Фаза G 0 -G0 phase

Многие клетки млекопитающих , такие как этот нейрон 9x H , остаются постоянно или полупостоянно в G 0 .

G 0 фаза описывает сотовое состояние за пределы репликативного клеточного цикла . Классически считалось, что клетки попадают в G 0 в первую очередь из-за факторов окружающей среды, таких как недостаток питательных веществ, которые ограничивают ресурсы, необходимые для размножения. Таким образом, это считалось фазой отдыха . Теперь известно, что G 0 принимает разные формы и возникает по нескольким причинам. Например, большинство взрослых нейронных клеток среди наиболее метаболически активных клеток в организме полностью дифференцированы и находятся в терминальной фазе G 0 . Нейроны находятся в этом состоянии не из-за стохастического или ограниченного поступления питательных веществ, а как часть их программы развития.

G 0 был впервые предложен как состояние клетки на основе исследований раннего клеточного цикла. Когда первые исследования определили четыре фазы клеточного цикла с использованием методов радиоактивной маркировки, было обнаружено, что не все клетки в популяции размножаются с одинаковой скоростью. «Фракция роста» популяции - или часть растущей популяции - активно размножалась, но другие клетки существовали в непролиферативном состоянии. Некоторые из этих непролиферирующих клеток могут реагировать на внешние стимулы и пролиферировать, повторно входя в клеточный цикл. Ранние противоположные взгляды либо считали, что непролиферирующие клетки просто находятся в расширенной фазе G 1, либо в фазе клеточного цикла, отличной от G 1, называемой G 0 . Последующие исследования указали на точку ограничения (R-точку) в G 1, где клетки могут входить в G 0 до R-точки, но совершают митоз после R-точки. Эти ранние исследования предоставили доказательства существования состояния G 0, доступ к которому ограничен. Эти клетки, которые не делятся дальше, выходят из фазы G1, чтобы перейти в неактивную стадию, называемую стадией покоя.

Многообразие G 0 состояний

Существуют три состояния G 0, которые можно разделить на обратимые ( покоящиеся ) или необратимые ( стареющие и дифференцированные ). В каждое из этих трех состояний можно войти из фазы G 1 до того, как клетка перейдет в следующий раунд клеточного цикла. Покой относится к обратимому состоянию G 0, при котором субпопуляции клеток находятся в «неактивном» состоянии перед входом в клеточный цикл после активации в ответ на внешние сигналы. Покоящиеся клетки часто идентифицируются по низкому содержанию РНК , отсутствию маркеров пролиферации клеток и повышенному удерживанию метки, указывающему на низкий оборот клеток. Старение отличается от состояния покоя, потому что старение - это необратимое состояние, в которое клетки входят в ответ на повреждение или деградацию ДНК, что сделало бы потомство клетки нежизнеспособным. Такое повреждение ДНК может происходить из-за укорачивания теломер во время многих клеточных делений, а также из-за воздействия активных форм кислорода (АФК), активации онкогенов и слияния клеток. Хотя стареющие клетки больше не могут реплицироваться, они по-прежнему способны выполнять многие нормальные клеточные функции. Старение часто является биохимической альтернативой самоуничтожению такой поврежденной клетки путем апоптоза . В отличие от клеточного старения, покой - это не реактивное событие, а часть основного программирования нескольких различных типов клеток. Наконец, дифференцированные клетки - это стволовые клетки, которые прошли программу дифференцировки и достигли зрелого - терминально дифференцированного - состояния. Дифференцированные клетки продолжают оставаться в G 0 и бесконечно выполнять свои основные функции.

Характеристики покоящихся стволовых клеток

Стенограммы

В Транскриптом нескольких типов покоящихся стволовых клеток, таких как кроветворной , мышцы и волосяной фолликул, были охарактеризованы с помощью высокой пропускной способности методов, таких как микрочипов и РНК - последовательности . Хотя существуют вариации в их индивидуальных транскриптомах, большинство стволовых клеток покоящихся тканей имеют общий паттерн экспрессии генов, который включает подавление генов прогрессирования клеточного цикла, таких как циклин А2 , циклин B1 , циклин E2 и сурвивин , а также активацию генов, участвующих в регуляция транскрипции и стволовые клетки судьбы, такие как FOXO3 и EZH1 . Подавление митохондриального цитохрома С также отражает низкое метаболическое состояние покоящихся стволовых клеток.

Эпигенетический

Многие покоящиеся стволовые клетки, особенно взрослые стволовые клетки , также имеют сходные эпигенетические паттерны. Например, H3K4me3 и H3K27me3 представляют собой два основных паттерна метилирования гистонов, которые образуют двухвалентный домен и расположены рядом с сайтами инициации транскрипции. Было обнаружено, что эти эпигенетические маркеры регулируют выбор клонов в эмбриональных стволовых клетках, а также контролируют покой в ​​волосяных фолликулах и мышечных стволовых клетках посредством модификации хроматина .

Регулирование покоя

Регуляторы клеточного цикла

Функциональные гены-супрессоры опухоли , в частности ген p53 и Rb , необходимы для поддержания покоя стволовых клеток и предотвращения истощения пула клеток-предшественников из- за чрезмерных делений. Например, было показано, что делеция всех трех компонентов семейства белков Rb останавливает покой гемопоэтических стволовых клеток. Было показано, что недостаток p53 предотвращает дифференцировку этих стволовых клеток из-за неспособности клеток выйти из клеточного цикла в фазу G 0 . Помимо p53 и Rb, ингибиторы циклинзависимой киназы (CKI), такие как p21 , p27 и p57 , также важны для поддержания покоя. В гемопоэтических стволовых клетках мыши нокаут p57 и p27 приводит к выходу G 0 за счет ядерного импорта циклина D1 и последующего фосфорилирования Rb. Наконец, было показано , что сигнальный путь Notch играет важную роль в поддержании покоя.

Посттранскрипционная регуляция

Было показано, что посттранскрипционная регуляция экспрессии генов посредством синтеза miRNA играет не менее важную роль в поддержании покоя стволовых клеток. Нити miRNA связываются с 3 'нетранслируемой областью ( 3' UTR ) мРНК- мишени , предотвращая их трансляцию в функциональные белки. Длина 3 'UTR гена определяет его способность связываться с цепями миРНК, тем самым позволяя регулировать состояние покоя. Некоторые примеры miRNA в стволовых клетках включают miR-126, который контролирует путь PI3K / AKT / mTOR в гемопоэтических стволовых клетках, miR-489, который подавляет онкоген DEK в мышечных стволовых клетках, и miR-31, который регулирует Myf5 в мышцах. стволовые клетки. Секвестрация miRNA мРНК в рибонуклеопротеидных комплексах позволяет покоящимся клеткам хранить мРНК, необходимую для быстрого перехода в фазу G1 .

Реакция на стресс

Стволовые клетки, которые долгое время находились в состоянии покоя, часто сталкиваются с различными факторами окружающей среды, такими как окислительный стресс . Однако несколько механизмов позволяют этим клеткам реагировать на такие стрессоры. Например, факторы транскрипции FOXO реагируют на присутствие активных форм кислорода (АФК), в то время как HIF1A и LKB1 реагируют на условия гипоксии . В гемопоэтических стволовых клетках аутофагия индуцируется в ответ на метаболический стресс.

Примеры обратимой фазы G 0

Тканевые стволовые клетки

Стволовые клетки - это клетки с уникальной способностью производить дифференцированные дочерние клетки и сохранять идентичность стволовых клеток посредством самообновления. У млекопитающих большинство тканей взрослого человека содержат тканеспецифические стволовые клетки, которые находятся в ткани и размножаются, чтобы поддерживать гомеостаз на протяжении всей жизни организма. Эти клетки могут подвергаться огромной пролиферации в ответ на повреждение ткани, прежде чем дифференцироваться и участвовать в регенерации. Некоторые тканевые стволовые клетки существуют в обратимом состоянии покоя неопределенно долго, пока не будут активированы внешними стимулами. Существует множество различных типов тканевых стволовых клеток, включая мышечные стволовые клетки (MuSC), нервные стволовые клетки (NSC), кишечные стволовые клетки (ISC) и многие другие.

Недавно было высказано предположение, что покой стволовых клеток состоит из двух различных функциональных фаз, G 0 и фазы «тревоги», называемой G Alert . Полагают, что стволовые клетки активно и обратимо переходят между этими фазами, чтобы реагировать на повреждающие стимулы, и, по-видимому, усиливают регенеративную функцию тканей в G Alert . Таким образом, переход на G Alert был предложен как адаптивный ответ, который позволяет стволовым клеткам быстро реагировать на повреждение или стресс, прививая их для входа в клеточный цикл. В мышечных стволовых клетках была идентифицирована активность mTORC1, которая контролирует переход от G 0 к G Alert наряду с передачей сигналов через рецептор HGF cMet .

Зрелые гепатоциты

В то время как обратимое состояние покоя, возможно, наиболее важно для тканевых стволовых клеток, чтобы быстро реагировать на стимулы и поддерживать надлежащий гомеостаз и регенерацию, обратимые фазы G 0 могут быть обнаружены в не стволовых клетках, таких как зрелые гепатоциты. Гепатоциты обычно находятся в состоянии покоя в нормальной печени, но подвергаются ограниченной репликации (менее 2 делений клеток) во время регенерации печени после частичной гепатэктомии. Однако в некоторых случаях гепатоциты могут испытывать огромную пролиферацию (более 70 клеточных делений), что указывает на то, что их способность к пролиферации не ограничивается существованием в обратимом состоянии покоя.

Примеры необратимой фазы G 0

Старые клетки

Часто связанные со старением и возрастными заболеваниями in vivo стареющие клетки можно найти во многих возобновляемых тканях, включая строму , сосудистую сеть , кроветворную систему и многие эпителиальные органы. В результате накопления во многих клеточных делениях старение часто наблюдается при возрастных дегенеративных фенотипах. Было обнаружено, что стареющие фибробласты на моделях функции эпителиальных клеток груди нарушают выработку молочного белка из-за секреции матриксных металлопротеиназ . Точно так же стареющие гладкомышечные клетки легочной артерии вызывают пролиферацию и миграцию соседних гладкомышечных клеток, что, возможно, способствует гипертрофии легочных артерий и, в конечном итоге, легочной гипертензии.

Дифференцированная мышца

Во время скелетного миогенеза циклические клетки-предшественники, известные как миобласты, дифференцируются и сливаются в нециклические мышечные клетки, называемые миоцитами, которые остаются в конечной фазе G 0 . В результате волокна, из которых состоят скелетные мышцы (миофибры), представляют собой клетки с множеством ядер, называемых миоядрами, поскольку каждое миоядро происходит из одного миобласта. Клетки скелетных мышц продолжают бесконечно обеспечивать сократительную силу за счет одновременных сокращений клеточных структур, называемых саркомерами . Важно отметить, что эти клетки сохраняются в конечной фазе G 0, поскольку нарушение структуры мышечных волокон после образования миофибрилл может препятствовать надлежащей передаче силы по длине мышцы. Рост мышц может быть стимулирован ростом или травмой и включает привлечение мышечных стволовых клеток, также известных как сателлитные клетки, из обратимого состояния покоя. Эти стволовые клетки дифференцируются и сливаются, чтобы генерировать новые мышечные волокна как параллельно, так и последовательно, чтобы увеличить способность генерировать силу.

Сердечная мышца также формируется посредством миогенеза, но вместо того, чтобы привлекать стволовые клетки для слияния и образования новых клеток, клетки сердечной мышцы, известные как кардиомиоциты, просто увеличиваются в размерах по мере роста сердца. Подобно скелетным мышцам, если кардиомиоциты должны были продолжать делиться, чтобы добавить мышечную ткань, сократительные структуры, необходимые для работы сердца, были бы нарушены.

Дифференцированная кость

Из четырех основных типов костных клеток остеоциты являются наиболее распространенными и также существуют в терминальной фазе G 0 . Остеоциты возникают из остеобластов, которые заключены внутри самосекретируемого матрикса. Хотя остеоциты также обладают пониженной синтетической активностью, они по-прежнему выполняют функции костей, помимо создания структуры. Остеоциты работают через различные механосенсорные механизмы, помогая в рутинном обновлении костного матрикса.

Дифференцированный нерв

За пределами нескольких нейрогенных ниш в головном мозге, большинство нейронов полностью дифференцированы и находиться в терминале G 0 фазе. Эти полностью дифференцированные нейроны образуют синапсы, где электрические сигналы передаются аксонами к дендритам соседних нейронов. В этом состоянии G 0 нейроны продолжают функционировать до старения или апоптоза. Многочисленные исследования сообщают о накоплении повреждений ДНК с возрастом, особенно окислительных повреждений , в головном мозге млекопитающих .

Механизм входа G 0

Роль Rim15

Впервые было обнаружено, что Rim15 играет критическую роль в инициации мейоза в диплоидных дрожжевых клетках. В условиях низкого уровня глюкозы и азота, которые являются ключевыми питательными веществами для выживания дрожжей, диплоидные дрожжевые клетки инициируют мейоз через активацию ранних мейотических специфичных генов (ЭМГ). Экспрессия ЭМГ регулируется Ume6. Ume6 рекрутирует гистоновые деацетилазы , Rpd3 и Sin3 , для подавления экспрессии ЭМГ, когда уровни глюкозы и азота высоки, и он задействует фактор транскрипции ЭМГ Ime1, когда уровни глюкозы и азота низкие. Rim15, названный в честь его роли в регуляции ЭМГ, называемой IME2, вытесняет Rpd3 и Sin3, тем самым позволяя Ume6 доставлять Ime1 к промоторам ЭМГ для инициации мейоза.

Помимо того, что он играет роль в инициации мейоза, Rim15, как было показано, также является критическим эффектором для входа дрожжевых клеток в G 0 в присутствии стресса. Сигналы от нескольких различных путей передачи сигналов питательных веществ сходятся на Rim15, который активирует факторы транскрипции, Gis1, Msn2 и Msn4. Gis1 связывается и активирует промоторы, содержащие элементы постдиаксического сдвига роста (PDS), в то время как Msn2 и Msn4 связываются и активируют промоторы, содержащие элементы стресс- ответа (STRE). Хотя неясно, как Rim15 активирует Gis1 и Msn2 / 4, есть некоторые предположения, что он может непосредственно фосфорилировать их или участвовать в ремоделировании хроматина. Было также обнаружено, что Rim15 содержит домен PAS на своем N-конце , что делает его недавно обнаруженным членом семейства киназ PAS . Домен PAS является регуляторной единицей белка Rim15, который может играть роль в восприятии окислительного стресса у дрожжей.

Пути передачи сигналов питательных веществ

Глюкоза

Дрожжи растут в геометрической прогрессии за счет ферментации глюкозы. Когда уровень глюкозы падает, дрожжи переходят от ферментации к клеточному дыханию , метаболизируя ферментативные продукты из фазы экспоненциального роста. Этот сдвиг известен как диауксический сдвиг, после которого дрожжи входят в G 0 . Когда уровни глюкозы в окружающей среде высоки, продукция цАМФ по пути RAS-цАМФ-PKA ( цАМФ-зависимый путь ) повышается, в результате чего протеинкиназа А (PKA) ингибирует свою нижележащую мишень Rim15 и способствует пролиферации клеток. Когда уровень глюкозы падает, продукция цАМФ снижается, что снимает ингибирование PKA Rim15 и позволяет дрожжевым клеткам войти в G 0 .

Азот

Помимо глюкозы, наличие азота имеет решающее значение для размножения дрожжей. В условиях низкого содержания азота Rim15 активируется, чтобы способствовать остановке клеточного цикла за счет инактивации протеинкиназ TORC1 и Sch9. Хотя TORC1 и Sch9 принадлежат к двум отдельным путям, а именно к путям, индуцированным TOR и ферментируемой ростовой средой, соответственно, обе протеинкиназы действуют, способствуя удержанию Rim15 в цитоплазме. В нормальных условиях Rim15 прикрепляется к цитоплазматическому белку 14-3-3 , Bmh2, посредством фосфорилирования его Thr1075. TORC1 инактивирует определенные фосфатазы в цитоплазме, удерживая Rim15 прикрепленным к Bmh2, в то время как считается, что Sch9 способствует удержанию цитоплазмы Rim15 посредством фосфорилирования другого сайта связывания 14-3-3, близкого к Thr1075. Когда внеклеточный азот низкий, TORC1 и Sch9 инактивируются, делая возможным дефосфорилирование Rim15 и его последующий транспорт в ядро, где он может активировать факторы транскрипции, участвующие в продвижении клеточного входа в G 0 . Также было обнаружено, что Rim15 способствует собственному экспорту из ядра посредством аутофосфорилирования .

Фосфат

Клетки дрожжей реагируют на низкие уровни внеклеточного фосфата, активируя гены, которые участвуют в производстве и повышении уровня неорганического фосфата. Путь PHO участвует в регуляции уровня фосфатов. В нормальных условиях дрожжевой циклинзависимый киназный комплекс Pho80-Pho85 инактивирует фактор транскрипции Pho4 посредством фосфорилирования. Однако, когда уровень фосфата падает, Pho81 ингибирует Pho80-Pho85, позволяя Pho4 быть активным. Когда фосфата много, Pho80-Pho85 также ингибирует ядерный пул Rim 15, способствуя фосфорилированию его сайта связывания Thr1075 Bmh2. Таким образом, Pho80-Pho85 действует совместно с Sch9 и TORC1, способствуя удержанию Rim15 в цитоплазме в нормальных условиях.

Механизм G 0 выхода

Циклин C / Cdk3 и Rb

Переходу от фазы G 1 к фазе S способствует инактивация Rb посредством его прогрессирующего гиперфосфорилирования комплексами циклин D / Cdk4 и циклин E / Cdk2 в конце G 1 . Раннее наблюдение, что потеря Rb способствует повторному входу в клеточный цикл в клетках G 0, предполагает, что Rb также важен в регуляции перехода G 0 в G 1 в покоящихся клетках. Дальнейшие наблюдения показали, что уровни мРНК циклина C являются самыми высокими, когда клетки человека выходят из G 0 , что позволяет предположить, что циклин C может участвовать в фосфорилировании Rb, чтобы способствовать повторному входу в клеточный цикл заблокированных G 0 клеток. Анализы киназы иммунопреципитации показали, что циклин С обладает активностью киназы Rb. Более того, в отличие от циклинов D и E, Rb-киназная активность циклина C наиболее высока в начале G 1 и самая низкая во время поздних фаз G 1 и S, что позволяет предположить, что она может участвовать в переходе G 0 в G 1 . Использование активируемой флуоресценцией сортировки клеток для идентификации клеток G 0 , которые характеризуются высоким отношением ДНК к РНК по сравнению с клетками G 1 , подтвердило подозрение, что циклин C способствует выходу G 0 как репрессия эндогенного циклина C с помощью РНКи у млекопитающих. клетки увеличивали долю клеток, арестованных в G 0 . Дальнейшие эксперименты, включающие мутацию Rb в конкретных сайтах фосфорилирования, показали, что циклином C фосфорилирование Rb по S807 / 811 необходимо для выхода G 0 . Однако остается неясным, достаточен ли этот паттерн фосфорилирования для выхода G0. Наконец, анализы коиммунопреципитации показали, что циклин-зависимая киназа 3 (cdk3) способствует выходу G 0 за счет образования комплекса с циклином C для фосфорилирования Rb по S807 / 811. Интересно, что S807 / 811 также являются мишенями для фосфорилирования циклина D / cdk4 во время перехода G 1 в S. Это может указывать на возможную компенсацию активности cdk3 с помощью cdk4, особенно в свете наблюдения, что выход G 0 только задерживается, а не постоянно ингибируется в клетках, лишенных cdk3, но функциональных в cdk4. Несмотря на перекрытие мишеней фосфорилирования, кажется, что cdk3 все еще необходим для наиболее эффективного перехода от G 0 к G 1 .

Rb и G 0 выход

Исследования показывают, что репрессия Rb семейства транскрипционных факторов E2F регулирует переход G 0 в G 1 точно так же, как это делает переход G 1 в S. Активация комплексов E2F связана с привлечением гистоновых ацетилтрансфераз , которые активируют экспрессию генов, необходимую для входа G 1 , в то время как комплексы E2F4 задействуют гистоновые деацетилазы, которые подавляют экспрессию генов. Фосфорилирование Rb с помощью Cdk комплексов позволяет его диссоциацию от факторов транскрипции E2F и последующей экспрессия генов , необходимой для G 0 выхода. Было обнаружено, что другие члены семейства карманных белков Rb , такие как p107 и p130, участвуют в аресте G 0 . Уровни p130 повышены в G 0, и было обнаружено, что они связаны с комплексами E2F-4, подавляя транскрипцию генов-мишеней E2F. Между тем, было обнаружено, что p107 спасает фенотип клеточной остановки после потери Rb, даже несмотря на то, что p107 экспрессируется на сравнительно низких уровнях в клетках G 0 . Взятые вместе, эти находки подтверждают, что репрессия Rb факторов транскрипции E2F способствует остановке клеток, тогда как фосфорилирование Rb ведет к выходу из G 0 посредством дерепрессии генов-мишеней E2F. Помимо регуляции E2F, Rb также подавляет РНК-полимеразу I и РНК-полимеразу III , которые участвуют в синтезе рРНК . Таким образом, фосфорилирование Rb также позволяет активировать синтез рРНК, который имеет решающее значение для синтеза белка при входе в G 1 .

использованная литература