Afase G₀ é o estado dunha célula que está fóra dociclo celular replicativo. Clasicamente, pensábase que as células entraban en G₀ principalmente debido a factores ambientais, como a deprivación de nutrientes, que limitban os recursos necesarios para a proliferación. Era considerada como unhafase de repouso. Agora sábese que a G₀ pode adoptar distintas características e aparecer por múltiples razóns. Por exemplo, a maioría das células neuronais adultas, que están entre as células máis activas metabolicamente do corpo, están totalmentediferenciadas e mantéñense nunha fase G₀ terminal. As neuronas permanecen nese estado non debido a unha subministración de nutrientes estocástica ou limitada, senón como parte do seu programa de desenvolvemento.

A G₀ presentouse primeiro como un estado da célula baseándose nos estudos iniciais do ciclo celular. Cando estes primeiros estudos definiron as catro fases do ciclo celular utilizando técnicas de etiquetaxe radioactiva, descubriuse que non todas as células dunha poboación proliferan á mesma velocidade.^[1] A "fracción de crecemento" dunha poboación (ou fracción da poboación que estaba crecendo) estaba proliferando activamente, máis outras células esncontrábanse en estado non proliferativo. Algunhas destas células non proliferantes podían responder a estímulos extrínsecos e proliferar ao reentrar no ciclo celular.^[2] As ideas iniciais enfrontadas consideraban que as células non proliferantes ou ben eran simplemente células que estaban nunhafase G₁ prolongada ou ben estaban nunha fase do ciclo distinta de G₁, que se denominou G₀.^[3] As investigacións posteriores sinalaron que había unpunto de restrición (punto R) en G₁ no que as célula poden entrar en G₀ antes de chegar ao punto R, pero quedan destinadas a realizar amitose despois do punto R.^[4] Estes estudos iniciais proporcionaron probas da existencia dun estado G₀ cuxo acceso está restrinxido. Estas células que non se dividen máis saen da fase G₁ para entrar no estadio inactivo chamadoestadio quiescente.

Existen tres estados G₀ e poden clasificarse como reversibles (quiescente) ou irreversibles (senescente ediferenciado). Pode entrarse en cada un destes tres estados desde a fase G₁ antes de que a célula quede comprometida a realizar a seguinte rolda dociclo celular.

A quiescencia refírese a un estado G₀ reversible no que as subpoboacións de células están nun estado de repouso ou 'quiescente' antes de entraren no ciclo celular despois de activárense en resposta a sinais extrínsecos. As células quiescentes son a miúdo identificadas por un contido baixo enARN, falta de marcadores de proliferación celular e incremento da retención de etiquetas indicando un baixo recambio celular.^[5][6]

A senescencia é distinta da quiescencia porque a senescencia é un estado irreversible no que entran as células en resposta á degradación oudanos no ADN que farían que a proxenie da célula fose inviable. Ditos danos no ADN poden ocorrer poloacurtamento dos telómeros despois de moitas divisións celulares, así como pola exposición aespecies reactivas do oxíxeno, activación deoncoxenes e fusión de células. Aínda que as células senescentes xa non se poden replicar, seguen sendo capaces de realizar moitas funcións celulares normais.^{[7][8][9][10]} A senescencia é a miúdo unha alternativa bioquímica á autodestrución dunha desas células danadas porapoptose. A diferenza da senescencia celular, a quiescencia non é un evento reactivo, senón parte da programación básica de diferentes tipos celulares.

Finalmente, as células diferenciadas proceden decélulas nais que progresaron ao longo dun programa de diferenciación para chegaren a un estado maduro (terminalmente diferenciado). Estas células diferenciadas permanecen en G₀ e realizan as súas principais funcións indefinidamente.

Ostranscritomas de varios tipos de células nais quiescentes, como ashematopoéticas, musculares e dofolículo piloso, foron caracterizadas por técnicas de alto rendemento, como asmicromatrices esecuenciación de ARN. Aínda que hai variacións nos seus transcritomas individuais, a maioría das células nais de tecidos quiescentes comparten un padrón común deexpresión xénica que implica a regulación á baixa de xenes para a progresión do ciclo celular, como os daciclina A2,ciclina B1,ciclina E2 esurvivina, e a regulación á alza de xenes implicados na regulación datranscrición e destino de células nais, comoFOXO3 eEZH1. A regulación á baixa docitocromo c mitocondrial tamén reflicte o estado metabólico baixo de células nais quiescentes.^[11]

Moitas células nais quiescentes, especialmentecélulas nais adultas, tamén comparten padrónsepixenéticos similares. Por exemplo,H3K4me3 eH3K27me3, son dous importantes padróns demetilación dehistonas que forman un dominio bivalente e están localizados preto dos sitios de iniciación da transcrición. Estes marcadores epixenéticos regulan decisións de liñaxe nascélulas nais embrionarias e controlan a quiescencia no folículo piloso e células nais musculares por medio de modificacións dacromatina.^[11]

Osxenes supresores de tumores funcionais, especialmentep53 eRb, son necesarios para manter as células nais quiescentes e impedir o esgotamento do conxunto decélulas proxenitoras por causa de divisións excesivas. Por exemplo, adeleción dos tres compoñentes dafamilia proteica Rb detén a quiescencia en células nais hematopoéticas. A carencia de p53 impide a diferenciación destas células nais debido á incapacidade das células de saíren do ciclo celular e pasaren á fase G₀. Ademais de p53 e Rb, os inhibidores dequinases dependentes de ciclinas (CKIs), comop21,p27 ep57 son tamén importantes para o mantemento da quiescencia. Nas células nais hematopoéticas de ratos oknockout de p57 e p27 leva á saída de G₀ pola importación nuclear deciclina D1 e a subseguintefosforilación de Rb. Finalmente, avía de sinalización Notch xoga un importante papel no mantemento da quiescencia.^[11]

A regulación postranscricional da expresión xénica por medio da síntese demicroARN exerce un papel igualmente importante no mantemento da quiescencia das células nais. As febras de microARN únense á rexión non traducida 3’ (3’ UTR) deARNms diana, impedindo a súatradución en proteínas funcionais. A lonxitude do 3’ UTR dun xene determina a súa capacidade de unirse a febras de microARN, permitindo dese modo a regulación da quiescencia. Algúns exemplos de microARNs en células nais son o miR-126, que controla avía PI3K/AKT/mTOR en células nais hematopoéticas, o miR-489, que suprime ooncoxene DEK en células nais musculares, e o miR-31, que regulaMyf5 nas células nais musculares. O secuestro de microARN de ARNm dos complexos deribonucleoproteínas permite que as células quiescentes almacenen o ARNm que cómpre para unha entrada rápida nafase G₁.^[11]

As células nais que estiveron quiescentes durante longo tempo adoitan enfrontarse a varios estresores ambientais, como oestrés oxidativo. Porén, varios mecanismos permiten que estas células respondan a tales estresores. Por exemplo, osfactores de transcriciónFOXO responden á presenza deespecies reactivas do oxíxeno, mentres queHIF1A eLKB1 responden a condiciónshipóxicas. En células nais hematopoéticas, aautofaxia indúcese para responder ao estrés metabólico.^[11]

As células nai son células coa capacidade exclusiva de producir células fillas diferenciadas e á vez preservar a súa identidade como células nais autorrenovadas.^[12]En mamíferos a maioría dos tecidos adultos conteñencélulas nais específicas de tecidos que residen no tecido e proliferan para manter ahomeostase durante toda a vida do organismo. Estas células poden sufrir unha inmensa proliferación en resposta aos danos nos tecidos antes de diferenciarse e dedicarse á rexeneración. Algunhas células nais dos tecidos están indefinidadmente nun estado reversible quiescente ata seren activadas por estímulos externos. Hai moitos tipos de células nais dos tecidos, como ascélulas nais musculares,células nais neurais,células nais intestinais e moitas outras.

Suxeriuse recentemente que as células nais quiescentes están compostas de dúas fases funcionalmente diferentes, G₀ e unha fase de "alerta" denominada G_Alerta.^[13]Crese que as células nais fan unha transición activa e reversible entre estas fases para responderen aos estímulos das lesións e parecen potenciar a función rexenerativa dos tecidos en G_Alerta. Así, propúxose que a transición a G_Alerta é unha resposta adaptativa que permite que as células nais respondan rapidamente ás lesións ou estreses ao preparalas para a entrada no ciclo celular. Nas células nais musculares, a actividade demTORC1 controla a transición de G₀ a G_Alerta xunto coa sinalización polo receptor doHGFcMet.^[13]

Aínda que o estado quiescente reversible é quizais máis importante para as células nai dos tecidos para responder rapidamente aos estímulos e manter unha axeitada homeostase e rexeneración, as fases G₀ reversibles poden encontrarse en células que non son células nai como oshepatocitos maduros.^[14] Os hepatocitos son tipicamente quiescentes enfígados normais pero sofren unha replicación limitada (menos de dúas divisións celulares) durante a rexeneración do fígado despois dunha hepatectomía parcial. Porén, en certos casos, os hepatocitos poden experimentar unha inmensa proliferación (máis de 70 divisións celulares), o que indica que a súa capacidade de proliferación non é dificultada por existir nun estado quiescente reversible.^[14]

As células senescentes, a miúdo asociadas co envellecemento e doenzas relacionadas coa idade in vivo, poden atoparse en moitos tecidos renovables, incluíndo oestroma,vasos sanguíneos,sistema hematopoético e moitos órganosepiteliais. A senescencia, que resulta da acumulación de moitas divisións celulares, é a miúdo vista enfenotipos dexenerativos asociados á idade. Osfibroblatos senescentes en modelos da función das células epiteliais de mama interrompen a produción de proteínas doleite debido ásecreción demetaloproteinases da matriz.^[15]De xeito similar, as células demúsculo liso das arterias pulmonares senescentes causan que células musculares lisas veciñas proliferen e migren, quizais contribuíndo á hipertrofia das arterias pulmonares e finalmente á hipertensión pulmonar.^[16]

Durante amioxénese esquelética as células proxenitoras que se dividen chamadasmioblastos diferéncianse e fusiónanse en células musculares que non se dividen chamadasmiocitos, que permanecen nunha fase G₀ terminal.^[17] Como resultado, as fibras musculares que forman omúsculo esquelético son células con múltiplesnúcleos, denominados mionúcleos, xa que cada mionúcleo se orixinou a partir dun mioblasto. As células do músculo esquelético continúan indefinidamente proporcionando forza contráctil por medio da contraccións das súas estruturas celulares chamadassarcómeros. Estas células permanecen nunha fase G₀ terminal, xa que a alteración da estrutura da fibra muscular despois da súa formación impediría a correcta transmisión da forza en toda a lonxitude do músculo. O crecemento do músculo pode ser estimulado polo crecemento do organismo ou lesión e implica o recrutamento de células nais musculares, tamén coñecidas comocélulas satélite, que saen dun estado quiescente reversible. Estas células nai diferéncianse e fusiónanse para xerar novas fibras musculares tanto en paralelo coma en serie para incrementar a capacidade de xeración de forza.

Omúsculo cardíaco tamén se forma por mioxénese, pero en vez de recrutar células nais para que se fusionen e formen novas células, as células musculares cardíacas, chamadascardiomiocitos, simplemente incrementan o seu tamaño a medida que crece o corazón. De xeito similar ao múculo esquelético, se os cardiomiocitos tivesen que continuar dividíndose para engadir novo tecido muscular, as estruturas contráctiles necesarias para o funcionamento do corazón veríanse alteradas.

Dos catro grandes tipos de células óseas, ososteocitos son as máis comúns e tamén existen nunha fase G₀ terminal. Os osteocitos orixínanse a partir dososteoblastos que quedan atrapados dentro da matriz ósea que eles mesmos segregaron. Aínda que os osteocitos teñen tamén unha capacidade sintética reducida, aínda desempeñan funcións no óso ademais de xerar a estrutura. Os osteocitos funcionan por medio de varios mecanismos mecanosensores para axudaren a osteoblastos eosteoclastos nareciclaxe da matriz ósea rutineira.

Á parte duns poucos nichosneuroxénicos no cerebro, a maioría dasneuronas están completamente diferenciadas e atópanse nunha fase G₀ terminal. Estas neuronas completamente diferenciadas formansinapses nas que os sinais eléctricos se transmiten polosaxóns das neuronas ásdendritas das neuronas veciñas. Neste estado G₀ as neuronas continúan funcionando ata a súa senescencia ouapoptose. Numerosos estudos informaron da acumulación dedanos no ADN coa idade, especialmentedanos oxidativos, nocerebro de mamíferos.^[18]

Rim15 sábese que xoga un papel fundamental no inicio dameiose en células delévedosdiploides. Baixo condicións de baixos niveis de glicosa e nitróxeno, que son nutrientes clave para a supervivencia dos lévedos, as células de lévedos diploides inician a meiose por medio da activación de xenes específicos da meiose temperá (EMGs). A expresión dos EMGs está regulada por Ume6. Ume6 recruta ashistona desacetilasesRpd3 e Sin3, para reprimir a expresión dos EMGs cando os niveis de glicosa e nitróxeno son altos, e recruta o factor de transcrición de EMGs Ime1 cando ditos niveis son baixos. Rim15, denominado así polo seu papel na regulación dun EMG chamado IME2, despraza Rpd3 e Sin3, permitindo así que Ume6 traia Ime1 aos promotores de EMGs para a iniciación da meiose.^[19]

Ademais de xogar un papel na iniciación da meiose, Rim15 tamén é un efector fundamental para a entrada da célula do lévedo en G₀ en presenza de estrés. Os sinais de varias vías de sinalización de nutrientes converxen en Rim15, que activa osfactores de transcrición Gis1, Msn2 e Msn4. Gis1 únese para activar promotores que conteñen elementos de cambio post-crecemento diáuxico, mentres que Msn2 e Msn4 se unen para activar promotores que conteñen elementos de resposta ao estrés. Aínda que non está claro como Rim15 activa Gis1 e Msn2/4, tense especulado que pode fosforilalos directamente ou estar implicado na remodelación dacromatina. Rim15 tamén contén undominio PAS no seuN-terminal, o que fai que sexa un novo membro descuberto da familia daquinase PAS. O dominio PAS é unha unidade regulatoria da proteína Rim15 que pode exercer un papel na percepción do estrés oxidativo en lévedos.^[19]

Os lévedos crecen exponencialmente porfermentación daglicosa. Cando os niveis de glicosa caen, os lévedos cambian a fermentación polarespiración celular, metabolizando os produtos fermentativos da súa fase de crecemento exponencial. Este cambio coñécese como cambio diáuxico, despois do cal o lévedo entra en G₀. Cando os niveis de glicosa nos arredores son altos, a produción deAMPc pola vía RAS-AMPc-PKA (unhavía dependente do AMPc) elévase, causando que aproteína quinase A (PKA) inhiba a súa diana deaugas abaixo Rim15 e permita a proliferación celular. Cando os niveis de glicosa caen, a produción de AMPc declina, levantando a inhibición que facía PKA sobre Rim15 e permitindo que a célula do lévedo entre en G₀.^[19]

Ademais de glicosa, a presenza de nitróxeno é crucial para a proliferación dos lévedos. En condicións de baixos niveis de nitróxeno, Rim15 actívase para promover a detención dociclo celular pola inactivación dasproteína quinasesTORC1 e Sch9. Mentres que TORC1 e Sch9 pertencen a dúas vías separadas, concretamente a vía inducida de TOR e a vía do Medio de Crecemento Fermentable, respectivamente, ambas as proteína quinases actúan promovendo a retención citoplasmática de Rim15. En condicións normais, Rim15 está ancorado áproteína 14-3-3 citoplásmica Bmh2, pola fosforilación da súaThr1075. TORC1 inactiva certasfosfatases no citoplasma, mantendo Rim15 ancorada a Bmh2, mentres que Sch9 promove a retención citoplasmática de Rim15 por fosforilación doutro sitio de unión 14-3-3 preto da Thr1075. Cando o nitróxeno extracelular é baixo, TORC1 e Sch9 están inactivadas, permitindo a desfosforilación de Rim15 e o seu transporte ao núcleo, onde pode activar factores de transcrición implicados en promocionar a entrada da célula en G₀. Tamén se encontrou que Rim15 promove a súa propia exportación desde o núcleo porautofosforilación.^[19]

As células de lévedos responden a niveis baixos de fosfato extracelular activando xenes que están implicados na produción e regulación á alza do fosfato inorgánico. A vía PHO está implicada na regulación dos niveis de fosfato. En condicións normais, ocomplexo da quinase dependente de ciclina Pho80-Pho85 do lévedo inactiva o factor de transcriciónPho4 por fosforilación. Porén, cando os niveis de fosfato caen, Pho81 inhibe Pho80-Pho85, permitindo que Pho4 estea activa. Cando o fosfato é abondoso, Pho80-Pho85 tamén inhibe opool nuclear de Rim 15 ao promover a fosforilación do seu sitio de unión a Bmh2 na Thr1075. Así, Pho80-Pho85 actúa en concerto con Sch9 e TORC1 promovendo a retención citoplasmática de Rim15 cando as condicións son normais.^[19]

A transición dafase G₁ áfase S é promovida pola inactivación de Rb pola súa progresivahiperfosforilación realizada polos complexosciclina D/Cdk4 eciclina E/Cdk2 ao final de G₁. A observación inicial de que a perda de Rb promovía a reentrada no ciclo celular en células en G₀ suxeriu que Rb é tamén esencial para regular a transición de G₀ a G₁ en células quiescentes.^[20] Posteriores observacións revelaron que os niveis do ARNm daciclina C son máximos cando as células humanas saen de G₀, o que suxire que a ciclina C pode estar implicada na fosforilación de Rb para promover a reentrada no ciclo celular de células paradas en G₀. Ensaios de quinases deinmunoprecipitación revelaron que a ciclina C ten actividade de quinase Rb. Ademais, a diferenza das ciclinas D e E, a actividade de quinasa Rb da ciclina C é máxima durante os inicios de G₁ e a menor durante o final de G₁ e na fase S, o que indica que pode estar implicada na transición de G₀ a G₁. O uso declasificación de células activada por fluorescencia para identificar células en G₀, que se caracterizan por unha alta proporción ADN/ARN comparadas coas células en G₁, confirmou a sospeita de que a ciclina C promove a saída de G₀, xa que a represión da ciclina C endóxena porinterferencia de ARN en células de mamífero incrementaba a proporción de células detidas en G₀. Posteriores experimentos que implicaban a mutación de Rb en sitios de fosforilación específicos mostraron que cómpre a fosforilación por parte de ciclina C de Rb en S807/811 para a saída de G₀. Porén, non queda claro se este padrón de fosforilación é suficiente para a saída de G₀. Finalmente, os ensaios de coinmunoprecipitación revelaron que aquinase dependente de ciclina 3 (cdk3) promove a saída de G₀ ao formar un complexo coa ciclina C para fosforilar Rb en S807/811. Un dato interesante é que S807/811 son tamén as dianas da fosforilación feita pola ciclina D/cdk4 durante a transición de G₁ a S. Isto podería indicar unha posible compensación da actividade de cdk3 por cdk4, especialmente á luz da observación de que a saída de G₀ só está atrasada, pero non permanentemente inhibida, en células que carecen de cdk3 pero teñen unha cdk4 funcional. Malia o solapamento de dianas de fosforilación, parece que cdk3 é aínda necesaria para unha transición máis efectiva de G₀ a G₁.^[21]

Os estudos suxiren que a represión por Rb da familiaE2F de factores de transcrición regula a transición de G₀ a G₁ igual que fai coa transición de G₁ a S. Os complexos E2F activantes están asociados co recrutamento dehistona acetiltransferases, as cales activan a expresión xénica necesaria para a entrada en G₁, mentres que os complexosE2F4 recrutan histona desacetilases, que reprimen a expresión xénica. A fosforilación de Rb polos complexos Cdk permite a súa disociación dos factores de transcrición E2F e a subseguinte expresión dos xenes necesarios para a saída de G₀. Outros membros dafamilia de proteínas peto (pocket) Rb, como p107 e p130, tamén están implicados na detención na fase G₀. Os niveis de p130 están elevados en G₀ e están asociados con complexos E2F-4 para reprimir a transcrición de xenes diana de E2F. Por outra parte, p107 rescata o fenotipo de detención celular despois da perda de Rb incluso se p107 se expresa a un nivel comparativamente baixo en células en G₀. En conxunto, estes descubrimentos sinalan que a represión feita por Rb dos factores de transcrición E2F promove a detención celular mentes que a fosforilación de Rb leva á saída de G₀ pola desrepresión de xenes diana de E2F.^[20] Ademais da súa regulación de E2F, Rb tamén suprime aARN polimerase I e aARN polimerase III, as cales interveñen na síntese deARNr. Así, a fosforilación de Rb tamén permite a síntese de ARNr, que é esencial para a síntese de proteínas despois da entrada en G₁.^[21]

• Ciclo celular