細胞周期の離脱

細胞周期の停止とは、細胞分裂中の細胞周期の自然な停止を指します。細胞分裂の際には、分裂の停止につながる多くの内的または外的要因が存在します。この停止は永続的または一時的なものであり、細胞の状態や活動に応じて、4つの周期期（ G1期、S期、G2期、M期）のいずれかで発生する可能性があります。 [ 1 ] このプロセス中、有糸分裂、減数分裂、 DNA複製など、すべての細胞複製プロセスが一時停止されます。[ 2 ] このメカニズムには、細胞内のタンパク質とDNA配列が関与しています。

永久的な細胞周期の停止

永久細胞周期停止とは、細胞分裂が永久に停止することを指します。生物において、細胞は無限に分裂するわけではありません。[ 3 ] 細胞の無限分裂を防ぐための特定のメカニズムが存在し、これは主にDNA合成のプログラムされた失敗によって行われます。上記のメカニズムを適応させることで、細胞の過剰分裂が抑制されます。このプロセスは、細胞が細胞の寿命と成長のさらなる段階である老化へと進むことを可能にします。[ 4 ]

機構

細胞周期の永久的な停止は、主にDNA複製過程の第二段階であるS期におけるDNA配列の消失によって起こる。 [ 5 ]このような進行はテロメアと呼ばれる線状染色体  全体の末端配列で起こる。

テロメアは、遺伝的役割を持たない反復ヌクレオチド配列です。複製過程において、DNA複製酵素はテロメアの末端配列をコピーすることができません。そのため、テロメアと染色体の末端に位置するこれらの配列は徐々に失われていきます。これらの配列がすべて消耗すると、細胞の染色体に含まれる有用な遺伝情報も失われます。これにより細胞は分裂できなくなり、細胞分裂周期から離脱してしまいます。したがって、テロメアは細胞が分裂を続けるための緩衝材として機能し、テロメアが消耗すると細胞は分裂機能を失います。[ 6 ]

すべての細胞が細胞周期の撤退を行うわけではない。生殖細胞、幹細胞、白血球など一部の細胞では、撤退プロセスは起こらない。これは、これらの細胞が体の成長や生殖のために分裂し続けることを確保するためである。このような現象はテロメラーゼの存在によって引き起こされ、テロメアの末端にヌクレオチド配列を追加する反応を触媒する。DNA複製中に失われたテロメアを補充し、有用なDNAの内容が損傷しないように十分なテロメラーゼ配列を補う。これにより、このような細胞は継続的に分裂することができる。[ 7 ]他の細胞の中には、細胞分裂 の機能すら持っていないため、細胞周期の撤退のメカニズムを持たないものがある。 例えば、赤血球は成熟すると遺伝物質を含まないため、細胞周期もその撤退も行わない。[ 8 ]

一部の生物は退縮機構を持たない。  真核生物がその一例である。これらの生物のDNA構造は環状染色体であり、DNAに「末端」が出現しないことを意味する。したがって、DNAの摩耗は起こらず、遺伝情報はそのまま残り、退縮は起こらない。[ 9 ]  これは、真核生物における細胞分裂の停止、あるいは真核細胞の基本的な生殖プロセスからの退縮を防ぐためである。

意義

細胞周期の停止にはいくつかの意義があるが、その一つは体細胞の無制限な細胞分裂を防ぐことである。これは、生物の体内に過剰な細胞が蓄積するのを防ぎ、様々な臓器の細胞が最適な機能を達成するために一定の割合で含まれるようにするためである。[ 10 ] 細胞の指数関数的増殖の停止はまた、生物の体内で腫瘍や癌などの細胞増殖疾患が発生するのを防ぐ。 [ 11 ] [ 12 ] 研究では、テロメアの異常な補充、テロメラーゼの過剰活性、および癌増殖の間の関連が明らかになっている。[ 13 ] ここで、テロメアは細胞の異常分裂に対する障壁として機能し、それによって体の機能のための安定した環境を提供する。この停止プロセスは、病気の細胞、または変異または損傷した DNA を持つ細胞が分裂を続け、体内の異常な細胞の割合を増やすのを防ぐ。さらに、これらの細胞が機能と分化を停止して、アポトーシスと呼ばれるプログラムされた細胞死のプロセスを受けることを可能にする。[ 14 ]

さらに、細胞周期の離脱プロセスにより、細胞は細胞寿命のさらなる段階、すなわち老化と自然アポトーシスに直面する可能性があります。通常の身体活動中、細胞は分裂し、成長し、異なる細胞タイプに分化して異なる機能を果たします。上記のプロセスは老化としても知られています。[ 15 ] 老化後、体細胞は老化し始め、その過程でいくつかの機能が失われます。機能が制限されたこれらの細胞は身体活動を効率的に実行できないため、カスパーゼタンパク質やBcl-2ファミリー調節タンパク質などのアポトーシスシグナルの存在下で自己破壊するようにプログラムされています。[ 16 ] このようなプロセスの前に、細胞周期の離脱により、これらの老化細胞が死ぬ前に他の娘細胞に分裂しないようにし、生物内の細胞の年齢レベルを維持して効率的な身体活動を行えるようにします。[ 17 ]

一時的な細胞周期の停止

一時的な細胞周期離脱（細胞周期停止とも呼ばれる）とは、細胞分裂の短期的な停止を指します。このメカニズムは生物の体内で頻繁に発生し、主に成長因子やDNA複製の異常が原因です。これらの場合、離脱は異常が検出されると開始され、検出されたエラーが修復されると終了します。このプロセスは、細胞が分裂後に適切に機能することを保証し、突然変異の発生を防ぎます。[ 18 ]

機構

このメカニズムは正と負の調節因子によって作動し、細胞周期を停止させる特定のチェックポイントを備えています。チェックポイントがゴーサインを受け取った場合にのみ細胞周期が再開され、細胞周期の各段階は通常通りに進行します。

サイクリンとサイクリン依存性キナーゼ（CDK）は主要な正の調節因子であり、細胞周期全体にわたって出現する。CDKは正の調節因子として出現し、細胞分裂の過程で特定の種類のサイクリンが検出されない場合、細胞をその周期から離脱させる。細胞周期全体にわたって、G1/S、S、Mという3つのサイクリンが、それぞれ細胞周期の異なる段階で出現する。CDKはこれらのサイクリンと結合し、細胞周期を前進させるための標的タンパク質を生成することで、これらのサイクリンの存在を検出する。サイクリンが存在しない場合は、細胞周期の前の過程がまだ完了していないことを意味し、したがって、全体の過程が完了するまで細胞周期は停止する。G1/S、S、Mサイクリンの検出は、それぞれG1期、G1期の終わり、G2期の終わりに行われる。[ 19 ]

細胞周期には主に2種類の負の調節因子があり、細胞周期を停止させ、プロセスを再開するためには除去する必要があります。1つ目は網膜芽細胞腫タンパク質で、細胞が大きくなりすぎないようにし、G1期からS期への早期移行を禁止します。これは転写因子、例えばE2Fに結合して機能し、細胞がある程度成長して網膜芽細胞腫タンパク質がリン酸化されるまで DNA は複製されません。[ 20 ] もう1つのタイプの負の調節因子はp53で、DNA損傷を検出すると細胞周期プロセスを停止し、修復を可能にします。この調節因子は、DNA損傷が大きく修復できない場合にアポトーシスを誘導することもできます。 [ 21 ]

細胞周期のチェックポイントには、 DNA複製チェックポイントと紡錘体組み立てチェックポイントがある。DNA複製チェックポイントはG1期、S期、G2期にあり、DNAが正常かどうかをチェックし、DNAが損傷しているか不完全な複製をしている場合は細胞を周期から外す。一方、紡錘体組み立てチェックポイントは、有糸分裂中に細胞内の染色体が細胞内の微小管によって適切に分配されていることを確認する。微小管が染色体の中心であるセントロメアに付着する際にエラーが発生すると、エラーが修正されるまで細胞周期は停止する。[ 22 ] 考えられるエラーには、微小管がセントロメアに適切に付着していない、または染色体が半分に分配されていないなどがある。

意義

細胞周期停止の意義は、細胞が不適切な分裂を起こさないようにすることだけです。不適切な分裂が起こると、細胞周期は修復が完了するまで自動的に停止するか、損傷が修復不可能な場合は直接アポトーシスの段階に進みます。永久的な細胞周期停止と同様に、このメカニズムは損傷した細胞が成長を続けたり、さらに悪いことに分裂して拡散したりするのを防ぐためのものです。[ 18 ]

参考文献

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