Жасуша циклiнiң тоқтау фазасы (G0 фазасы)

Кіріспе

Жасуша циклінің тыныш кезеңі, онда жасуша бөлінбейді. ДИСПЛАЙТИТЛЕ: G0 фазасы

G0 фазасы репликациялық жасуша циклінен тыс жасушалық күйді сипаттайды. Классикалық тұрғыдан алғанда, жасушалар G0 фазасына ең алдымен қоршаған орта факторларының, мысалы, қоректік заттардың жетіспеушілігінің әсерінен көбеюге қажетті ресурстарды шектеу себебінен түсетін деп есептелді. Сондықтан бұл кезең тынығу фазасы деп саналды. Қазіргі кезде G0 фазасы әртүрлі формада болуы және әр түрлі себептерге байланысты пайда болуы мүмкін екені белгілі. Мысалы, ересек нейрондық жасушалардың көпшілігі, денедегі ең жоғары метаболикалық белсенділікке ие жасушалардың қатарында, толық дифференциацияланған және G0 фазасының соңғы сатысында орналасқан. Нейрондар бұл күйде болады, себебі бұл олардың даму бағдарламасының бір бөлігі, ал емес, кездейсоқ немесе қоректік заттардың жетіспеушілігінен туындаған жағдай. G0 фазасы алғаш рет жасуша циклінің алғашқы зерттеулерінде жасушалық күй ретінде ұсынылды. Алғашқы зерттеулерде радиоактивті таңбалау әдістерін қолданып, жасуша циклінің төрт фазасы анықталғанда, популяциядағы барлық жасушалар бірдей жылдамдықпен көбеймейтіні анықталды. Популяцияның "өсу үлесі" – яғни өсіп жатқан популяцияның үлесі – белсенді түрде көбейіп жатты, бірақ басқа жасушалар көбеймейтін күйде болды. Бұл көбеймейтін жасушалардың кейбіреулері сыртқы стимулдарға жауап бере алады және жасуша цикліне қайта кіріп көбейе алады. Алғашқы қарама-қайшы пікірлер көбеймейтін жасушаларды жай ғана ұзартылған G1 фазасында немесе G1 фазасынан өзгеше жасуша циклінің фазасында – G0 деп қарастырды. Кейінгі зерттеулер G1 фазасындағы шектеу нүктесін (R нүктесін) көрсетті, онда жасушалар R нүктесінен бұрын G0 фазасына кіре алады, бірақ R нүктесінен кейін митозға бейімделеді. Бұл алғашқы зерттеулер G0 фазасының бар екеніне және оған кірудің шектеулі екеніне дәлел келтірді. Осы жасушалар G1 фазасынан шығып, белсенді емес фазаға, яғни тыныш фазаға өтеді.

G0 мемлекеттерінің әртүрлілігі

Үш G0 күйі бар және оларды кері айналатын (тыныштық) немесе кері айналмайтын (жауыну және дифференциацияланған) деп жіктеуге болады. Осы үш күйдің әрқайсысы G1 фазасынан клетка клеткалық циклдің келесі кезеңіне өтуге міндеттенбес бұрын енгізілуі мүмкін. Тыныштық – сыртқы сигналдарға жауап ретінде белсендірілгеннен кейін жасушалық циклге кірмес бұрын жасушалардың субпопуляциялары «тыныштық» күйінде болатын кері айналатын G0 күйін білдіреді. Тыныш жасушалар көбінесе төмен РНК мазмұнымен, жасушалардың көбею белгілерінің болмауымен және жасуша алмасуының төмен екенін көрсететін белгілерді ұзақ сақтауымен анықталады. Жауыну тыныштықтан ерекшеленеді, себебі жауыну – ДНК зақымдануына немесе ыдырауына жауап ретінде жасушалардың енетін қайтарымсыз күй, бұл жасушаның ұрпағын тірі қалуға жарамсыз етеді. Мұндай ДНК зақымдануы көптеген жасушалық бөліністерде теломерлердің қысқаруынан, сондай-ақ реактивті оттегі түлерінің (РОС) әсерінен, онкогендердің белсендірілуінен және жасушалардың бірігуінен туындауы мүмкін. Жауынып қалған жасушалар енді көбейе алмайды, бірақ олар көптеген қалыпты жасушалық функцияларды орындауға қабілетті. Жауыну мұндай зақымдалған жасушаның апоптоз арқылы өзін-өзі жоюына биохимиялық балама болып табылады. Жасушалық жауынудан айырмашылығы, тыныштық реактивті оқиға емес, бірнеше түрлі жасушалардың негізгі бағдарламасының бір бөлігі болып табылады. Соңында, дифференциацияланған жасушалар – дифференциациялау бағдарламасынан өтіп, жетілген – толық дифференциацияланған – күйге жеткен дің жасушалары. Дифференциацияланған жасушалар G0 күйінде қалып, өздерінің негізгі функцияларын шексіз орындай береді.

Транскриптомалар

Гематопоэтикалық, бұлшықет және шаш түбі тәрізді бірнеше тыныш жасушалардың транскриптомы микроаррей және РНК секвенирлеу сияқты жоғары өнімділік әдістер арқылы сипатталған. Жеке транскриптомаларында әртүрлі айырмашылықтар болғанымен, көптеген тыныш тіндердің жасушалары гендік экспрессияның ортақ үлгісін бөліседі, ол циклин А2, циклин В1, циклин Е2 және сервивин сияқты жасуша циклының дамуын қамтамасыз ететін гендердің төмендеуін, сондай-ақ транскрипцияны және жасуша тағдырын реттеуге қатысатын FOXO3 және EZH1 сияқты гендердің жоғарылауын қамтиды. Митохондриялық цитохром С деңгейінің төмендеуі тыныш жасушалардың төмен метаболизміне сәйкес келеді.

Эпигенетикалық

Көптеген тыныш түбірлі жасушалар, әсіресе ересек түбірлі жасушалар, ұқсас эпигенетикалық үлгілерді бөліседі. Мысалы, H3K4me3 және H3K27me3 – екі негізгі гистон метилирлеу үлгілері, олар бивалентті доменді құрайды және транскрипция басталу орындарының жанында орналасқан. Бұл эпигенетикалық маркерлер эмбриональды түбірлі жасушаларда тектік шешімдерді реттейді, сондай-ақ хроматин өзгерту арқылы шаш түбіршіктері мен бұлшықет түбірлі жасушаларында тыныштық күйін басқарады. Сүтқоректілерде ересек тіндердің көпшілігі тіндік ерекше түбірлі жасушаларды қамтиды, олар тінде орналасып, организмнің өмір бойы гомеостазын сақтау үшін көбейеді. Бұл жасушалар тіндік зақымдануға жауап ретінде дифференциацияланудан және регенерациядан бұрын қарқынды көбеюге қабілді. Кейбір тіндік түбірлі жасушалар сыртқы стимулдармен белсендірілгенше, қайтымды, тыныш күйде қалуы мүмкін. Тіндік түбірлі жасушаларының көптеген түрлері бар, оның ішінде бұлшықет түбірлі жасушалары (MuSC), нейрондық түбірлі жасушалары (NSC), ішек түбірлі жасушалары (ISC) және тағы да басқалары. Жақында түбірлі жасушалардың тыныштық күйі екі ерекше функционалдық фазадан – G0 және «ессіз» фазадан, GAlert деп аталатын фазадан тұратыны болжалды. Түбірлі жасушалар зақымдану стимулдарына жауап беру үшін осы фазалар арасында белсенді және қайтымды түрде өтеді және GAlert фазасында тіндік регенерациялық функциясы күшейгендей көрінеді. Осылайша, GAlert фазасына өту, жасушалық циклге кіруге дайындау арқылы түбірлі жасушалардың жарақатқа немесе стресске жылдам жауап беруіне мүмкіндік беретін бейімделу реакциясы ретінде ұсынылды. Бұлшықет түбірлі жасушаларында mTORC1 белсенділігі G0-ден GAlert фазасына өтуді және HGF рецепторы cMet арқылы сигнал беруді бақылайтыны анықталды. Гепатоциттер әдетте қалыпты бауырларда тыныш күйде болады, бірақ жартылай гепатектомиядан кейін бауырдың регенерациясы кезінде шектеулі репликацияға (екіден аз жасушалық бөліну) ұшырайды. Алайда, кейбір жағдайларда гепатоциттерде өте қарқынды көбею (70-тен астам жасушалық бөліну) байқалады, бұл олардың көбею қабілеті қайтымды тыныш күйде болумен шектелмейді екенін көрсетеді. Сол сияқты, ескірген өкпе артериясының жылтыр бұлшық ет жасушалары жақын маңдағы жылтыр бұлшық ет жасушаларының көбеюіне және миграциясына себеп болады, бұл өкпе артерияларының гипертрофиясына және соңында өкпе гипертензиясына әкелуі мүмкін.

Many quiescent stem cells, particularly adult stem cells, also share similar epigenetic patterns. For example, H3K4me3 and H3K27me3, are two major histone methylation patterns that form a bivalent domain and are located near transcription initiation sites. These epigenetic markers have been found to regulate lineage decisions in embryonic stem cells as well as control quiescence in hair follicle and muscle stem cells via chromatin modification. In mammals, most adult tissues contain tissue specific stem cells that reside in the tissue and proliferate to maintain homeostasis for the lifespan of the organism. These cells can undergo immense proliferation in response to tissue damage before differentiating and engaging in regeneration. Some tissue stem cells exist in a reversible, quiescent state indefinitely until being activated by external stimuli. Many different types of tissue stem cells exist, including muscle stem cells (MuSCs), neural stem cells (NSCs), intestinal stem cells (ISCs), and many others. Stem cell quiescence has been recently suggested to be composed of two distinct functional phases, G0 and an 'alert' phase termed GAlert. Stem cells are believed to actively and reversibly transition between these phases to respond to injury stimuli and seem to gain enhanced tissue regenerative function in GAlert. Thus, transition into GAlert has been proposed as an adaptive response that enables stem cells to rapidly respond to injury or stress by priming them for cell cycle entry. In muscle stem cells, mTORC1 activity has been identified to control the transition from G0 into GAlert along with signaling through the HGF receptor cMet. Hepatocytes are typically quiescent in normal livers but undergo limited replication (less than 2 cell divisions) during liver regeneration after partial hepatectomy. However, in certain cases, hepatocytes can experience immense proliferation (more than 70 cell divisions) indicating that their proliferation capacity is not hampered by existing in a reversible quiescent state. Similarly, senescent pulmonary artery smooth muscle cells caused nearby smooth muscle cells to proliferate and migrate, perhaps contributing to hypertrophy of pulmonary arteries and eventually pulmonary hypertension.

Дифференциацияланған бұлшықет

Скелеттік миогенез кезінде миобластар деп аталатын циклдік алғашқы жасушалар дифференциацияланып, терминалды G0 фазасында қалатын миоциттер деп аталатын циклдік емес бұлшықет жасушаларына бірігіп, қосылады. Нәтижесінде, скелеттік бұлшық етті құрайтын талшықтар (миофиберлер) – көп ядролы жасушалар болып табылады, әр миоядро бір миобластан пайда болғандықтан, олар миоядро деп аталады. Скелеттік бұлшықет жасушалары саркомерлер деп аталатын жасушалық құрылымдардың бір мезгілде жиырылуы арқылы созылу күшін үздіксіз қамтамасыз етеді. Бұл жасушалар G0 фазасының соңғы сатысында сақталады, себебі миофибра қалыптасқаннан кейін бұлшық ет талшықтарының құрылымын бұзу бұлшық еттің бойымен күштің дұрыс берілуіне кедергі келтіреді. Бұлшықет өсуіне өсу немесе жарақат ынталандыруы мүмкін, бұл бұлшықеттік дің жасушаларын – спутник жасушалары деп те аталады – қайтымды тыныш күйден шақыруды қамтиды. Бұл дің жасушалары дифференциацияланып, бірігіп, күшті арттыру үшін қатар және тізбектей жаңа бұлшықет талшықтарын жасайды. Жүрек бұлшық еті де миогенез арқылы қалыптасады, бірақ жаңа жасушаларды құру үшін дің жасушаларын пайдаланудың орнына, жүрек бұлшықеті жасушалары – кардиомиоциттер – жүректің көлемі ұлғайған сайын ғана үлкейеді. Скелеттік бұлшықетке ұқсас, егер кардиомиоциттер бұлшықет тінін қосу үшін бөлінуді жалғастыру керек болса, жүрек жұмысы үшін қажетті жиырылатын құрылымдар бұзылар еді.

Дифференциацияланған сүйек

Сүйек жасушаларының төрт негізгі түрінің ішінде остеоциттер ең көп кездесетін түрі және олар G0 фазасының соңғы сатысында болады. Остеоциттер өздері шығарған матрицаның ішіне қамалып қалған остеобластардан пайда болады. Остеоциттердің синтездік белсенділігі төмен болғанымен, олар құрылым жасаудан басқа да сүйек функцияларын атқарады. Остеоциттер әртүрлі механосезімдік механизмдер арқылы сүйек матрицасының үнемі жаңаруына көмектеседі.

Дифференциацияланған жүйке

Мидың бірнеше нейрогендік ошақтарынан басқа, көптеген нейрондар толыққанды дифференциацияланған және G0 фазасының соңғы кезеңінде болады. Бұл толыққанды дифференциацияланған нейрондар аксондар арқылы жақын орналасқан нейрондардың дендриттеріне электр сигналдары берілетін синапстарды қалыптастырады. Осы G0 күйінде нейрондар қарттыққа немесе апоптозға ұшырағанша өз қызметін атқаруын жалғастырады. Сан алуан зерттеулер сүтқоректілердің миында жас өскен сайын ДНК зақымдануы, әсіресе тотығу зақымдануы жиналатынын көрсетті.

Қаптаманың рөлі15

Rim15 диплоидты ашытқы жасушаларында мейозды бастауда маңызды рөл атқаратыны алғаш рет анықталды. Ашытқының тіршілік етуі үшін қажетті негізгі қоректік заттар – глюкоза мен азоттың төмен деңгейі жағдайында диплоидты ашытқы жасушалары ерте мейотикалық спецификалық гендерді (ЭМГ) белсендіру арқылы мейозды бастайды. ЭМГ экспрессиясы Ume6 арқылы реттеледі. Ume6 глюкоза мен азот деңгейі жоғары болғанда ЭМГ экспрессиясын басу үшін гистон деацетилазаларын – Rpd3 және Sin3-ті, ал глюкоза мен азот деңгейі төмен болғанда ЭМГ транскрипция факторы Ime1-ді тартады. Rim15, IME2 деп аталатын ЭМГ реттеудегі рөлі үшін аталған, Rpd3 және Sin3-ті ығыстырады, осылайша Ume6-қа мейозды бастау үшін ЭМГ промоторларына Ime1-ді жеткізуге мүмкіндік береді. Мейозды бастаудағы рөлінен басқа, Rim15 стресс кезінде ашытқы жасушаларының G0 фазасына енуінің маңызды факторы екені де көрсетілді. Бірнеше түрлі қоректік сигналдық жолдардан келетін сигналдар Rim15-ке жиналады, ол Gis1, Msn2 және Msn4 транскрипция факторларын белсендіреді. Gis1 диаксикалық өсуден кейінгі ауысу элементтерін (PDS) қамтитын промоторларға байланысып, белсендіреді, ал Msn2 және Msn4 стресске жауап беру элементтерін (STRE) қамтитын промоторларға байланысып, белсендіреді. Rim15 Gis1 және Msn2/4-ті қалай белсендіретіні белгісіз болғанымен, оларды тікелей фосфорилдеуі немесе хроматин қайта құрылуына қатысуы мүмкін деген болжам бар. Rim15-тің N-терминалында PAS домені бар екені анықталды, бұл оны PAS киназалар отбасының жаңадан ашылған мүшесі етеді. PAS домені – Rim15 бейінінің реттеуші бірлігі, ол ашытқыдағы тотығу стресін сезінуде рөл атқарады. Тағы да байқаулар көрсеткендей, адам жасушалары G0 фазасынан шыққанда циклин C мРНК деңгейі ең жоғары болады, бұл циклин C G0 фазасында тоқтатылған жасушалардың жасушалық циклге қайта кіруін қамтамасыз ету үшін Rb фосфорилирлеуге қатысады дегенді көрсетеді. Иммунопреципитациялық киназалық талдаулар циклин C-нің Rb киназалық активтілігін көрсетті. Сонымен қатар, D және E циклиндерінен айырмашылығы, циклин C-нің Rb киназалық активтілігі G1 фазасының басында ең жоғары, ал G1 және S фазаларының соңында ең төмен, бұл оның G0-дан G1 фазасына өтуге қатысы бар екенін көрсетеді. G0 жасушаларын анықтау үшін флуоресценциялық жасушаларды сұрыптаудың қолданылуы, олар G1 жасушаларына қатысты жоғары ДНҚ/РНҚ қатынасымен сипатталатыны, циклин C G0 фазасынан шығуды ынталандырады деген күдікті растады, себебі сүтқоректі жасушаларында эндогенді циклин C-нің РНҚ-сымен басуы G0 фазасында тоқтатылған жасушалардың үлесін арттырды. Rb-нің фосфорильдеудің белгілі бір орындарында мутациялануына қатысты қосымша эксперименттер көрсеткендей, G0 фазасынан шығу үшін S807/811 орындарында Rb-ні циклин C-нің фосфорильдеуі қажет. Алайда, осы фосфорильдеу үлгісі G0 фазасынан шығу үшін жеткілікті ме, жоқ па, бұл әлі белгісіз. Соңында, иммунопреципитациялық талдаулар циклинге тәуелді киназа 3 (cdk3) циклин C-мен кешен құрастырып, Rb-ні S807/811 орындарында фосфорильдеу арқылы G0 фазасынан шығуды ынталандыратынын көрсетті. Қызығы, S807/811 орындары G1-ден S фазасына өту кезінде циклин D/cdk4 фосфорильдеуінің де мақсаттары болып табылады. Бұл cdk3 активтілігінің cdk4-пен толықтырылу мүмкіндігін көрсетеді, әсіресе G0 фазасынан шығу тек cdk3 жетіспейтін, бірақ cdk4 функционалды жасушаларда толыққанды тежелмейтінін ескерсек. Фосфорильдеу мақсаттарының бір-бірімен сәйкес келуіне қарамастан, G0-дан G1 фазасына ең тиімді өту үшін cdk3 әлі де қажет болып көрінеді.

Rim15 was first discovered to play a critical role in initiating meiosis in diploid yeast cells. Under conditions of low glucose and nitrogen, which are key nutrients for the survival of yeast, diploid yeast cells initiate meiosis through the activation of early meiotic specific genes (EMGs). The expression of EMGs is regulated by Ume6. Ume6 recruits the histone deacetylases, Rpd3 and Sin3, to repress EMG expression when glucose and nitrogen levels are high, and it recruits the EMG transcription factor Ime1 when glucose and nitrogen levels are low. Rim15, named for its role in the regulation of an EMG called IME2, displaces Rpd3 and Sin3, thereby allowing Ume6 to bring Ime1 to the promoters of EMGs for meiosis initiation. In addition to playing a role in meiosis initiation, Rim15 has also been shown to be a critical effector for yeast cell entry into G0 in the presence of stress. Signals from several different nutrient signaling pathways converge on Rim15, which activates the transcription factors, Gis1, Msn2, and Msn4. Gis1 binds to and activates promoters containing post diauxic growth shift (PDS) elements while Msn2 and Msn4 bind to and activate promoters containing stress response elements (STREs). Although it is not clear how Rim15 activates Gis1 and Msn2/4, there is some speculation that it may directly phosphorylate them or be involved in chromatin remodeling. Rim15 has also been found to contain a PAS domain at its N terminal, making it a newly discovered member of the PAS kinase family. The PAS domain is a regulatory unit of the Rim15 protein that may play a role in sensing oxidative stress in yeast. Further observations revealed that levels of cyclin C mRNA are highest when human cells exit G0, suggesting that cyclin C may be involved in Rb phosphorylation to promote cell cycle re entry of G0 arrested cells. Immunoprecipitation kinase assays revealed that cyclin C has Rb kinase activity. Furthermore, unlike cyclins D and E, cyclin C's Rb kinase activity is highest during early G1 and lowest during late G1 and S phases, suggesting that it may be involved in the G0 to G1 transition. The use of fluorescence activated cell sorting to identify G0 cells, which are characterized by a high DNA to RNA ratio relative to G1 cells, confirmed the suspicion that cyclin C promotes G0 exit as repression of endogenous cyclin C by RNAi in mammalian cells increased the proportion of cells arrested in G0. Further experiments involving mutation of Rb at specific phosphorylation sites showed that cyclin C phosphorylation of Rb at S807/811 is necessary for G0 exit. It remains unclear, however, whether this phosphorylation pattern is sufficient for G0 exit. Finally, co immunoprecipitation assays revealed that cyclin dependent kinase 3 (cdk3) promotes G0 exit by forming a complex with cyclin C to phosphorylate Rb at S807/811. Interestingly, S807/811 are also targets of cyclin D/cdk4 phosphorylation during the G1 to S transition. This might suggest a possible compensation of cdk3 activity by cdk4, especially in light of the observation that G0 exit is only delayed, and not permanently inhibited, in cells lacking cdk3 but functional in cdk4. Despite the overlap of phosphorylation targets, it seems that cdk3 is still necessary for the most effective transition from G0 to G1.

Rb және G0 шығысы

Зерттеулер көрсетіп тұрғандай, Rb транскрипция факторларының E2F отбасын басу арқылы G0-дан G1-ге өтуді, G1-ден S-ке өту сияқты реттейді. E2F кешендерін белсендіру G1-ге ену үшін қажетті гендердің экспрессиясын белсендіретін гистон ацетилтрансферазаларын тартумен байланысты, ал E2F4 кешендері гендердің экспрессиясын басатын гистон деацетилазаларын тартады. Rb-ны Cdk кешендерімен фосфорилдеу оның E2F транскрипциялық факторларынан бөлінуіне және G0-дан шығу үшін қажетті гендердің экспрессиясына мүмкіндік береді. G0 тоқтауына Rb қапшықты ақуыздар отбасының p107 және p130 сияқты басқа да мүшелерінің қатысы бар екені анықталды. p130 деңгейі G0 кезінде жоғарылайды және E2F 4 кешендерімен байланысып, E2F нысаналы гендердің транскрипциясын басады. Ал p107, G0 жасушаларында салыстырмалы түрде төмен деңгейде экспрессияланғанына қарамастан, Rb жоғалғаннан кейін жасуша тоқтау феноменін қалпына келтіруге көмектеседі. Жиынтық алғанда, бұл нәтижелер Rb-ның E2F транскрипция факторларын басуы жасуша тоқтауын күшейтетінін, ал Rb-ның фосфорилделуі E2F нысаналы гендерін босату арқылы G0-дан шығуға әкелетінін көрсетеді. E2F-ті реттеуден басқа, Rb РНК полимераза I және РНК полимераза III-ті де басатыны көрсетілді, олар рРНК синтезіне қатысады. Осылайша, Rb-ның фосфорилделуі сонымен қатар G1-ге кірген кезде ақуыз синтезі үшін маңызды рРНК синтезін белсендіруге мүмкіндік береді.