G1期における細胞周期の調節、S期への移行

🧠 細胞周期は「サイクリンという期間限定の鍵」が「Cdkという錠」に挿さることで初めて回るシステムであり、G1期G1 phase G1期（G1 phase）G1 phase（G1期） の物語は「pRbという門番をどうやって外すか」に尽きる。 Cdk4,6-サイクリンD cyclin D サイクリンD（cyclin D） cyclin D（サイクリンD） 複合体がpRbをリン酸化すると、これに縛られていたE2F転写因子が解放されS期遺伝子群を起動する——この「制限点restriction point制限点（restriction point）restriction point（制限点）」を越えた瞬間、細胞はもう後戻りできず必ず分裂へ向かう。そして「阻害は常に優位（INHIBITION IS ALWAYS DOMINANT）」という原則が、CKIやWee1によるリン酸化がどれだけ活性化シグナルが強くても最終的に勝つことを保証している。

細胞周期の4相

真核生物の細胞周期は4つの明確な相からなる：G1・S・G2（まとめて間期interphase間期（interphase）interphase（間期）、interphaseと呼ばれる）とM相（有糸分裂と細胞質分裂 cytokinesis細胞質分裂（cytokinesis） cytokinesis（細胞質分裂））。周期全体の所要時間は約24時間であり、そのうち有糸分裂は約1時間を占める。

チェックポイント

細胞周期チェックポイントcell cycle checkpoint細胞周期チェックポイント（cell cycle checkpoint）cell cycle checkpoint（細胞周期チェックポイント）は、細胞が周期の進行を監視・調節するために用いる仕組みである。チェックポイントcheckpoint チェックポイント（checkpoint）checkpoint（チェックポイント） は損傷DNAの複製と、有糸分裂への早すぎる進入（あるいは退出）を防ぎ、DNA損傷が生じた場合には修復のための時間を与える。

チェックポイントcheckpoint チェックポイント（checkpoint）checkpoint（チェックポイント） は通常、細胞が各段階を通過する様子を監視・指示する調節タンパク質のネットワークからなる。

1. G1期G1 phase G1期（G1 phase）G1 phase（G1期） ：制限点 restriction point 制限点（restriction point） restriction point（制限点） ： 細胞周期を継続するか否かを決定する。「分裂促進刺激は十分に強いか？」
2. G1/S移行期： 環境が好適か、DNA複製を開始する前に十分な栄養素があるかを確認する。「複製の準備はできているか？」
3. G2/M移行期： 複製が完了しているか、有糸分裂に入るのに十分な大きさかを確認する
4. M期M phase M期（M phase）M phase（M期） ：紡錘体チェックポイント spindle assembly checkpoint 紡錘体チェックポイント（spindle assembly checkpoint） spindle assembly checkpoint（紡錘体チェックポイント） ： 中期と後期の間に生じる。有糸分裂紡錘体 mitotic spindle 紡錘体（mitotic spindle） mitotic spindle（紡錘体） が形成され（動原体centromere / kinetochore 動原体（centromere / kinetochore）centromere / kinetochore（動原体） に微小管が結合し）、全ての染色体が正しく結合しているかを、後期で2つの娘細胞へ分離する前に確認する

細胞周期制御系：サイクリンとCdk

• 細胞周期制御系は、DNA複製・有糸分裂・細胞質分裂cytokinesis 細胞質分裂（cytokinesis）cytokinesis（細胞質分裂） を開始/調節するタンパク質を活性化・不活性化することで細胞周期を調節する——これらのタンパク質のリン酸化・脱リン酸化dephosphorylation 脱リン酸化（dephosphorylation）dephosphorylation（脱リン酸化） により行われる
• 細胞周期の異なるプロテインキナーゼ protein kinase プロテインキナーゼ（protein kinase） protein kinase（プロテインキナーゼ） は、サイクリンと呼ばれるタンパク質によって細胞周期の異なる時期に活性化される→そのためこれらのキナーゼはサイクリン依存性プロテインキナーゼcyclin-dependent protein kinase (CDK)サイクリン依存性プロテインキナーゼ（cyclin-dependent protein kinase (CDK)）cyclin-dependent protein kinase (CDK)（サイクリン依存性プロテインキナーゼ）として知られる
• サイクリンはCdkに結合し、それらが細胞周期のうち自身のステージ Stage ステージ（Stage） Stage（ステージ） に存在する間のみ活性化する。他の細胞周期ステージ Stage ステージ（Stage） Stage（ステージ） では存在しない→異なるCdk-サイクリン複合体が細胞周期の異なるステージ Stage ステージ（Stage） Stage（ステージ） を引き起こす

Cdk活性の決定因子

活性化：

• サイクリンがCdkに結合すると、活性化補因子として働き、酵素の特異性にも影響する
• Cdk上のスレオニン threonine スレオニン（threonine） threonine（スレオニン） 残基のリン酸化もCdk活性に必要である。このリン酸化はCAK（Cdk活性化キナーゼ）により媒介される。CAKはCdk7とサイクリンHの2つだけでなく、RINGフィンガータンパク質MAT1を加えた三量体であり、標的はCdk1のThr161・Cdk2のThr160である¹

阻害：

• CKI（Cdk阻害タンパク質）の結合はCdk-サイクリン複合体を不活性化する
• Cdk上のチロシン残基 tyrosine residue チロシン残基（tyrosine residue） tyrosine residue（チロシン残基） とスレオニン threonine スレオニン（threonine） threonine（スレオニン） 残基の阻害性リン酸化も生じる。このリン酸化はWee1キナーゼが媒介し、Cdc25がホスファターゼとしてCdkを脱リン酸化 dephosphorylation 脱リン酸化（dephosphorylation） dephosphorylation（脱リン酸化） する→阻害性リン酸基 phosphate group リン酸基（phosphate group） phosphate group（リン酸基） を除去する

⚠️ 阻害性リン酸化を入れるキナーゼはWee1だけではない。 Cdk1（Cdc2）を止めているのはThr14とTyr15の2箇所のリン酸化だが、Wee1が付けるのはTyr15である。Thr14に特異的なキナーゼは膜結合性 membrane-bound 膜結合性（membrane-bound） membrane-bound（膜結合性） のMyt1（Wee1ファミリーの一員で、Thr14とTyr15の両方をリン酸化できる）であり、細胞抽出液ではMyt1が主要なThr14キナーゼである²。Cdc25はこの2つをまとめて外す。「Wee1がThr14も付ける」と覚えないこと。

⚠️ 阻害は常に優位（INHIBITION IS ALWAYS DOMINANT）。 どれだけ活性化シグナルが強くても、CKIの結合やWee1による阻害性リン酸化があればCdk-サイクリン複合体は不活性のままである——これは細胞周期が「安全側に倒れる」よう設計されていることを意味する。

CKI（サイクリン依存性キナーゼcyclin-dependent kinase (CDK) サイクリン依存性キナーゼ（cyclin-dependent kinase (CDK)）cyclin-dependent kinase (CDK)（サイクリン依存性キナーゼ） 阻害因子）のファミリー：

💡 CIP/KIPのCdk4,6-サイクリンD cyclin D サイクリンD（cyclin D） cyclin D（サイクリンD） に対する働きは「阻害」の一言では済まない。 p21CIP・p27KIP・p57KIP2は、cdk4とD型サイクリンの会合そのものを促進する（会合定数をp21で35倍、p27で80倍に高める）作用も併せ持つ³。つまりCIP/KIPはCdk2-サイクリンE/Aに対しては純粋な阻害因子だが、Cdk4,6-サイクリンD cyclin D サイクリンD（cyclin D） cyclin D（サイクリンD） に対しては組み立て因子として量を確保する側にも回る——INK4がCdk4,6専属の純粋な阻害因子であるのと対照的である。

細胞周期の主要ステップとその調節

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='growth factor'>成長因子</span>（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='mitogen'>マイトジェン</span>）が受容体に結合"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='signal transduction pathway'>シグナル伝達経路</span>が始動（MAPキナーゼカスケード）"]
  B --> C["G1サイクリン・Cdkが誘導され細胞が成長"]
  C --> D["G1 Cdk-サイクリン複合体がCKIを克服（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='restriction point'>制限点</span>）"]
  D --> E["pRbのリン酸化→E2F解放→S期遺伝子誘導"]
  E --> F["G1 CdkがS期CKI(p27)を不活性化→SPF解放"]
  F --> G["SPFが前<span class='jp-term jp-term-diagram' title='replication complex'>複製複合体</span>を活性化→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span>倍加開始"]

1. 成長因子growth factor 成長因子（growth factor）growth factor（成長因子） （マイトジェンmitogenマイトジェン（mitogen）mitogen（マイトジェン））が受容体に結合する
   • マイトジェンmitogen マイトジェン（mitogen）mitogen（マイトジェン） は細胞の成長・増殖を刺激する細胞外シグナルである
   • 存在しない場合、細胞はG1で停止し最終的にG0期に入る（一生そこに留まることもある）
   • 制限点restriction point制限点（restriction point）restriction point（制限点）という概念はここから来ている：多様な栄養不良で増殖を止めた正常細胞はいずれも同じ静止状態に入り、栄養が戻るとG1期 G1 phase G1期（G1 phase） G1 phase（G1期） の同じ一点から脱出する。悪性細胞はこの制限点 restriction point 制限点（restriction point） restriction point（制限点） 制御を失っており、だからこそ抗腫瘍薬 antineoplastic drug 抗腫瘍薬（antineoplastic drug） antineoplastic drug（抗腫瘍薬） の下で分裂周期のどこででもランダムに停止して死ぬ⁴
2. シグナル伝達経路signal transduction pathway シグナル伝達経路（signal transduction pathway）signal transduction pathway（シグナル伝達経路） が始動する（MAPキナーゼカスケード、44-structure-and-function-of-tyrosine-kinase-receptors-the-erkl-erk2-map-kinase参照）
3. G1サイクリンとCdkが誘導され、細胞が成長する
   • Cdk、サイクリンDcyclin DサイクリンD（cyclin D）cyclin D（サイクリンD）、E2F↑
   • CKI（Cdk阻害タンパク質）↓
4. G1 Cdk-サイクリン複合体が臨界点 critical point 臨界点（critical point） critical point（臨界点） に達し、CKIを克服する（制限点restriction point制限点（restriction point）restriction point（制限点））。複製に必要なタンパク質とS期サイクリンの誘導につながる
   • G1 Cdk（4,6）-サイクリンD cyclin D サイクリンD（cyclin D） cyclin D（サイクリンD） 複合体がE2F転写因子を活性化する
   • G1期G1 phase G1期（G1 phase）G1 phase（G1期） の間、E2Fは腫瘍抑制遺伝子 tumor suppressor genes腫瘍抑制遺伝子（tumor suppressor genes） tumor suppressor genes（腫瘍抑制遺伝子）pRb（網膜芽細胞腫タンパクretinoblastoma protein 網膜芽細胞腫タンパク（retinoblastoma protein）retinoblastoma protein（網膜芽細胞腫タンパク） 質）の結合により不活性に保たれている
   • G1 Cdk（4,6）がpRbをリン酸化すると、E2FとDP（TF）が解放され、S期のためのS期サイクリンを誘導できるようになる
   • E2Fにより転写される遺伝子には：ヌクレオチド・DNA合成酵素、複製タンパク質（ORC、MCM2-7、Cdc6、Cdt1、DNAポリメラーゼα、PCNA、チミジンキナーゼthymidine kinaseチミジンキナーゼ（thymidine kinase）thymidine kinase（チミジンキナーゼ）、チミジル酸thymidylate チミジル酸（thymidylate）thymidylate（チミジル酸） シンターゼ synthaseシンターゼ（synthase） synthase（シンターゼ））、周期のさらなる進行に関わるタンパク質（Cdk1、サイクリンA・E、Cdc25）、転写因子（B-Myb、c-myc、E2F）が含まれる
5. G1 CdkがS期CKIを不活性化し、SPF（S期促進因子）が阻害から解放される（リン酸化されたCKIはユビキチン化 ubiquitination ユビキチン化（ubiquitination） ubiquitination（ユビキチン化） され分解される）
   • G1/S Cdk（2）-サイクリンE複合体は、S Cdk（2）-サイクリンA複合体のCKI（p27）をリン酸化でき、これによりp27がユビキチン化 ubiquitination ユビキチン化（ubiquitination） ubiquitination（ユビキチン化） され最終的に分解される
   • 結果として活性型のS Cdk（2）-サイクリンA複合体＝S期促進因子が生じる
6. SPFが（すでにDNAに結合している）前複製複合体 replication complex 複製複合体（replication complex） replication complex（複製複合体） を活性化する
7. DNAが倍加を開始する
8. MPF（M期M phase M期（M phase）M phase（M期） 促進因子）は複製と細胞成長が完了するまで不活性のままである（続きは50-regulation-of-the-cell-cycle-in-the-g2-and-m-phases参照）

⭐ このG1経路はそのまま抗癌薬 anticancer drug 抗癌薬（anticancer drug） anticancer drug（抗癌薬） の標的になっている。 Cdk4,6-サイクリンD cyclin D サイクリンD（cyclin D） cyclin D（サイクリンD） →pRbリン酸化→E2F解放という軸を止めるのがCDK4/6阻害薬CDK4/6 inhibitorCDK4/6阻害薬（CDK4/6 inhibitor）CDK4/6 inhibitor（CDK4/6阻害薬）（パルボシクリブpalbociclib パルボシクリブ（palbociclib）palbociclib（パルボシクリブ） 等）である。未治療のエストロゲン受容体 estrogen receptor (ER) エストロゲン受容体（estrogen receptor (ER)） estrogen receptor (ER)（エストロゲン受容体） 陽性・HER2HER2（human epidermal growth factor receptor 2）陰性進行乳癌 advanced breast cancer 進行乳癌（advanced breast cancer） advanced breast cancer（進行乳癌） の第3相試験（PALOMA-2）で、パルボシクリブpalbociclib パルボシクリブ（palbociclib）palbociclib（パルボシクリブ） ＋レトロゾール letrozole レトロゾール（letrozole） letrozole（レトロゾール） は無増悪生存期間 progression-free survival, PFS 無増悪生存期間（progression-free survival, PFS） progression-free survival, PFS（無増悪生存期間） 中央値を24.8か月とし、レトロゾールletrozole レトロゾール（letrozole）letrozole（レトロゾール） 単独の14.5か月を上回った（ハザード比hazard ratio ハザード比（hazard ratio）hazard ratio（ハザード比） 0.58）⁵。副作用として骨髄抑制が多いのは、増殖の速い造血細胞も同じG1の関門を使っているためである。

まとめ

• 真核細胞eukaryote 真核細胞（eukaryote）eukaryote（真核細胞） 周期はG1・S・G2・M（＋休止期 telogen (phase) 休止期（telogen (phase)） telogen (phase)（休止期） G0）からなり、制限点restriction point 制限点（restriction point）restriction point（制限点） （G1）・G1/S・G2/M・紡錘体チェックポイントspindle assembly checkpoint 紡錘体チェックポイント（spindle assembly checkpoint）spindle assembly checkpoint（紡錘体チェックポイント） （M）という4つのチェックポイント checkpoint チェックポイント（checkpoint） checkpoint（チェックポイント） により進行が監視される。
• 細胞周期はサイクリン依存性キナーゼ cyclin-dependent kinase (CDK) サイクリン依存性キナーゼ（cyclin-dependent kinase (CDK)） cyclin-dependent kinase (CDK)（サイクリン依存性キナーゼ） とサイクリンの組み合わせ（G1：Cdk4,6-サイクリンD cyclin DサイクリンD（cyclin D） cyclin D（サイクリンD）、G1/S：Cdk2-サイクリンE、S：Cdk2-サイクリンA=SPF、G2/M：Cdk1-サイクリンB=MPF）により駆動され、CAK（Cdk7-サイクリンH-MAT1）によるThr160/161の活性化リン酸化と、CKIの結合およびWee1（Tyr15）・Myt1（Thr14＋Tyr15）による阻害性リン酸化のバランスで制御される（阻害が常に優位）。
• 成長因子growth factor 成長因子（growth factor）growth factor（成長因子） 刺激→G1 Cdk-サイクリンD cyclin D サイクリンD（cyclin D） cyclin D（サイクリンD） の誘導→pRbリン酸化によるE2F解放→S期遺伝子転写→SPF活性化→前複製複合体 replication complex 複製複合体（replication complex） replication complex（複製複合体） の起動という一連の流れがG1からS期への移行を駆動する。