المرحلة G 0

تم توصيف النسخ الجينية لأنواع عديدة من الخلايا الجذعية الساكنة، مثل الخلايا المكونة للدم، والخلايا العضلية، وخلايا بصيلات الشعر، باستخدام تقنيات عالية الإنتاجية ، مثل المصفوفات الدقيقة وتسلسل الحمض النووي الريبوزي . على الرغم من وجود اختلافات في النسخ الجينية الفردية، فإن معظم الخلايا الجذعية النسيجية الساكنة تشترك في نمط تعبير جيني مشترك يتضمن انخفاضًا في تنظيم جينات تقدم دورة الخلية، مثل السيكلين A2 ، والسيكلين B1 ، والسيكلين E2 ، والسرفيفين ، وارتفاعًا في تنظيم الجينات المشاركة في تنظيم النسخ ومصير الخلية الجذعية، مثل FOXO3 و EZH1 . كما يعكس انخفاض مستوى السيتوكروم C الميتوكوندري انخفاض الحالة الأيضية للخلايا الجذعية الساكنة. ^{[ 11 ]}

تتشابه العديد من الخلايا الجذعية الخاملة، وخاصة الخلايا الجذعية البالغة ، في أنماطها فوق الجينية . فعلى سبيل المثال، يُعدّ كل من H3K4me3 و H3K27me3 نمطين رئيسيين لمثيلة الهيستون ، يشكلان نطاقًا ثنائي التكافؤ ويقعان بالقرب من مواقع بدء النسخ. وقد وُجد أن هذه المؤشرات فوق الجينية تنظم تحديد السلالة في الخلايا الجذعية الجنينية، كما تتحكم في حالة السكون في الخلايا الجذعية لبصيلات الشعر والعضلات عبر تعديل الكروماتين . ^{[ 11 ]}

تُعدّ جينات كبح الأورام الوظيفية ، وخاصةً جين p53 وجين Rb ، ضروريةً للحفاظ على سكون الخلايا الجذعية ومنع استنفاد مخزون الخلايا السلفية من خلال الانقسامات المفرطة. على سبيل المثال، ثبت أن حذف جميع مكونات عائلة بروتينات Rb الثلاثة يُوقف سكون الخلايا الجذعية المكونة للدم. كما ثبت أن نقص p53 يمنع تمايز هذه الخلايا الجذعية بسبب عدم قدرتها على الخروج من دورة الخلية إلى طور G0 _. بالإضافة إلى p53 وRb، تُعدّ مثبطات كينازات السيكلين المعتمدة (CKIs)، مثل p21 و p27 و p57 ، مهمةً أيضًا للحفاظ على السكون. في الخلايا الجذعية المكونة للدم في الفئران، يؤدي تعطيل p57 وp27 إلى الخروج من طور G0 _من خلال دخول السيكلين D1 إلى النواة وما يتبعه من فسفرة Rb. أخيرًا، ثبت أن مسار إشارات Notch يلعب دورًا مهمًا في الحفاظ على السكون. ^{[ 11 ]}

ثبت أن تنظيم التعبير الجيني بعد النسخ عبر تخليق الحمض النووي الريبوزي الميكروي (miRNA) يلعب دورًا بالغ الأهمية في الحفاظ على حالة سكون الخلايا الجذعية. ترتبط خيوط الحمض النووي الريبوزي الميكروي بالمنطقة غير المترجمة 3′ ( 3′ UTR ) للحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA ) المستهدف ، مما يمنع ترجمته إلى بروتينات وظيفية. يحدد طول المنطقة غير المترجمة 3′ للجين قدرته على الارتباط بخيوط الحمض النووي الريبوزي الميكروي، وبالتالي يسمح بتنظيم حالة السكون. من أمثلة الحمض النووي الريبوزي الميكروي في الخلايا الجذعية: miR-126، الذي يتحكم في مسار PI3K/AKT/mTOR في الخلايا الجذعية المكونة للدم، وmiR-489، الذي يثبط جين DEK الورمي في الخلايا الجذعية العضلية، وmiR-31، الذي ينظم Myf5 في الخلايا الجذعية العضلية. يسمح احتجاز الحمض النووي الريبوزي الميكروي للحمض النووي الريبوزي الرسول داخل معقدات البروتين النووي الريبوزي للخلايا الساكنة بتخزين الحمض النووي الريبوزي الرسول اللازم للدخول السريع في طور G1 . ^{[ 11 ]}

غالباً ما تواجه الخلايا الجذعية التي ظلت في حالة سكون لفترة طويلة ضغوطاً بيئية متنوعة، مثل الإجهاد التأكسدي . ومع ذلك، توجد آليات عديدة تُمكّن هذه الخلايا من الاستجابة لهذه الضغوط. فعلى سبيل المثال، تستجيب عوامل النسخ FOXO لوجود أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، بينما يستجيب كل من HIF1A و LKB1 لنقص الأكسجين . وفي الخلايا الجذعية المكونة للدم، يتم تحفيز الالتهام الذاتي استجابةً للإجهاد الأيضي. ^{[ 11 ]}

الخلايا الجذعية هي خلايا تتميز بقدرتها الفريدة على إنتاج خلايا ابنة متمايزة والحفاظ على هويتها كخلايا جذعية من خلال التجديد الذاتي. ^{[ 12 ]} في الثدييات، تحتوي معظم أنسجة البالغين على خلايا جذعية خاصة بكل نسيج، تتواجد فيه وتتكاثر للحفاظ على التوازن الداخلي طوال حياة الكائن الحي. يمكن لهذه الخلايا أن تخضع لتكاثر هائل استجابةً لتلف الأنسجة قبل أن تتمايز وتبدأ في عملية التجديد. توجد بعض الخلايا الجذعية النسيجية في حالة سكون قابلة للعكس إلى أجل غير مسمى حتى يتم تنشيطها بواسطة محفزات خارجية. هناك أنواع عديدة من الخلايا الجذعية النسيجية، بما في ذلك الخلايا الجذعية العضلية ، والخلايا الجذعية العصبية ، والخلايا الجذعية المعوية ، وغيرها الكثير.

أُشير مؤخرًا إلى أن سكون الخلايا الجذعية يتألف من مرحلتين وظيفيتين متميزتين، هما G0 _ومرحلة "التأهب" المسماة G1 _Alert . ^{[ 13 ]} يُعتقد أن الخلايا الجذعية تنتقل بنشاط وبشكل عكسي بين هاتين المرحلتين للاستجابة لمحفزات الإصابة، ويبدو أنها تكتسب وظيفة تجديد الأنسجة بشكل مُعزز في مرحلة G1 _Alert . لذا، اقتُرح الانتقال إلى مرحلة G1 _Alert كاستجابة تكيفية تُمكّن الخلايا الجذعية من الاستجابة السريعة للإصابة أو الإجهاد عن طريق تهيئتها لدخول دورة الخلية. في الخلايا الجذعية العضلية، حُدد نشاط mTORC1 للتحكم في الانتقال من _G0 إلى G1 _Alert ، بالإضافة إلى الإشارات عبر مستقبل HGF، cMet . ^{[ 13 ]}

على الرغم من أن حالة السكون القابلة للعكس تُعدّ بالغة الأهمية للخلايا الجذعية للأنسجة للاستجابة السريعة للمؤثرات والحفاظ على التوازن الداخلي والتجدد، إلا أن مراحل G0 القابلة للعكس _قد توجد في خلايا غير جذعية مثل خلايا الكبد الناضجة. ^{[ 14 ]} عادةً ما تكون خلايا الكبد في حالة سكون في الكبد السليم، ولكنها تخضع لتكاثر محدود (أقل من انقسامين خلويين) أثناء تجدد الكبد بعد استئصال جزئي له. مع ذلك، في بعض الحالات، قد تشهد خلايا الكبد تكاثرًا هائلًا (أكثر من 70 انقسامًا خلويًا)، مما يشير إلى أن قدرتها على التكاثر لا تتأثر بوجودها في حالة سكون قابلة للعكس. ^{[ 14 ]}

غالباً ما ترتبط الخلايا الهرمة بالشيخوخة والأمراض المرتبطة بها في الجسم الحي، ويمكن العثور عليها في العديد من الأنسجة المتجددة، بما في ذلك النسيج الضام ، والأوعية الدموية ، والجهاز المكون للدم ، والعديد من الأعضاء الظهارية . وتنتج هذه الخلايا عن تراكمها عبر انقسامات خلوية متعددة، وغالباً ما تُلاحظ في الأنماط الظاهرية التنكسية المرتبطة بالعمر. وقد وُجد أن الخلايا الليفية الهرمة في نماذج وظائف خلايا ظهارة الثدي تُعطّل إنتاج بروتين الحليب نتيجة إفرازها لإنزيمات الماتريكس المعدنية . ^{[ 15 ]} وبالمثل، تسببت خلايا العضلات الملساء الهرمة في الشريان الرئوي في تكاثر خلايا العضلات الملساء المجاورة وهجرتها، مما قد يُساهم في تضخم الشرايين الرئوية، وفي النهاية ارتفاع ضغط الدم الرئوي. ^{[ 16 ]}

أثناء تكوين العضلات الهيكلية ، تتمايز الخلايا السلفية الدورية، المعروفة باسم الخلايا العضلية الأولية ، وتندمج معًا لتكوين خلايا عضلية غير دورية تُسمى الخلايا العضلية، والتي تبقى في طور G0 النهائي _. [ ^{17 ] ونتيجة} لذلك، فإن الألياف التي تُكوّن العضلات الهيكلية (الألياف العضلية) هي خلايا متعددة النوى، تُسمى النوى العضلية، حيث أن كل نواة عضلية تنشأ من خلية عضلية أولية واحدة. وتستمر خلايا العضلات الهيكلية في توفير قوة انقباضية إلى أجل غير مسمى من خلال الانقباضات المتزامنة لهياكل خلوية تُسمى الساركوميرات . ومن المهم أن هذه الخلايا تبقى في طور G0 النهائي، _لأن تعطيل بنية ألياف العضلات بعد تكوين الألياف العضلية سيمنع النقل السليم للقوة عبر طول العضلة. ويمكن تحفيز نمو العضلات عن طريق النمو أو الإصابة، ويتضمن ذلك استقطاب الخلايا الجذعية العضلية - المعروفة أيضًا باسم الخلايا الساتلية - من حالة سكون قابلة للعكس. وتتمايز هذه الخلايا الجذعية وتندمج لتوليد ألياف عضلية جديدة بالتوازي والتسلسل لزيادة قدرة توليد القوة.

تتكون عضلة القلب أيضًا من خلال عملية تكوين العضلات، ولكن بدلًا من استقطاب الخلايا الجذعية للاندماج وتكوين خلايا جديدة، فإن خلايا عضلة القلب - المعروفة باسم الخلايا العضلية القلبية - تزداد في الحجم ببساطة مع نمو القلب. ومثل العضلات الهيكلية، إذا اضطرت الخلايا العضلية القلبية إلى الاستمرار في الانقسام لإضافة نسيج عضلي، فإن البنى الانقباضية الضرورية لوظيفة القلب ستتعطل.

من بين الأنواع الأربعة الرئيسية لخلايا العظام، تُعدّ الخلايا العظمية (الأوستيسيتات) الأكثر شيوعًا، وتوجد أيضًا في المرحلة G0 النهائية _. تنشأ الخلايا العظمية من الخلايا البانية للعظم (الأوستيوبلاستات) المحصورة داخل مادة خارج خلوية تُفرزها بنفسها. ورغم انخفاض نشاطها التركيبي، إلا أن الخلايا العظمية لا تزال تؤدي وظائف العظام إلى جانب بناء هيكلها. وتعمل الخلايا العظمية من خلال آليات استشعار ميكانيكية متنوعة للمساعدة في عملية التجديد الروتيني للمادة العظمية.

باستثناء بعض المواقع العصبية المتخصصة في الدماغ، تكون معظم الخلايا العصبية متمايزة تمامًا وتستقر في طور G0 النهائي _. تُشكّل هذه الخلايا العصبية المتمايزة تمامًا نقاط تشابك عصبي ، حيث تنتقل الإشارات الكهربائية عبر المحاور إلى التغصنات العصبية للخلايا المجاورة. في هذه الحالة G0 _، تستمر الخلايا العصبية في العمل حتى الشيخوخة أو الموت المبرمج. وقد أشارت العديد من الدراسات إلى تراكم تلف الحمض النووي مع التقدم في العمر، وخاصة التلف التأكسدي ، في دماغ الثدييات . ^{[ 18 ]}

اكتُشف لأول مرة أن بروتين Rim15 يلعب دورًا حاسمًا في بدء الانقسام الاختزالي في خلايا الخميرة ثنائية المجموعة الكروموسومية . في ظل ظروف انخفاض مستويات الجلوكوز والنيتروجين، وهما عنصران غذائيان أساسيان لبقاء الخميرة، تبدأ خلايا الخميرة ثنائية المجموعة الكروموسومية الانقسام الاختزالي من خلال تنشيط جينات خاصة بالانقسام الاختزالي المبكر (EMGs). يُنظَّم التعبير عن هذه الجينات بواسطة بروتين Ume6. يقوم Ume6 بتجنيد إنزيمات نزع أسيتيل الهيستون ، Rpd3 وSin3، لكبح التعبير عن جينات EMG عندما تكون مستويات الجلوكوز والنيتروجين مرتفعة، بينما يقوم بتجنيد عامل النسخ Ime1 الخاص بجينات EMG عندما تكون مستويات الجلوكوز والنيتروجين منخفضة. يُزيح بروتين Rim15، الذي سُمِّيَ بهذا الاسم لدوره في تنظيم جين EMG يُسمى IME2، كلاً من Rpd3 وSin3، مما يسمح لـ Ume6 بنقل Ime1 إلى محفزات جينات EMG لبدء الانقسام الاختزالي. ^{[ 19 ]}

بالإضافة إلى دوره في بدء الانقسام الاختزالي، ثبت أن Rim15 عاملٌ حاسمٌ لدخول خلايا الخميرة إلى طور G0 _في وجود الإجهاد. تتلاقى إشارات من مسارات إشارات غذائية متعددة على Rim15، الذي يُنشّط عوامل النسخ Gis1 وMsn2 وMsn4. يرتبط Gis1 بالمحفزات التي تحتوي على عناصر تحول النمو بعد الانقسام الثنائي (PDS) ويُنشّطها، بينما يرتبط Msn2 وMsn4 بالمحفزات التي تحتوي على عناصر الاستجابة للإجهاد (STREs) ويُنشّطانها . على الرغم من عدم وضوح كيفية تنشيط Rim15 لـ Gis1 وMsn2/4، إلا أن هناك بعض التكهنات بأنه قد يُفسفرها مباشرةً أو يُشارك في إعادة تشكيل الكروماتين. كما وُجد أن Rim15 يحتوي على نطاق PAS في طرفه الأميني ، مما يجعله عضوًا مُكتشفًا حديثًا في عائلة كيناز PAS . يُعد نطاق PAS وحدة تنظيمية لبروتين Rim15، وقد يلعب دورًا في استشعار الإجهاد التأكسدي في الخميرة. ^{[ 19 ]}

يُعزز الانتقال من طور G1 _إلى طور S تعطيل بروتين Rb من خلال فرط فسفرته التدريجي بواسطة معقدات Cyclin D/Cdk4 و Cyclin E /Cdk2 في أواخر طور _G1 . وقد أشارت ملاحظة مبكرة إلى أن فقدان Rb يُعزز إعادة دخول الخلايا في طور G0 إلى دورة _الخلية ، مما يوحي بأن Rb ضروري أيضًا لتنظيم الانتقال من طور G0 _إلى طور G1 _في الخلايا الساكنة. ^{[ 20 ]} وكشفت ملاحظات أخرى أن مستويات mRNA لبروتين cyclin C تكون في أعلى مستوياتها عندما تخرج الخلايا البشرية من طور G0 _، مما يُشير إلى أن cyclin C قد يُشارك في فسفرة Rb لتعزيز إعادة دخول الخلايا المتوقفة في طور G0 إلى دورة الخلية _. وأظهرت فحوصات كيناز الترسيب المناعي أن cyclin C يمتلك نشاط كيناز Rb. علاوة على ذلك، وعلى عكس السيكلينات D وE، يكون نشاط كيناز Rb الخاص بالسيكلين C في أعلى مستوياته خلال المرحلة G1 المبكرة _، وفي أدنى مستوياته خلال المرحلتين G1 المتأخرة _و S، مما يشير إلى احتمالية مشاركته في الانتقال من المرحلة G0 _إلى المرحلة G1 _. وقد أكد استخدام فرز الخلايا المنشط بالفلورة لتحديد خلايا G0 _، التي تتميز بنسبة عالية من الحمض النووي DNA إلى الحمض النووي RNA مقارنةً بخلايا G1 _، الشكوك حول دور السيكلين C في تعزيز الخروج من المرحلة G0 _، حيث أدى تثبيط السيكلين C الداخلي بواسطة RNAi في خلايا الثدييات إلى زيادة نسبة الخلايا المتوقفة في المرحلة G0 _. وأظهرت تجارب أخرى تضمنت طفرة في Rb عند مواقع فسفرة محددة أن فسفرة السيكلين C لـ Rb عند الموقعين S807/811 ضرورية للخروج من المرحلة G0 _. ومع ذلك، لا يزال من غير الواضح ما إذا كان نمط الفسفرة هذا كافيًا للخروج من المرحلة _G0 . أخيرًا، كشفت فحوصات الترسيب المناعي المشترك أن كيناز 3 المعتمد على السيكلين (cdk3) يُعزز الخروج من طور G0 _عن طريق تكوين مُركب مع السيكلين C لفسفرة بروتين Rb عند الموقعين S807/811. ومن المثير للاهتمام أن الموقعين S807/811 هما أيضًا هدفان لفسفرة السيكلين D/cdk4 أثناء الانتقال من طور G1 _إلى طور S. قد يُشير هذا إلى تعويض مُحتمل لنشاط cdk3 بواسطة cdk4، خاصةً في ضوء مُلاحظة أن الخروج من طور G0 _يتأخر فقط، وليس مُثبطًا بشكل دائم، في الخلايا التي تفتقر إلى cdk3 ولكنها تعمل بشكل سليم في cdk4. على الرغم من تداخل أهداف الفسفرة، يبدو أن cdk3 لا يزال ضروريًا للانتقال الأكثر فعالية من طور G0 _إلى طور _G1 . ^{[ 21 ]}

تشير الدراسات إلى أن تثبيط بروتين Rb لعائلة عوامل النسخ E2F ينظم الانتقال من طور _G0 إلى طور G1 _، تمامًا كما ينظم الانتقال من طور G1 _إلى طور S. ترتبط معقدات E2F المنشطة بتجنيد إنزيمات أسيتيل ترانسفيراز الهيستون ، التي تنشط التعبير الجيني الضروري لدخول طور G1 _، بينما تجند معقدات E2F4 إنزيمات دي أسيتيل الهيستون، التي تثبط التعبير الجيني. يسمح فسفرة بروتين Rb بواسطة معقدات Cdk بانفصاله عن عوامل النسخ E2F، وبالتالي التعبير عن الجينات الضرورية للخروج من طور G0 _{. كما وُجد أن أعضاءً آخرين من} عائلة بروتينات جيب Rb ، مثل p107 وp130، يشاركون في توقف دورة الخلية في طور G0 _. ترتفع مستويات p130 في طور G0 _، وقد وُجد أنها ترتبط بمعقدات E2F-4 لتثبيط نسخ الجينات المستهدفة لـ E2F. في الوقت نفسه، وُجد أن البروتين p107 يُنقذ نمط توقف الخلية بعد فقدان Rb، على الرغم من أن p107 يُعبَّر عنه بمستويات منخفضة نسبيًا في خلايا G0 _. تشير هذه النتائج مجتمعةً إلى أن تثبيط Rb لعوامل النسخ E2F يُعزز توقف الخلية، بينما يؤدي فسفرة Rb إلى الخروج من طور G0 _عبر إزالة تثبيط الجينات المستهدفة لـ E2F. ^{[ 20 ]} بالإضافة إلى تنظيمه لـ E2F، فقد ثبت أيضًا أن Rb يُثبط بوليميراز الحمض النووي الريبي I وبوليميراز الحمض النووي الريبي III ، واللذان يُشاركان في تخليق الحمض النووي الريبي الريبوسومي . وبالتالي، تسمح فسفرة Rb أيضًا بتنشيط تخليق الحمض النووي الريبي الريبوسومي، وهو أمر بالغ الأهمية لتخليق البروتين عند الدخول في طور _G1 . ^{[ 21 ]}