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細胞周期(さいぼうしゅうき; cell cycle)とは、細胞分裂で生じた娘細胞が、再び母細胞となって再び細胞分裂を行い、新しい娘細胞になるまでの過程のことをいう。主に出芽酵母(S.Cerevisiae)や分裂酵母(S.Pombe)の温度感受性変異株を用いた研究でその制御機構が明らかにされた。

細胞周期は、光学顕微鏡での観察に基づき、M期(M phase)と間期(interphase)に分けられる。以下、これらについて説明する。

◆ M期

M期には、有糸分裂(mitosis)と細胞質分裂(cytokinesis)が行われる。有糸分裂は、ほとんどの細胞において約1時間程度で終了する。

有糸分裂は、染色(stain)された染色体(chromosome)の動態の光学顕微鏡での観察に基づいて、前期・前中期・中期・後期・終期に分けられる。

前期では、染色体の凝縮が起こり、この時期に染色体が顕微鏡下で観察されるようになる。中期にはいると、核膜が消失し、染色体が赤道面上に並ぶ。紡錘体もこの時期に完成を見る。後期では、セントロメア付近で結合していた姉妹染色体が、紡錘体に引っ張られるような形で、分離し、極方向に移動を開始する。終期では凝集した染色体がほどかれ、核膜が再形成される。また、この時期から細胞質分裂が始まり、細胞分裂が終了する。

◆ 間期

細胞が分裂し、生じた娘細胞が再び有糸分裂を開始するまでの間、つまりM期と次のM期の間を間期(interphase)と呼び、細胞の成長や物質の生合成や代謝など細胞としての機能はこの時期に行われる。

間期は、放射性同位体(RI, radio isotope)を用いて同調細胞のDNA合成を経時的に追跡することで、さらに、G1期、S期、G2期から構成されることが明らかになった。S期にはDNAの複製およびヒストンの合成が行われ染色体の倍加が行われる。M期の終了からS期の開始までの期間をG1期、S期の終了からM期までをG2期と呼ぶ。分裂をしない細胞はS期へと移行せず、G0期と呼ばれる静止期に入り、G1期と類似の状態に留まる。

◆ 細胞周期の調節

◇ 細胞周期エンジン Cdk/サイクリン複合体

細胞周期を逆行したり、同じphaseを繰り返したりしないように、細胞周期の進行は、Cdk(cyclin-dependent kinase, サイクリン依存性キナーゼ)とサイクリン(cyclin)の複合体によって制御されている。Cdk/サイクリン複合体は、細胞周期を前に進めることから、細胞周期エンジン(cell cycle engine)と呼ばれる。どのphaseから先に進むかによって、必要とされるCdk/サイクリン複合体が異なる。G1期からS期へ進むにはCdk2/Cyclin E複合体、S期からG2期への進行にはCdk2/Cyclin A複合体、G2期からM期への移行にはCdc2/Cyclin B複合体の活性が必要である。必要なときに必要な複合体のみ活性化するために、細胞内では、各サイクリンの転写の制御やユビキチン依存的な分解、Cdkはリン酸化・脱リン酸化などの修飾による活性の制御が行われている。

◇ 細胞周期チェックポイント

正常な細胞分裂を保障するために、G1/S期など重要なところで細胞周期の進行を正常に行えるか監視するポイントがあり、これを細胞周期チェックポイント機構という。これに関しては「細胞周期チェックポイント」の項に詳しいので、本項では概略のみ示す。

細胞周期チェックポイントは、DNA未複製チェックポイント、紡錘体集合チェックポイント、染色体分離チェックポイント、DNA損傷チェックポイントからなる。

・ DNA未複製チェックポイント

・: DNA未複製チェックポイントは、DNAの複製が完了して分裂期へと進む準備が整っているかを監視している。DNAの複製が未完了であると、ATR-Chk1依存的にM期への移行に必要なCdk/サイクリン複合体の活性化を阻害し、細胞周期を停止させる。

・ 紡錘体集合チェックポイント

・: 紡錘体集合チェックポイントは、M期後期で、紡錘体の形成が正常で分裂期の後期に移行できる状況かをチェックしている。紡錘体の形成に失敗していると、Mad2が微小管と結合していない動原体依存的に活性化され、分裂後期開始に必要なCdc20の活性を阻害し、染色体の分裂を停止する。

・ 染色体分離チェックポイント

・: 染色体分離チェックポイントは、M期終期に、正常な染色体分配がなされたかをチェックしている。染色体分配に失敗していると、Cdc2/Cyclin B複合体が活性を失わず、細胞質分裂に移れない。

・ DNA損傷チェックポイント

・: DNA損傷チェックポイントは、G1期、G1/S期、S期、G2/M期で働き、DNAに損傷も変異もない正常なDNA合成を保障している。この機構は、ATM/ATRがそれ自身によってか、あるいはその他の因子によって、DNA損傷を認識することによって活性化され、これが下流のChk1/2やp53、Baxなどを活性化することによって、DNA修復やアポトーシス、老化などによって、望まれない遺伝情報の喪失や細胞のがん化を防いでいる。

◆ 引用文献

◆ 関連項目

・ 細胞

・ 有糸分裂

・ 細胞質分裂

・ 細胞周期チェックポイント

・ 染色体

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