細胞の増殖による新しい細胞の産生は、体内のすべての組織の発生、成長、維持に影響します。様々ながんに見られるような制御されていない細胞分裂は、腫瘍の形成につながり臓器の機能を破壊する可能性があるため、厳密に制御される必要があります。これらは生物学的な活性に対し広範に影響することから、様々な状況において細胞増殖を理解しこれを正確に測定することは非常に重要です。
細胞増殖は細胞分裂による細胞数の増加であり、生涯を通じて正常な組織の発生と維持にとって必須です。皮膚や骨髄細胞など多くの種類の細胞は継続的に増殖しますが、成人組織の多くの細胞は、傷害や感染によって失われた細胞を置き換えるのに分裂が活性化されない限り、非増殖状態のままです。対照的に、主要な細胞周期遺伝子の変異によって引き起こされる調節不全の細胞増殖は、異常な制御されない腫瘍の成長をもたらす様々ながんの特性と言えます。
細胞周期は、有糸分裂につながる後続の段階に備えてmRNAおよびタンパク質を発現するG1期、DNAが新たに合成されるS期、さらなる細胞増殖が起こるG2期、細胞が最終的に分裂するM期あるいは有糸分裂、の4つの段階から構成され、細胞分裂はこの細胞周期の各段階で厳密に調節されています。一部の細胞は細胞周期を出て分裂を完全に停止しますが、これは休止あるいは静止状態 (G0) として知られています。真核生物の細胞分裂の制御は「チェックポイント」と呼ばれる分子回路によって制御され、細胞周期の1つの段階から次の段階への適切なタイミングでの移行を保証します。一連のタンパク質は協調して細胞増殖とDNAの完全性を監視することで細胞分裂の各段階を通じて新しい娘細胞が適切に形成されるようにし、制御不能な細胞増殖やゲノム不安定性と腫瘍形成に寄与する可能性のある損傷したDNAの伝達から保護します。
様々な実験状況において細胞分裂の量と速度を測定するため、細胞周期および増殖のアッセイが数多く開発されています。増殖は培養中のほとんどの健康な細胞集団で起こるため、通常の成長条件における細胞生存率のマーカーとして、また様々な刺激や遺伝的摂動による治療への応答を知るのに利用できます。増殖を測定する一般的な方法は、DNA骨格の塩基間に挿入することでDNAに結合する蛍光色素であるヨウ化プロピジウム、あるいは、チミジンの合成ヌクレオシドアナログであるブロモデオキシウリジン (BrdU) の組み込みを介した、細胞のDNA含有量および合成の測定に依存しています。さらに、ウェスタンブロッティング、免疫組織化学染色、あるいはqPCRによって細胞周期の進行に必要な遺伝子の発現レベルを測定することで、進行中の細胞分裂と増殖を読み出すことが可能です。
これらの遺伝子の例としては、PCNA (Proliferating cell nuclear antigen)、Ki67、リン酸化ヒストンH3、およびCyclin D1などの多くのサイクリンが挙げられます。アッセイを選択するときは、使用するマーカーが細胞周期の特定の段階に特有なのか、あるいは進行中の増殖のより広い指標であるのかを検討することが重要で、これは結果の解釈に影響します。たとえば、チミジンアナログで細胞を標識するとS期で活発にDNA複製している細胞の割合が効果的に示されますが、Ki67は細胞周期のすべての段階で発現しているので、その発現を定量化することにより細胞集団において細胞周期にある細胞の数をより完全に把握できます。
