G1期

概要

真核生物の細胞が分裂・増殖を繰り返す過程を細胞周期と呼びますが、G1期（Gap 1 phase）はこの細胞周期を構成する主要な4つの段階のうち、最初に位置する期間です。G1期は、DNA合成期（S期）およびDNA複製後の準備期間（G2期）と共に、「間期」として総称され、有糸分裂期（M期）の前段階にあたります。

細胞はG1期において、後に続くS期やM期への移行に備え、活発な活動を行います。具体的には、これらの期間で必要となるmRNAやタンパク質を盛んに合成し、細胞自身のサイズを大きく成長させます。細胞がこの準備期間を終え、DNA複製を開始するS期へと進行した時点で、G1期は完了となります。

細胞周期の長さは細胞の種類によって大きく異なり、それに伴いG1期の期間も変動します。例えば、ヒトの体細胞の細胞周期は約18時間ですが、そのうちG1期は約1/3を占めるとされます。一方、ツメガエル、ウニ、ショウジョウバエといった生物の初期胚では、G1期は非常に短縮されているか、実質的に存在しない場合もあり、その場合は分裂終結直後からS期開始までの短い「隙間（gap）」として捉えられます。

G1期の進行は、細胞を取り巻く環境因子、特に成長因子に大きく依存します。十分な栄養素（ヌクレオチド、アミノ酸など）の供給、細胞増殖に適した温度（ヒトでは生理的な約37°C）、細胞が成長する空間の確保といった条件が整っている必要があります。これらの条件が満たされない場合、G1期の進行が遅延したり停止したりすることがあります。

G1期は、細胞が積極的に増殖サイクルを継続するか、あるいは増殖を一時停止または恒久的に停止して「休眠状態」であるG0期へ移行するかという、その後の運命を決定する上で極めて重要な段階です。細胞分裂のシグナルが不十分であったり、休止状態への移行シグナルを受け取ったりした場合、細胞はS期へ進まずG0期へと移ります。脊椎動物の多くの細胞は、特定の条件下でこのG0期に入り、増殖を停止します。

調節機構

細胞周期は、生命活動の中でも特に厳密な制御を受けるプロセスです。G1期から始まり、S期、G2期、M期へとイベントが正しい順序で進行するためには、精密な調節システムが機能しています。この調節の中心的な役割を担うのが、サイクリン依存性キナーゼ（CDK）と呼ばれる酵素群です。CDKは、その活性がサイクリンと呼ばれる別のタンパク質との結合によって調節され、細胞周期の各段階への移行に必要な生化学的な「スイッチ」として機能します。

細胞周期の進行中には、適切な条件が満たされているかを確認するための「チェックポイント」がいくつか存在します。主要なチェックポイントとして、G1期からS期への移行を監視するG1/Sチェックポイント、G2期からM期への移行を監視するG2/Mチェックポイント、そしてM期における染色体分離を監視するスピンドルチェックポイントがあります。

生化学的調節因子

特にG1期の終盤においては、G1/S期サイクリン（例えばサイクリンE）と呼ばれる特定のサイクリンの活性が著しく上昇します。このG1/S期サイクリンが対応するCDKと複合体を形成することで、細胞はS期へと移行するための準備を完了させます。

G1期においては、S期やM期で活性化するサイクリン-CDK複合体が誤って機能しないよう、その活性が厳密に抑制されています。主な抑制機構としては、以下の3つが挙げられます。

Rbタンパク質によるE2F転写因子の抑制: 網膜芽細胞腫タンパク質（Rb）がS期に必要な遺伝子の発現を制御するE2Fファミリーの転写因子に結合することで、S期サイクリンなどの遺伝子発現が抑制されます。
後期促進複合体（APC）によるサイクリン分解: 後期促進複合体（APC）が活性化されており、S期サイクリンやM期サイクリンを分解へと導きます。これにより、これらのサイクリンの活性がG1期では低く保たれます（なお、G1/S期サイクリンはAPCの直接的な標的ではありません）。
* CDK阻害因子: G1期にはCDK阻害因子が高濃度で存在しており、CDKの活性を直接的に抑制します。

これらの機構により、G1期は安定した準備期間として維持されます。

R点（制限点）

G1期には、脊椎動物の細胞において、細胞が増殖経路を進むか、あるいは休止状態であるG0期へ移行するかというその後の運命が決定される特定の時点が存在します。この時点は「R点（Restriction point、制限点）」と呼ばれ、一般的な細胞周期チェックポイントとは異なる概念として捉えられることがあります。G1期に入ってから数時間後に訪れるR点は、細胞が細胞周期を完了させるために必要な成長因子など外部からの刺激なしに、自律的にS期以降の段階へと進行できるかどうかの分水嶺となります。

R点を境に、G1期は二つのサブ段階に分けられます。有糸分裂（M期）の終了直後からR点までの期間は「G1-pm期（post-mitotic G1）」、R点からS期が開始するまでの期間は「G1-ps期（pre-S G1）」と呼ばれます。G1-pm期を通過するためには、細胞は外部からの強い成長因子の刺激を受け続ける必要があり、また活発なタンパク質合成を行っていることが条件となります。これらの条件が満たされない場合、細胞はR点を通過できず、G0期へと移行することになります。

R点とG1/Sチェックポイントに関する研究

R点とG1/Sチェックポイントの関係については、研究者の間で完全に一致した見解が得られているわけではありません。一部の研究では両者を同一視することもありますが、より新しい研究では、G1期における細胞周期の進行決定には、性質の異なる二つのポイントが存在するという考え方が提唱されています。一つ目は成長因子の存在に依存し、細胞がG0期へ移行するか否かを決定する「R点」。もう一つは、栄養状態やDNAの損傷などをチェックし、S期へ進む「許可」を与える「G1/Sチェックポイント」です。このような異なる見解が混在している状況です。

G1/Sチェックポイント

G1/Sチェックポイントは、文字通りG1期とS期の境界付近に位置し、細胞がDNA複製の段階（S期）へ進むための最終的な「許可」が与えられる関門です。このチェックポイントでは、細胞のサイズが適切であるか、DNAに損傷がないか、S期に必要な準備が整っているかなどが確認されます。これらの条件が一つでも満たされない場合、細胞周期はG1期で一時停止し、問題が修復されるまでS期への進行は許可されません。

G1/Sチェックポイントを通過する際には、活性化したG1/S期サイクリン-CDK複合体が中心的な役割を果たします。この複合体は、細胞を積極的に増殖サイクルへと「コミット」させるスイッチを入れます。さらに、この複合体はS期に必要な因子を活性化し、DNA複製の開始を促します。また、G1期でS期およびM期サイクリンを分解していたAPCの活性がこの時期に低下することで、S期サイクリンやM期サイクリンが蓄積し、S期以降の進行に必要なCDK複合体が形成されていきます。

がんとの関連

G1期、特にG1/Sチェックポイントにおける調節機構の異常は、がんの発生や悪化と深く関連しています。G1期の制御が破綻すると、通常Rbタンパク質によって抑制されているE2F転写因子が活性化され、S期に必要な遺伝子（サイクリンなど）が過剰に発現します。これにより、細胞周期の進行が本来の制御から外れ、無制限な細胞増殖、すなわち腫瘍の形成へと繋がります。

このようなG1期制御のがんとの関連性から、一部のがん治療法では、意図的に細胞周期をG1期で停止させることで、がん細胞の増殖を抑制するアプローチが取られています。特に、乳がんや皮膚がんなど様々ながん種の治療において、G1期での細胞周期停止を誘導する薬剤が用いられ、がん細胞の分裂や拡散を防ぐことが期待されています。

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