Faza S - S phase

Asimetrie în sinteza firelor conducătoare și întârziate

Faza S ( Synthesis Phase ) este faza a ciclului celular în care ADN - ul este replicat , având loc între G ₁ fază și G ₂ faze . Deoarece duplicarea exactă a genomului este critică pentru divizarea celulară de succes, procesele care apar în timpul fazei S sunt strict reglementate și pe scară largă conservate.

Regulament

Intrarea în faza S este controlată de punctul de restricție G1 (R), care angajează celulele în restul ciclului celular dacă există substanțe nutritive adecvate și semnalizare de creștere. Această tranziție este în esență ireversibilă; după trecerea punctului de restricție, celula va progresa prin faza S, chiar dacă condițiile de mediu devin nefavorabile.

În consecință, intrarea în faza S este controlată de căi moleculare care facilitează o schimbare rapidă, unidirecțională, în starea celulei. În drojdie, de exemplu, creșterea celulară induce acumularea de ciclină Cln3 , care se complexează cu kinaza CDK2 dependentă de ciclină . Complexul Cln3-CDK2 promovează transcrierea genelor din faza S prin inactivarea represorului transcripțional Whi5 . Întrucât reglarea în sus a genelor din faza S conduce la suprimarea suplimentară a Whi5 , această cale creează o buclă de feedback pozitiv care implică pe deplin celulele în expresia genei în faza S.

O schemă de reglare remarcabil similară există în celulele mamiferelor. Semnalele mitogene primite pe parcursul fazei G1 determină acumularea treptată a ciclinei D, care se complexează cu CDK4 / 6. Complexul activ al ciclinei D-CDK4 / 6 induce eliberarea factorului de transcripție E2F , care la rândul său inițiază expresia genelor fazei S. Mai multe gene țintă E2F promovează eliberarea în continuare a E2F, creând o buclă de feedback pozitiv similară cu cea găsită în drojdie.

Replicarea ADN-ului

Etape în sinteza ADN-ului

De-a lungul fazei M și a fazei G1, celulele asamblează complexe de pre-replicare inactive (pre-RC) pe originile de replicare distribuite pe tot genomul. În timpul fazei S, celula convertește pre-RC-urile în furci de replicare active pentru a iniția replicarea ADN-ului. Acest proces depinde de activitatea kinazei Cdc7 și a diferitelor CDK-uri în fază S, ambele fiind reglate în sus la intrarea în fază S.

Activarea pre-RC este un proces strâns reglementat și foarte secvențial. După CDC-urile Cdc7 și S-fază fosforilează substraturile respective, un al doilea set de factori replicativi se asociază cu pre-RC. Asocierea stabilă încurajează helicaza MCM să desfacă o mică întindere de ADN parental în două fire de ADNs, care la rândul său recrutează proteina de replicare A ( RPA ), o proteină de legare a ADNs. Recrutarea RPA amplifică furca de replicare pentru încărcarea ADN polimerazelor replicative și a clemelor glisante PCNA . Încărcarea acestor factori completează furca de replicare activă și inițiază sinteza de ADN nou.

Asamblarea completă a furcii de replicare și activarea au loc numai pe un subset mic de origini de replicare. Toate eucariotele au mult mai multe origini de replicare decât este strict necesar în timpul unui ciclu de replicare a ADN-ului. Originile redundante pot crește flexibilitatea replicării ADN-ului, permițând celulelor să controleze rata de sinteză a ADN-ului și să răspundă la stresul de replicare.

Sinteza histonelor

Deoarece ADN-ul nou trebuie ambalat în nucleozomi pentru a funcționa corect, sinteza proteinelor histonice canonice (non-variabile) are loc alături de replicarea ADN-ului. În timpul fazei S timpurii, complexul ciclinei E-Cdk2 fosforilează NPAT , un coactivator nuclear al transcripției histonice. NPAT este activat prin fosforilare și recrutează complexul de remodelare a cromatinei Tip60 la promotorii genelor histonice. Activitatea Tip60 elimină structurile de cromatină inhibitoare și determină o creștere de trei până la zece ori a ratei de transcripție.

În plus față de creșterea transcripției genelor histonice, intrarea în faza S reglează, de asemenea, producția de histone la nivel de ARN. În loc de cozi poliadenilate , transcrierile canonice ale histonelor posedă un motiv conservat de buclă de tijă 3` care se leagă selectiv de proteina de legare a buclei stem ( SLBP ). Legarea SLBP este necesară pentru procesarea, exportul și traducerea eficientă a ARNm histonice, permițându-i să funcționeze ca un „comutator” biochimic extrem de sensibil. În timpul fazei S, acumularea de SLBP acționează împreună cu NPAT pentru a crește drastic eficiența producției de histone. Cu toate acestea, odată cu încheierea fazei S, atât SLBP cât și ARN-ul legat se degradează rapid. Acest lucru oprește imediat producția de histone și previne acumularea toxică de histone libere.

Replicarea nucleozomilor

Reasamblarea conservatoare a nucleozomului nucleu H3 / H4 în spatele furcii de replicare.

Histonele libere produse de celulă în timpul fazei S sunt încorporate rapid în nucleozomi noi. Acest proces este strâns legat de furca de replicare, care apare imediat în „față” și „în spatele” complexului de replicare. Translocarea helicazei MCM de-a lungul firului principal perturba octamerii nucleozomului parental, rezultând eliberarea subunităților H3-H4 și H2A-H2B. Reasamblarea nucleozomilor în spatele furcii de replicare este mediată de factorii de asamblare a cromatinei (CAF) care sunt vag asociați cu proteinele de replicare. Deși nu este pe deplin înțeleasă, reasamblarea nu pare să utilizeze schema semi-conservatoare văzută în replicarea ADN-ului. Experimentele de etichetare indică faptul că duplicarea nucleozomilor este predominant conservatoare. Nucleozomul patern al nucleului H3-H4 rămâne complet separat de H3-H4 nou sintetizat, rezultând în formarea nucleozomilor care fie conțin exclusiv H3-H4 vechi, fie exclusiv H3-H4 nou. Histonele „vechi” și „noi” sunt atribuite fiecărei fire fiice semi-aleatoriu, rezultând o împărțire egală a modificărilor de reglementare.

Restabilirea domeniilor de cromatină

Imediat după divizare, fiecare cromatidă fiică posedă doar jumătate din modificările epigenetice prezente în cromatida paternă. Celula trebuie să utilizeze acest set parțial de instrucțiuni pentru a restabili domeniile funcționale ale cromatinei înainte de a intra în mitoză.

Pentru regiunile genomice mari, moștenirea nucleozomilor H3-H4 vechi este suficientă pentru restabilirea precisă a domeniilor de cromatină. Polycomb Repressive Complex 2 ( PRC2 ) și alte câteva complexe modificatoare de histone pot „copia” modificările prezente pe histone vechi pe histone noi. Acest proces amplifică semnele epigenetice și combate efectul diluator al duplicării nucleozomilor.

Cu toate acestea, pentru domeniile mici care se apropie de dimensiunea genelor individuale, nucleozomii vechi sunt răspândiți prea subțire pentru propagarea exactă a modificărilor histonice. În aceste regiuni, structura cromatinei este probabil controlată prin încorporarea variantelor de histone în timpul reasamblării nucleozomilor. Corelația strânsă observată între H3.3 / H2A.Z și regiunile active transcripțional oferă sprijin acestui mecanism propus. Din păcate, o relație cauzală nu a fost încă dovedită.

Puncte de control ale deteriorării ADN-ului

În timpul fazei S, celula își examinează continuu genomul pentru a detecta anomalii. Detectarea deteriorării ADN-ului induce activarea a trei „căi de control” ale fazei S canonice care întârzie sau opresc continuarea progresului ciclului celular:

1. Replication Punctul de Control detectează stagnat furci de replicare prin integrarea semnalelor de la RPA, ATR Interactiunea Protein (ATRIP) și RAD17. La activare, punctul de control al replicării reglează în sus biosinteza nucleotidelor și blochează inițierea replicării de la origini neincendiate. Ambele procese contribuie la salvarea furcilor blocate prin creșterea disponibilității dNTP-urilor.
2. Cele mai SM Checkpoint blocuri mitozei pana cand intregul genom a fost duplicată cu succes. Această cale induce arestarea prin inhibarea complexului Cyclin-B-CDK1, care se acumulează treptat pe tot parcursul ciclului celular pentru a promova intrarea mitotică.
3. Punctul de verificare a fazei intra-S detectează pauzele cu două fire (DSB) prin activarea kinazelor ATR și ATM . În plus față de facilitarea reparării ADN-ului, ATR activ și ATM blochează progresia ciclului celular prin promovarea degradării CDC25A, o fosfatază care elimină reziduurile de fosfat inhibitor din CDK. Recombinarea omologă , un proces precis pentru repararea rupturilor de ADN dublu catenar, este cea mai activă în faza S, scade în G2 / M și este aproape absentă în faza G1 .

În plus față de aceste puncte de control canonice, dovezile recente sugerează că anomaliile în aprovizionarea cu histone și asamblarea nucleozomilor pot modifica, de asemenea, progresia fazei S. Epuizarea histonelor libere în celulele Drosophila prelungește dramatic faza S și provoacă oprirea permanentă în faza G2. Acest fenotip unic de arestare nu este asociat cu activarea căilor de deteriorare a ADN-ului canonic, indicând faptul că asamblarea nucleozomilor și furnizarea de histone pot fi examinate de un nou punct de control al fazei S.

Vezi si

• Indicele fazei S (SPI)
• Fracția S sau fracția de fază S (prognostic oncologic / patologic)
• Punct de restricție

Referințe