。これらの細胞はチェックポイントを失っているため、発生した可能性のある DNA 突然変異は無視され、娘細胞に受け継がれます。これが、癌細胞が指数関数的に突然変異を獲得する傾向がある理由の 1 つです。癌細胞とは別に、完全に分化した多くの細胞タイプはもはや複製しないため、細胞周期を離れ、死ぬまで G ₀にとどまります。したがって、細胞チェックポイントは不要になります。DNA 損傷に対する細胞周期の応答の代替モデルも提案されており、複製後チェックポイントとして知られています。

チェックポイント制御は生物の発達において重要な役割を果たします。有性生殖では、卵子の受精が起こり、精子が卵子に結合すると、卵子に受精したことを知らせるシグナル因子が放出されます。とりわけ、これにより受精した卵母細胞は、それまで休止状態であった G ₀状態から細胞周期に戻り、有糸分裂による複製と分裂を開始します。

p53 は、G ₁ /S チェックポイントと G ₂ /M チェックポイントの両方で制御メカニズムを起動する上で重要な役割を果たします。p53 に加えて、チェックポイント制御因子も癌の成長と増殖における役割について精力的に研究されています。

宮脇篤史氏らの先駆的な研究により、細胞周期の蛍光イメージングを可能にする蛍光ユビキチン化細胞周期指示薬（FUCCI）が開発されました。当初は、緑色蛍光タンパク質mAGがhGem(1/110)に融合され、オレンジ色の蛍光タンパク質（mKO ₂）がhCdt1(30/120)に融合されました。これらの融合は、核局在シグナルと分解のためのユビキチン化部位を含む断片ですが、機能的なタンパク質ではありません。緑色蛍光タンパク質はS期、G ₂期、またはM期に生成され、G ₀期またはG ₁期に分解されますが、オレンジ色の蛍光タンパク質はG ₀期またはG ₁期に生成され、S期、G _{2 期}、またはM期に破壊されます。^[50]遠赤外線および近赤外線FUCCIは、シアノバクテリア由来の蛍光タンパク質（smURFP）とバクテリオフィトクロム由来の蛍光タンパク質を使用して開発されました（このリンクで動画をご覧ください）。^[51] オリジナルのFUCCIシステムには、いくつかのin vitroシステムやモデル生物での使いやすさを向上させるためにいくつかの改良が加えられました。これらの進歩により、細胞周期の位相検出の感度と精度が向上し、細胞増殖のより正確な評価が可能になりました。^[52]

細胞周期構成要素の調​​節不全は腫瘍形成につながる可能性がある。^[53]前述のように、細胞周期阻害因子、RB、p53などの遺伝子が変異すると、細胞が制御不能に増殖し、腫瘍が形成される可能性がある。腫瘍細胞の細胞周期の持続時間は正常な細胞周期と同じかそれより長いが、腫瘍中の活発な細胞分裂中の細胞の割合（G0期の静止細胞に対して_）は、正常組織よりもはるかに高い。^[54]したがって、アポトーシスまたは老化によって死ぬ細胞の数は同じままであるため、細胞数は純増する。

細胞周期を活発に行っている細胞は、細胞分裂中に DNA が比較的露出しているため、薬剤や放射線による損傷を受けやすいため、がん治療の標的となります。この事実はがん治療に利用されており、腫瘍の大量除去と呼ばれるプロセスによって、腫瘍のかなりの部分が除去され、残りの腫瘍細胞の多くが G ₀期からG ₁期に移行します (栄養素、酸素、成長因子などの利用性が高まるため)。腫瘍の大量除去手順後の放射線療法または化学療法によって、新たに細胞周期に入ったこれらの細胞が死滅します。^[15]

培養された哺乳類細胞の中で最も速く周期が進むのは、腸管上皮の陰窩細胞で、周期時間は 9 ～ 10 時間ほどです。休止期のマウス皮膚の幹細胞の周期時間は 200 時間を超えることもあります。この違いのほとんどは、周期の中で最も変動の大きい G ₁期の長さが異なることに起因します。M 期と S 期はあまり変わりません。

一般的に、細胞は M 期後期および G ₂期に最も放射線感受性が高く、S 期後期に最も耐性があります。細胞周期が長く、G _{1期が著しく長い細胞の場合、G 1}期後期に耐性の 2 番目のピークが見られます。耐性と感受性のパターンは、細胞内のスルフィドリル化合物のレベルと相関しています。スルフィドリルは、細胞を放射線による損傷から保護する天然物質で、S 期に最も高く、有糸分裂期近くで最も低くなる傾向があります。

相同組換え（HR）はDNA二重鎖切断を正確に修復するプロセスです。HRはG1期ではほとんど見られず、 S期で最も活発で、G2/M期には低下します_。 [ ^55] 非相同末端結合は、二重鎖切断を修復するプロセスとしては精度が低く、変異原性が高いのですが、細胞周期を通して活発に行われています。

細胞周期では、すべての細胞構成要素を複製し、2 つの娘細胞に均等に分割する必要があります。タンパク質やリボソームなどの多くの構成要素は、細胞周期を通じて継続的に生成されます ( M 期を除く)。ただし、染色体やMTOCなどのその他の関連要素は、細胞周期中に 1 回だけ複製されます。細胞周期の中心的な要素は、ゲノムの形成とともに進化したさまざまな細胞要素の継続的かつ定期的な複製を調整する能力です。

細胞以前の環境には、機能的かつ自己複製するRNAが含まれていた。^[56]すべてのRNA濃度は、資源の収集を助けたり妨げたりする可能性のある他のRNAの濃度に依存していた。この環境では、成長とは単にRNAの継続的な生産であった。これらの細胞以前の構造は、寄生RNA、遺伝の問題、および特定のRNAのコピー数制御に対処しなければならなかったであろう。^{[56] [57]}

「ゲノム」RNAを「機能的」RNAから分離することは、これらの問題を解決するのに役立ちました。^[58]複数のRNAをゲノムに融合すると、機能的RNAが切断されるテンプレートが得られます。これで、寄生RNAは生き残るためにゲノムに自分自身を組み込む必要があり、これははるかに大きな障壁になります。ゲノムRNAのコピー数を制御することで、競争ではなく合成速度とRNA半減期を通じてRNA濃度を決定することも可能になりました。^[56]ゲノムRNAの複製を機能的RNAの生成から分離することで、機能的RNAの生成を損なうことなく、ゲノムRNAの複製の忠実度を大幅に高めることができました。最後に、ゲノムRNAをより安定した分子であるDNAに置き換えることで、より大きなゲノムが可能になりました。自己触媒酵素合成からゲノム指向酵素合成への移行は細胞進化における重要なステップであり、機能合成とゲノム複製を非常に異なる方法で制御しなければならない細胞周期に永続的な影響を及ぼしました。^[56]

細胞周期の進行は、さまざまなサイクリンの濃度の変動と、その結果生じるさまざまなサイクリン依存性キナーゼ（CDK）からの分子相互作用によって制御されます。酵母では、1つのCDK（S. cerevisiaeではCdc28、 S. pombeではCdc2 ）のみが細胞周期を制御します。^[59]しかし、動物では、CDKファミリー全体が進化しました。^{[60] [61]} Cdk1は有糸分裂の開始を制御し、Cdk2、Cdk4、およびCdk6はS期の開始を制御します。動物におけるCDKファミリーの進化にもかかわらず、これらのタンパク質は関連した機能または重複した機能を持っています。^{[62] [63] [64]}たとえば、cdk2 cdk4 cdk6トリプルノックアウトマウスの細胞は、基本的な細胞周期を進行させることができます。^[65] cdk1ノックアウトは致死的であり、これは祖先のCDK1型キナーゼが最終的に細胞周期を制御していることを示唆しています。^[65]

シロイヌナズナにはCDKA;1と呼ばれるCdk1ホモログがあるが、 cdka;1 シロイヌナズナ変異体も生存可能であり^[66] 、細胞周期を制御する必須調節因子としてのCDK1型キナーゼのオピストコントパターンに反している^{。 [67]}植物にはB型CDKのユニークなグループもあり、その機能は発達特有の機能から有糸分裂調節における主要な役割まで多岐にわたる可能性がある。 ^{[68] [69]}

G1 /Sチェックポイントは、細胞が細胞周期を通じて分裂を開始するポイントです。複雑な制御ネットワークがG1/S遷移の決定につながります。オピストコントには、大きく異なるタンパク質配列と驚くほど類似したネットワークトポロジーの両方が存在します。^{[67] [70]}

酵母と動物の両方におけるS期への移行は、2つの相反する調節因子のレベルによって制御される。^{[67]これらの}転写因子を制御するネットワークは、酵母と動物の両方において、二重の負のフィードバックループと正のフィードバックループである。^{[67] [70] [71]}酵母と動物におけるG1/Sチェックポイントの制御ネットワークの追加的な制御には、CDK-サイクリン複合体のリン酸化/脱リン酸化が含まれる。これらの制御ネットワークの合計は、特定のタンパク質が大きく異なるにもかかわらず、ヒステリシスおよび双安定性のスキームを作成する。 ^{[72] [73]}酵母の場合、SBFが発現するには、Cln3リン酸化によってWhi5が抑制される必要があり、 ^[74]動物では、E2Fが発現するには、Cdk4/6-サイクリンD複合体によってRbが抑制される必要がある。 ^[75] RbとWhi5は両方とも、プロモーターへのヒ​​ストン脱アセチル化酵素タンパク質のリクルートメントを介して転写を阻害する。^{[76] [77]}両タンパク質はさらに複数のCDKリン酸化部位を持ち、それによって阻害される。^{[78] [75]}しかし、これらのタンパク質には配列の類似性はない。

A. thalianaの研究により、真核生物全体の G1/S 遷移に関する知識が広がりました。植物はまた、オピストコントと多くの保存されたネットワーク機能を共有しており、多くの植物調節因子は直接的な動物相同体を持っています。 ^[79]たとえば、植物はネットワーク内で E2F 翻訳のために Rb を抑制する必要があります。^[80]植物と動物の細胞周期のこれらの保存された要素は、真核生物の祖先である可能性があります。酵母は植物と動物と保存されたネットワークトポロジーを共有していますが、酵母調節因子の高度に分岐した性質は、酵母の系統に沿った急速な進化の可能性を示唆しています。^[67]

• 細胞モデル
• 真核生物のDNA複製
• 有糸分裂の破局
• 起源認識複合体
• 網膜芽細胞腫タンパク質
• 同期培養– 細胞培養の同期
• ウィー1