Введение

Спокойная стадия клеточного цикла, в которой клетка не делится.
ОБОЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ: G0 фаза

Фаза G0 описывает клеточное состояние вне репликативного клеточного цикла. Ранее считалось, что клетки переходят в G0 главным образом из-за факторов окружающей среды, таких как недостаток питательных веществ, ограничивающих ресурсы, необходимые для пролиферации. Таким образом, её рассматривали как фазу покоя. Сейчас известно, что G0 принимает различные формы и возникает по множеству причин. Например, большинство зрелых нейронных клеток, одних из наиболее метаболически активных клеток в организме, полностью дифференцированы и находятся в терминальной фазе G0. Нейроны находятся в этом состоянии не из-за случайных факторов или ограниченного поступления питательных веществ, а как часть своей программы развития. Фаза G0 была впервые предложена как клеточное состояние на основе ранних исследований клеточного цикла. Когда в первых исследованиях были определены четыре фазы клеточного цикла с использованием методов радиоактивной метки, было обнаружено, что не все клетки в популяции пролиферируют с одинаковой скоростью. "Фракция роста" популяции – то есть доля клеток, находящихся в состоянии пролиферации – активно делилась, 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 точки зрения рассматривали непролиферирующие клетки либо как находящиеся в удлиненной фазе G1, либо в фазе клеточного цикла, отличной от G1, – названной G0. Последующие исследования указали на точку ограничения (точку R) в G1, где клетки могут войти в G0 до точки R, но становятся необратимо привержены митозу после точки R. Эти ранние исследования предоставили доказательства существования состояния G0, доступ к которому ограничен. Эти клетки, которые больше не делятся, выходят из фазы G1 и переходят в неактивное состояние, называемое покоящейся фазой.

Разнообразие государств G0

Существует три состояния G0, которые можно классифицировать как обратимые (состояние покоя) или необратимые (старение и дифференцировка). Каждое из этих трех состояний может быть достигнуто из фазы G1 до того, как клетка зафиксируется в следующем цикле деления. Состояние покоя относится к обратимому состоянию G0, в котором субпопуляции клеток находятся в состоянии покоя перед входом в клеточный цикл после активации в ответ на внешние сигналы. Клетки в состоянии покоя часто характеризуются низким содержанием РНК, отсутствием маркеров пролиферации и повышенным удержанием меток, указывающим на низкую скорость обновления клеток. Старение отличается от состояния покоя тем, 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 возникать из-за укорочения теломер в ходе многочисленных делений, а также под воздействием активных форм кислорода (АФК), активации онкогенов и слияния клеток. Хотя стареющие клетки больше не могут реплицироваться, они сохраняют способность выполнять многие нормальные клеточные функции. Старение часто является биохимической альтернативой самоуничтожению поврежденной клетки посредством апоптоза. В отличие от клеточного старения, состояние покоя не является реактивным событием, а является частью базовой программы нескольких различных типов клеток. Наконец, дифференцированные клетки – это стволовые клетки, прошедшие программу дифференцировки и достигшие зрелого – терминально дифференцированного – состояния. Дифференцированные клетки продолжают оставаться в G0 и выполнять свои основные функции неопределенно долго.

Транскриптомы

Транскриптомы нескольких типов покоящихся стволовых клеток, таких как гемопоэтические, мышечные и волосяных фолликулов, были охарактеризованы с использованием высокопроизводительных технологий, таких как микрочипы и секвенирование РНК. Несмотря на различия в индивидуальных транскриптомах, большинство покоящихся стволовых клеток тканей демонстрируют общую картину экспрессии генов, включающую подавление генов, участвующих в прогрессии клеточного цикла, таких как циклин А2, циклин В1, циклин Е2 и сурвивин, и активацию генов, регулирующих транскрипцию и судьбу стволовых клеток, таких как FOXO3 и EZH1. Подавление митохондриального цитохрома С также отражает низкий метаболический статус покоящихся стволовых клеток.

Эпигенетические

Многие покоящиеся стволовые клетки, особенно взрослые стволовые клетки, также демонстрируют схожие эпигенетические паттерны. Например, H3K4me3 и H3K27me3 – это два основных паттерна метилирования гистонов, формирующие бивалентный домен и расположенные вблизи сайтов инициации транскрипции. Эти эпигенетические маркеры регулируют решения о судьбе клеток в эмбриональных стволовых клетках, а также контролируют состояние покоя в стволовых клетках волосяных фолликулов и мышц посредством модификации хроматина. У млекопитающих большинство взрослых тканей содержат тканеспецифические стволовые клетки, которые находятся в ткани и пролиферируют для поддержания гомеостаза на протяжении всей жизни организма. Эти клетки способны к интенсивному пролиферативному ответу на повреждение тканей перед дифференцировкой и участием в регенерации. Некоторые стволовые клетки тканей существуют в обратимом, покоящемся состоянии неопределенно долго, пока не активируются 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 предложено, что покой стволовых клеток состоит из двух различных функциональных фаз: G0 и «готовности», обозначаемой как GAlert. Считается, что стволовые клетки активно и обратимо переходят между этими фазами в ответ на повреждающие стимулы и, по-видимому, приобретают усиленную тканерегенеративную функцию в фазе GAlert. Таким образом, переход в GAlert был предложен как адаптивный механизм, позволяющий стволовым клеткам быстро реагировать на повреждение или стресс, подготавливая их к входу в клеточный цикл. В мышечных стволовых клетках активность mTORC1 контролирует переход из G0 в GAlert наряду с передачей сигналов через рецептор HGF cMet. Гепатоциты обычно находятся в состоянии покоя в здоровой печени, но подвергаются ограниченному делению (менее 2 клеточных делений) во время регенерации печени после частичной гепатектомии. Однако в некоторых случаях гепатоциты могут демонстрировать интенсивный пролиферативный ответ (более 70 клеточных делений), что указывает на то, что их пролиферативный потенциал не ограничивается пребыванием в обратимом состоянии покоя. Аналогично, стареющие гладкомышечные клетки легочной артерии индуцировали 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 друг с другом, образуя нециклические мышечные клетки, называемые миоцитами, которые остаются в терминальной фазе G0. В результате волокна, составляющие скелетную мышцу (миоволокна), являются клетками с множеством ядер, называемыми миоядрами, поскольку каждое миоядро происходит из одного миобласта. Клетки скелетной мышцы непрерывно обеспечивают сократительную силу посредством одновременных сокращений клеточных структур, называемых саркомерами. Важно отметить, что эти клетки остаются в терминальной фазе G0, поскольку нарушение структуры мышечных волокон после формирования миоволокон препятствовало бы правильной передаче силы по всей длине мышцы. Рост мышц может быть стимулирован ростом или повреждением и включает в себя активацию мышечных стволовых клеток – также известных как спутниковые клетки – из обратимого состояния покоя. Эти стволовые клетки дифференцируются и сливаются, чтобы генерировать новые мышечные волокна как параллельно, так и последовательно, увеличивая способность к выработке силы. Сердечная мышца также формируется посредством миогенеза, но вместо активации стволовых клеток для слияния и образования новых клеток, клетки сердечной мышцы, известные как кардиомиоциты, просто увеличиваются в размере по мере роста сердца. Подобно скелетной мышце, если бы кардиомиоцитам приходилось продолжать делиться для добавления мышечной ткани, это нарушило бы сократительные структуры, необходимые для функции сердца.

Дифференцированная кость

Из четырех основных типов костных клеток остеоциты являются наиболее распространенными и находятся в терминальной фазе G0. Остеоциты образуются из остеобластов, заключенных в самопроизведенную матрицу. Несмотря на сниженную синтетическую активность, остеоциты выполняют костные функции, помимо формирования структуры. Остеоциты участвуют в постоянном обновлении костной ткани посредством различных механосенсорных механизмов.

Дифференцированный нерв

За исключением нескольких нейрогенных ниш в мозге, большинство нейронов полностью дифференцированы и находятся в терминальной фазе G0. Эти полностью дифференцированные нейроны формируют синапсы, где электрические сигналы передаются аксонами к дендритам соседних нейронов. В этом состоянии G0 нейроны продолжают функционировать до наступления старения или апоптоза. Многочисленные исследования сообщают о накоплении повреждений ДНК с возрастом, особенно окислительных повреждений, в мозге млекопитающих.

Роль обода

Впервые было обнаружено, что Rim15 играет критическую роль в инициировании мейоза в клетках диплоидных дрожжей. В условиях низкого содержания глюкозы и азота, которые являются ключевыми питательными веществами для выживания дрожжей, диплоидные клетки дрожжей инициируют мейоз посредством активации ранних мейоз-специфических генов (EMG). Экспрессия EMG регулируется Ume6. Ume6 рекрутирует гистон-дезацетилазы Rpd3 и Sin3 для подавления экспрессии EMG при высоком уровне глюкозы и азота и рекрутирует фактор транскрипции EMG Ime1 при низком уровне глюкозы и азота. Rim15, названный в честь его роли в регуляции EMG под названием IME2, вытесняет Rpd3 и Sin3, тем самым позволяя Ume6 доставлять Ime1 к промоторам EMG для инициирования мейоза. Помимо роли в инициировании мейоза, было показано, что Rim15 является критическим эффектором для входа клеток дрожжей в G0 в присутствии стресса. Сигналы из нескольких различных путей передачи сигналов о питательных веществах 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 стрессовой реакции (STRE). Хотя неясно, как Rim15 активирует Gis1 и Msn2/4, есть предположения, что он может непосредственно фосфорилировать их или участвовать в ремоделировании хроматина. Также было обнаружено, что Rim15 содержит домен PAS на своем N-конце, что делает его недавно открытым членом семейства PAS-киназ. Домен PAS является регуляторным участком белка Rim15, который может играть роль в восприятии окислительного стресса у дрожжей. Дальнейшие наблюдения показали, что уровень мРНК циклина C наиболее высок, когда клетки человека выходят из G0, что позволяет предположить, что циклин C может быть вовлечен в фосфорилирование Rb для стимуляции повторного входа в клеточный цикл клеток G0, находящихся в состоянии ареста. Анализы иммунопреципитационной киназы показали, что циклин C обладает Rb-киназной активностью. Более того, в отличие от циклинов D и E, Rb-киназная активность циклина C наиболее высока в начале фазы G1 и наименьшая в конце фазы G1 и фазы S, что позволяет предположить, что он может участвовать в переходе от G0 к G1. Использование флуоресцентно-активированной клеточной сортировки для идентификации клеток G0, которые характеризуются высоким соотношением ДНК к РНК по сравнению с клетками G1, подтвердило подозрение, что циклин C способствует выходу из G0, поскольку подавление эндогенного циклина C с помощью РНКи в клетках млекопитающих увеличивает долю клеток, арестованных в G0. Дальнейшие эксперименты, включающие мутацию Rb в определенных участках фосфорилирования, показали, что фосфорилирование Rb циклином C в S807/811 необходимо для выхода из G0. Однако остается неясным, достаточно ли этой модели фосфорилирования для выхода из G0. Наконец, совместные анализы иммунопреципитации показали, что циклинзависимая киназа 3 (cdk3) способствует выходу из G0, образуя комплекс с циклином C для фосфорилирования Rb в S807/811. Интересно, что S807/811 также являются мишенями фосфорилирования циклина D/cdk4 во время перехода от G1 к S. Это может указывать на возможную компенсацию активности cdk3 активностью cdk4, особенно в свете наблюдения, что выход из G0 только задерживается, а не постоянно ингибируется в клетках, лишенных cdk3, но функциональных в отношении cdk4. Несмотря на перекрытие мишеней фосфорилирования, похоже, что cdk3 по-прежнему необходим для наиболее эффективного перехода от G0 к G1.

Выход Rb и G0

Исследования показывают, что подавление Rb семейства факторов транскрипции E2F регулирует переход от G0 к G1 так же, как и переход от G1 к S. Активирующие комплексы E2F ассоциированы с рекрутированием гистон ацетилтрансфераз, которые активируют экспрессию генов, необходимых для входа в G1, в то время как комплексы E2F4 рекрутируют гистон-дезацетилазы, которые подавляют экспрессию генов. Фосфорилирование Rb комплексами Cdk позволяет его диссоциацию от факторов транскрипции E2F и последующую экспрессию генов, необходимых для выхода из G0. Другие члены семейства карманных белков Rb, такие как p107 и p130, также были обнаружены участвующими в аресте в G0. Уровни p130 повышены в G0 и было установлено, что они ассоциируют с комплексами E2F4, подавляя транскрипцию генов-мишеней E2F. В то же время, было обнаружено, что p107 спасает фенотип клеточного ареста после потери Rb, даже несмотря на то, что p107 экспрессируется на сравнительно низких уровнях в клетках G0. В совокупности эти данные свидетельствуют о том, что подавление Rb факторов транскрипции E2F способствует клеточному аресту, в то время как фосфорилирование Rb приводит к выходу из G0 посредством дерепрессии генов-мишеней E2F. Помимо регуляции E2F, было показано, что Rb также подавляет РНК-полимеразу I и РНК-полимеразу III, которые участвуют в синтезе рРНК. Таким образом, фосфорилирование Rb также позволяет активировать синтез рРНК, что критически важно для синтеза белка при входе в G1.