G0期

G₀期には3つの状態が存在し、可逆的な状態（静止状態）と不可逆的な状態（老化状態と分化状態）のいずれかに分類される。これら3つの状態への移行は、細胞がG₁期に細胞周期の次の周回への従事を決定する前に行われる。静止状態（quiescence）は可逆的なG₀期の状態を指す。細胞集団の一部は、外部シグナルに応答して活性化されて細胞周期へ入る前は静止状態にある。静止状態の細胞は多くの場合、低いRNA含量、細胞増殖マーカーの欠如や、ラベリングの長期間の維持（細胞のターンオーバーが低いことを意味する）によって特徴づけられる^[5][6]。老化（senescence）は静止状態とは異なる状態であり、子孫が生存不可能となるようなDNAの損傷や分解に応答して細胞はこの状態へ移行する。このようなDNA損傷は、多数回の細胞分裂によるテロメアの短縮や、活性酸素種への暴露、がん遺伝子の活性化、細胞融合などによって生じることがある。老化細胞は増殖を行わないが、正常な細胞機能の多くを維持している^{[7][8][9][10]}。老化は多くの場合、損傷細胞のアポトーシスによる自己破壊の代替となる。最後に、分化細胞は細胞分化のプログラムを経て成熟し、最終的な分化状態に達した細胞である。分化細胞はG₀期にとどまり続け、その主要な機能を発揮し続ける。

造血幹細胞、筋幹細胞（サテライト細胞）、毛包幹細胞など、いくつかのタイプの静止期幹細胞のトランスクリプトームに関して、マイクロアレイやRNA-Seq（英語版）などのハイスループット技術を用いた特徴づけが行われている。静止状態にある組織幹細胞の個々のトランスクリプトームには多様性が存在するものの、その大部分には、サイクリンA2、サイクリンB1、サイクリンE2、サバイビンといった細胞周期の進行に関わる遺伝子のダウンレギュレーション、FOXO3やEZH1などの転写調節や幹細胞の分化調節に関与する遺伝子のアップレギュレーションという共通のパターンが存在する。ミトコンドリアのシトクロムcのダウンレギュレーションは、静止期幹細胞の低い代謝状態を反映している^[11]。

静止期幹細胞の多く、特に成体幹細胞には、類似したエピジェネティックなパターンもみられる。その例として、bivalentドメインを形成する2つの主要なヒストンメチル化パターンである、ヒストン3のK4とK27のトリメチル化（H3K4me3とH3K27me3）が挙げられる。このドメインは転写開始部位の近傍に位置し、クロマチン状態の調節を介して胚性幹細胞での細胞系譜の決定や、毛包や筋の幹細胞での静止期状態の制御を調節することが判明している^[11]。

がん抑制遺伝子の機能、特にp53とRb遺伝子は、幹細胞の静止状態の維持と過剰な細胞分裂による前駆細胞プールの枯渇の防止に必要である。例えば、3つのRbファミリータンパク質のすべてを欠失すると、造血幹細胞は静止状態を脱することが示されている。また、p53が欠損するとこれらの幹細胞は細胞周期を脱出してG₀期へ移行することができなくなり、分化が防がれることが示されている。p53とRbに加えて、p21、p27、p57といったサイクリン依存性キナーゼ阻害因子も静止状態の維持に重要である。マウスの造血幹細胞では、p57とp27のノックアウトによってサイクリンD1の核内輸送とRbのリン酸化が行われ、G₀期からの脱出が引き起こされる。最後に、Notchシグナリング経路も静止状態の維持に重要な役割を果たすことが示されている^[11]。

miRNAの合成による遺伝子発現の転写後調節も、幹細胞の静止状態の維持に重要な役割を果たすことが示されている。標的mRNAの3' UTRに結合したmiRNAは、そのmRNAから機能的なタンパク質への翻訳が起こるのを防ぐ。幹細胞で見られるmiRNAの例としては、造血幹細胞でPI3K/AKT/mTOR経路（英語版）を制御するmiR-126、筋幹細胞でがん遺伝子のDEK（英語版）を抑制するmiR-489、MYF5（英語版）を調節するmiR-31がある。miRNAはmRNAをリボヌクレオタンパク質複合体内へ隔離し、G₁期への迅速な移行に必要なmRNAを貯蔵する^[11]。

長期間静止状態にある幹細胞は、しばしば酸化ストレスのようなさまざまな環境ストレス因子に直面する。しかし、これらの細胞はこのようなストレス因子に応答するいくつかの機構を備えている。例えば、FOXO転写因子は活性酸素種の存在に応答し、HIF1AとLKB1は低酸素状態に応答する。造血幹細胞では、代謝ストレスに応答してオートファジーが誘導される^[11]。

幹細胞は分化した娘細胞を生み出す一方、自己複製によって自身の幹細胞性を維持するという独特の能力を持つ^[12]。哺乳類では、成体の組織の大部分には組織特異的幹細胞が含まれており、組織内部に位置し生涯にわたって組織の恒常性を維持する。これらの細胞は、分化して再生に従事する前に組織の損傷に応答して膨大な回数の増殖を行う。一部の組織幹細胞は外部の刺激によって活性化されるまで、可逆的な静止状態で存在する。筋幹細胞（MuSC）、神経幹細胞（NSC）、腸管幹細胞（ISC）など、組織幹細胞には多くの種類が存在する。

近年、幹細胞の静止状態はG₀期とG_Alert期と名付けられた2つの異なる機能的段階からなることが示唆されている^[13]。幹細胞は損傷刺激に応答してこれらの段階を活発に可逆的に行き来すると考えられており、G_Alert期には組織再生機能が上昇するようである。そのため、G_Alert期への移行は、幹細胞の細胞周期の進行のプライミングを行い、迅速に損傷やストレスに応答できるようにする適応反応であることが提唱されている。筋幹細胞では、HGF受容体c-Metを介したシグナル伝達とともに、mTORC1の活性がG₀期からG_Alert期への移行を制御する因子として同定されている^[13]。

組織幹細胞の可逆的静止状態は刺激への迅速な応答、適切な恒常性の維持と再生に重要であるが、可逆的なG₀期は成熟した肝細胞など幹細胞以外の細胞でも見られる^[14]。正常な肝臓では肝細胞は静止期にあるのが一般的であるが、肝臓の部分切除後の肝臓の再生過程では限られた回数（2回以下）の細胞分裂による増殖が行われる。しかし特定の場合には、肝細胞は膨大な回数（70回以上）の細胞分裂による増殖を行うこともある^[14]。

老化細胞は加齢やそれに関連した疾患と関連付けられており、間質組織（英語版）、血管系、造血系（英語版）、上皮組織など自己複製を行う多くの組織に存在している。細胞老化は多数回の細胞分裂に起因するものであり、多くの場合加齢と関連した変性症状がみられる。乳腺上皮細胞機能モデルにおいては、老化した線維芽細胞はマトリックスメタロプロテアーゼの分泌によって乳タンパク質の産生が低下する^[15]。同様に、老化した肺動脈平滑筋細胞は近接する平滑筋細胞の増殖と移動を引き起こし、おそらく肺動脈の肥大、最終的には肺高血圧症に寄与する^[16]。

骨格筋の筋形成（英語版）の過程で筋芽細胞と呼ばれる前駆細胞では細胞周期の進行が起こるが、これらの細胞は分化して細胞融合を起こし、細胞周期の進行が起こらない筋細胞となる^[17]。その結果、骨格筋を構成する筋線維は筋核（myonucleus）と呼ばれる複数の核を持つ細胞となる。筋核は融合した各筋芽細胞の細胞核に由来するものである。骨格筋細胞はサルコメア（英語版）と呼ばれる細胞構造の同時収縮による収縮力を提供し続ける。筋線維形成後の細胞分裂による線維構造の破壊は筋肉全長にわたる力の伝達の妨げとなるため、これらの細胞はterminal G₀ phaseに保たれている。筋肉の成長は生育や損傷によって促進され、サテライト細胞として知られる筋幹細胞のリクルートを伴う。これらの幹細胞は可逆的な静止期から脱して分化と融合を行い、並列・直列の双方で新たな筋線維を形成して力発生能力を高める。

心筋の筋形成は、骨格筋のように融合して新たな細胞を形成するために幹細胞をリクルートするのではなく、心臓の成長に伴って細胞のサイズを増加させることによって行われる。骨格筋の場合と同様、心筋組織の増加のために心筋細胞の分裂を続けると、心機能に必要な収縮構造が破壊されてしまうと考えられる。

骨細胞は骨の細胞の90–95%を占める細胞で、細胞分裂を行わないという特徴を持つ^[18]。骨細胞は、自らが分泌した骨基質中に閉じ込められた骨芽細胞に由来する。骨細胞では合成活性は低下しているものの、構造形成以外の骨の機能も維持している。骨細胞はさまざまな機械受容機構を介して機能し、骨基質の日常的なターンオーバーを補助している。

脳内のわずかな神経発生のニッチを除いて、大部分の神経細胞は完全な分化が起こったterminal G₀ phaseの段階で存在する。これらの完全に分化した神経細胞はシナプスを形成し、軸索から伝達された電気信号が近接する神経細胞の樹状突起へと伝達される。神経細胞は、このG₀期の状態で老化またはアポトーシスが起こるまで機能し続ける。哺乳類の脳では加齢に伴うDNA損傷、特に酸化損傷の蓄積が起こることが多くの研究で報告されている^[19]。