G2期

細胞周期のG2期

細胞周期は、細胞が成長し、DNAを複製し、そして分裂して二つの新しい細胞を形成する一連の段階です。その中でG2期（Gap 2 phase）は、DNA複製が完了したS期の後に続く期間であり、細胞が実際の分裂（有糸分裂）を開始する直前の、間期における最後の段階にあたります。この時期は、有糸分裂の始まりを示す前期の開始とともに終結します。

G2期は、細胞が有糸分裂に向けた最終準備を行う、非常に重要な期間です。この段階では、細胞は急速な成長を続け、分裂に必要な様々なタンパク質やオルガネラを合成します。これにより、細胞は次の分裂に適したサイズと状態に達します。ただし、G2期はすべての細胞種に必須の過程ではありません。例えば、アフリカツメガエルの初期胚細胞や一部のがん細胞では、DNA複製が完了するとすぐに有糸分裂へ移行することが知られています。

G2期を経て有糸分裂へと進行するための細胞内メカニズムについては、遺伝子レベルでの制御ネットワークに関する多くの知見が集積されています。しかし、この期間の正確な生理的意義や、特に細胞サイズの制御機構、およびそれらががんの発症や進行にどのように関わるのかといった点については、まだ多くの未解明な部分が残されています。細胞サイズの制御に関しては、分裂酵母においては特定のタンパク質（Cdr2）を介した別のタンパク質（Wee1）の働きが関わることが示されていますが、細胞サイズを制御する一般的な機構はまだ明らかになっていません。

G2期終結と有糸分裂開始の制御

G2期の終了、すなわち有糸分裂の開始は、成熟促進因子（MPF）としても知られる活性化されたサイクリンB1/CDK1複合体の量が一定の閾値に達することによって決定されます。この複合体は、中心体の分離、核膜の分解、紡錘体の形成といった、有糸分裂の初期に起こる不可逆的な出来事の引き金となります。脊椎動物には複数のサイクリンBアイソフォームが存在しますが、有糸分裂開始におけるそれぞれの特異的な役割についてはまだ不明です。しかし、あるアイソフォームが欠損しても、別のアイソフォームがその機能を補償することが示唆されています。

活性型サイクリンB1/CDK1複合体の活動は、G2期を通じて厳密に調節されています。この複合体の活性化には、複数の酵素の働きが関与しています。主に核に存在するキナーゼであるWee1や、小胞体膜に存在するMyt1といった酵素は、CDK1の特定の部位をリン酸化することで、サイクリンB1/CDK1複合体を不活性な状態に保ちます。一方、Cdc25ファミリーのホスファターゼは、これらの阻害的なリン酸基を取り除くことで、複合体を完全に活性化されたMPFへと変換します。

興味深いことに、活性化されたサイクリンB1/CDK1複合体自身が、これらの調節酵素の活性に影響を与えます。活性型CDK1はWee1の活性を抑制し、Cdc25の活性を促進します。これにより、CDK1はCdc25との間で自身をさらに活性化するポジティブフィードバックループを形成し、Wee1とは抑制的な関係を持ちつつも全体としてポジティブフィードバックに寄与します。

スイッチ的な細胞周期移行

このような自己増幅的なフィードバック回路により、サイクリンB1の濃度変化に対し、CDK1の活性はスイッチのように急激に変化する双安定性という性質を示します。これは、サイクリンB1の濃度が一定の範囲にあるとき、間期に対応する低活性状態と、M期に対応する高活性状態という、二つの安定した状態が存在することを意味します。この双安定性により、細胞の状態はサイクリンB1の濃度だけでなく、その細胞が以前に間期状態にあったか、それともM期状態にあったかという履歴にも依存する「ヒステリシス」効果が生じます。M期への移行が起こるサイクリンB1の閾値濃度は、M期を維持するために必要な最低濃度よりも高いことが実験的にも示されています。

このG2期からM期への双安定性スイッチは、細胞周期の正確な進行にとって生理学的に極めて重要です。まず、有糸分裂の開始は染色体凝縮や核膜崩壊など、細胞形態に大きな変化をもたらす不可逆的なプロセスを伴います。これらの過程が中間的な状態にとどまらず、迅速かつ決定的に進行するためには、CDK1活性のスイッチ的なオンオフが必要です。双安定性により、活性化の閾値を超えると細胞は迅速にM期状態へ切り替えることができます。

次に、細胞周期は一方向に進行することが重要であり、ノイズによって間期とM期の間を行ったり来たりするべきではありません。双安定性はこの課題を解決します。一度M期状態に移行すれば、サイクリンBの濃度が多少低下しても間期に逆戻りすることはありません。

最後に、細胞周期を継続するためには、サイクリンB1/CDK1活性が振動する必要があります。CDK1はAPC/Cを活性化してサイクリンBを分解させ、自身の活性を下げるネガティブフィードバックも形成しますが、単純なネガティブフィードバックだけでは振動は減衰してしまいます。しかし、双安定性を持つポジティブフィードバックと組み合わせることで、細胞周期に必要な持続的な振動（弛張発振）が生じることがモデル研究から示唆されています。

このポジティブフィードバックループを開始させる「引き金」としては、サイクリンA2/CDK複合体が重要な役割を果たす可能性が近年示されています。サイクリンA2/CDK2複合体の活性はS期に現れ始め、G2期を通じて増加し、Wee1を抑制しCdc25を活性化することでサイクリンB1/CDK1の活性化を促進すると考えられています。

場所的調節とDNA損傷チェックポイント

サイクリンB1/CDK1の活性化には、タンパク質の細胞内での局在変化も寄与します。不活性なサイクリンB1/CDK1複合体は細胞質に留まりますが、前期に入ると急速に核へ移行し、核膜の分解などの過程を促進します。この核移行は、サイクリンB1の特定のリン酸化によって促進され、核外輸送シグナルのリン酸化によって抑制されることが知られています。Cdc25も前期に細胞質から核へ移動します。これらの主要な調節因子の核移行が協調することで、核内の実効的なタンパク質濃度が高まり、移行のスイッチ的な性質がさらに強まると考えられています。

細胞は、DNAに損傷が生じたり、DNA複製が不完全に終わったりした場合、損傷を持ったまま分裂が進むのを防ぐため、G2期からM期への移行を遅らせる強力なチェックポイント機構を備えています。DNA損傷はATMやATRといったキナーゼによって検出され、下流のChk1キナーゼを活性化します。活性化されたChk1はCdc25を不活性化し、さらにCdc25の核外輸送を促進することで、CDK1の活性化を阻害します。これにより、M期移行に必要なサイクリンB1の閾値が高くなり、細胞は損傷が修復されるまで効率的にG2期に留まります。

また、G2期での停止を長時間維持するには、DNA損傷応答によって安定化されるがん抑制遺伝子p53が重要な役割を果たします。p53は、CDK1を直接阻害するp21、Gadd45、14-3-3σといった遺伝子の発現を誘導します。p21はサイクリンB1/CDK1複合体を不活性な状態で核内に留め、14-3-3σは活性型複合体を細胞質に隔離します。Gadd45はCDK1と相互作用してサイクリンB1との結合を阻害します。さらに、p53はCDK1自体の転写も抑制します。

医学的な意義

G2期からM期への移行を制御する様々な遺伝子の変異は、多くの種類のがんの発症や進行に関与していることが示唆されています。例えば、サイクリンBやCDK1の過剰な発現は、多くの場合p53のようながん抑制遺伝子の機能喪失と関連して、細胞の異常な増殖を引き起こします。これらの過剰な活性は、薬理学的なCDK1阻害剤や、siRNAを用いたサイクリンB1の発現抑制によって実験的に軽減できる可能性があります。

化学療法においては、G2期からM期への移行調節を標的とするアプローチが検討されています。DNA損傷を引き起こす薬剤と組み合わせることで、G2/Mチェックポイントを操作し、がん細胞の感受性を高める試みが行われています。例えば、Chk1阻害剤を用いてチェックポイントを回避すると、損傷を受けたがん細胞がそのまま分裂に進み、有害な変異が蓄積してアポトーシスが誘導されることが示されています。逆に、G2期での停止を意図的に延長させることで、特定の化学療法薬の細胞毒性を高められるという報告もあります。これらのアプローチは、現在まだ臨床試験や前臨床研究の段階にあります。

細胞周期のG2期は、正確な細胞分裂のために不可欠な最終準備期間であり、その厳密な制御機構は生命の維持に必須です。この複雑なネットワークの理解は、正常な細胞機能の解明だけでなく、がんのような疾患の病態解明や新たな治療法の開発にも繋がります。

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