Faza S - S phase

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Asymetria w syntezie wiodących i opóźnionych nici

Faza S ( synteza w fazie ) to etap cyklu komórkowego , w którym DNA jest replikowany występujące między G 1 fazy i G 2 fazy . Ponieważ dokładna duplikacja genomu ma kluczowe znaczenie dla pomyślnego podziału komórki, procesy zachodzące podczas fazy S są ściśle regulowane i szeroko chronione.

Rozporządzenie

Wejście w fazę S jest kontrolowane przez punkt restrykcyjny G1 (R), który zobowiązuje komórki do pozostałej części cyklu komórkowego, jeśli są odpowiednie składniki odżywcze i sygnalizacja wzrostu. To przejście jest w zasadzie nieodwracalne; po przejściu przez punkt ograniczenia komórka przejdzie przez fazę S, nawet jeśli warunki środowiskowe staną się niekorzystne.

W związku z tym wejście w fazę S jest kontrolowane przez szlaki molekularne, które ułatwiają szybkie, jednokierunkowe przesunięcie stanu komórki. Na przykład w drożdżach wzrost komórek indukuje gromadzenie się cykliny Cln3 , która tworzy kompleksy z zależną od cyklin kinazą CDK2. Kompleks Cln3-CDK2 promuje transkrypcję genów fazy S poprzez inaktywację represora transkrypcji Whi5 . Ponieważ regulacja w górę genów fazy S prowadzi do dalszej supresji Whi5 , ten szlak tworzy pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego, która w pełni angażuje komórki do ekspresji genów w fazie S.

Niezwykle podobny schemat regulacyjny istnieje w komórkach ssaków. Sygnały mitogenne odbierane w fazie G1 powodują stopniową akumulację cykliny D, która tworzy kompleksy z CDK4 / 6. Aktywny kompleks cykliny D-CDK4 / 6 indukuje uwalnianie czynnika transkrypcyjnego E2F , który z kolei inicjuje ekspresję genów fazy S. Kilka genów docelowych E2F sprzyja dalszemu uwalnianiu E2F, tworząc pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego podobną do tej występującej w drożdżach.

replikacja DNA

Etapy syntezy DNA

W fazie M i fazie G1 komórki tworzą nieaktywne kompleksy przed replikacją (pre-RC) w miejscach inicjacji replikacji rozmieszczonych w całym genomie. Podczas fazy S komórka przekształca pre-RC w aktywne widełki replikacyjne, aby zainicjować replikację DNA. Proces ten zależy od aktywności kinazy Cdc7 i różnych CDK fazy S, z których obie są regulowane w górę po wejściu w fazę S.

Aktywacja pre-RC jest ściśle regulowanym i wysoce sekwencyjnym procesem. Po fosforylacji przez Cdc7 i CDK fazy S swoich odpowiednich substratów, drugi zestaw czynników replikacyjnych wiąże się z pre-RC. Stabilna asocjacja zachęca helikazę MCM do rozwijania małego odcinka rodzicielskiego DNA na dwie nici ssDNA, które z kolei rekrutują białko replikacyjne A ( RPA ), białko wiążące ssDNA. Rekrutacja RPA przygotowuje widełki replikacyjne do ładowania replikacyjnych polimeraz DNA i przesuwnych zacisków PCNA . Ładowanie tych czynników kończy aktywny widełek replikacyjnych i inicjuje syntezę nowego DNA.

Kompletny montaż rozwidlenia replikacji i aktywacja występuje tylko w niewielkim podzbiorze początków replikacji. Wszystkie eukarionty posiadają o wiele więcej miejsc inicjacji replikacji, niż jest to bezwzględnie konieczne podczas jednego cyklu replikacji DNA. Nadmiarowe miejsca pochodzenia mogą zwiększyć elastyczność replikacji DNA, umożliwiając komórkom kontrolowanie szybkości syntezy DNA i reagowanie na stres replikacyjny.

Synteza histonów

Ponieważ nowy DNA musi być upakowany w nukleosomach, aby funkcjonował prawidłowo, wraz z replikacją DNA zachodzi synteza kanonicznych (niezmiennych) białek histonowych . We wczesnej fazie S kompleks cykliny E-Cdk2 fosforyluje NPAT , jądrowy koaktywator transkrypcji histonów. NPAT jest aktywowany przez fosforylację i rekrutuje kompleks remodelujący chromatynę Tip60 do promotorów genów histonów. Aktywność Tip60 usuwa hamujące struktury chromatyny i prowadzi do trzy- do dziesięciokrotnego wzrostu szybkości transkrypcji.

Oprócz zwiększania transkrypcji genów histonów, wejście fazy S reguluje również produkcję histonów na poziomie RNA. Zamiast poliadenylowanych ogonów , kanoniczne transkrypty histonów mają konserwatywny motyw pętli trzonu 3 ', który selektywnie wiąże się z białkiem wiążącym pętlę macierzystą ( SLBP ). Wiązanie SLBP jest wymagane do wydajnego przetwarzania, eksportu i translacji mRNA histonów, co pozwala mu działać jako wysoce czuły biochemiczny „przełącznik”. Podczas fazy S akumulacja SLBP działa razem z NPAT, aby drastycznie zwiększyć wydajność produkcji histonów. Jednak po zakończeniu fazy S zarówno SLBP, jak i związany RNA ulegają szybkiej degradacji. To natychmiast zatrzymuje produkcję histonów i zapobiega toksycznemu gromadzeniu się wolnych histonów.

Replikacja nukleosomów

Konserwatywne ponowne złożenie nukleosomu rdzenia H3 / H4 za widełkami replikacyjnymi.

Wolne histony wytwarzane przez komórkę podczas fazy S są szybko włączane do nowych nukleosomów. Proces ten jest ściśle powiązany z rozwidleniem replikacyjnym i zachodzi bezpośrednio „z przodu” i „za” kompleksem replikacyjnym. Translokacja helikazy MCM wzdłuż wiodącej nici powoduje przerwanie rodzicielskich oktamerów nukleosomów, powodując uwolnienie podjednostek H3-H4 i H2A-H2B. Ponowne złożenie nukleosomów za widelcem replikacyjnym odbywa się za pośrednictwem czynników składania chromatyny (CAF), które są luźno związane z białkami replikacyjnymi. Chociaż nie w pełni zrozumiałe, ponowne złożenie nie wydaje się wykorzystywać półkonserwatywnego schematu obserwowanego w replikacji DNA. Eksperymenty znakowania wskazują, że duplikacja nukleosomów jest głównie konserwatywna. Ojcowski nukleosom rdzeniowy H3-H4 pozostaje całkowicie oddzielony od nowo zsyntetyzowanego H3-H4, w wyniku czego powstają nukleosomy, które albo zawierają wyłącznie stare H3-H4 lub wyłącznie nowe H3-H4. „Stare” i „nowe” histony są przypisywane do każdej nici potomnej pół-losowo, co powoduje równy podział modyfikacji regulacyjnych.

Przywrócenie domen chromatyny

Bezpośrednio po podziale każda chromatyda potomna posiada tylko połowę modyfikacji epigenetycznych obecnych w chromatydzie ojcowskiej. Komórka musi użyć tego częściowego zestawu instrukcji, aby przywrócić funkcjonalne domeny chromatynowe przed wejściem w mitozę.

W przypadku dużych regionów genomowych dziedziczenie starych nukleosomów H3-H4 jest wystarczające do dokładnego przywrócenia domen chromatyny. Kompleks represyjny Polycomb 2 ( PRC2 ) i kilka innych kompleksów modyfikujących histony może „kopiować” modyfikacje obecne na starych histonach na nowe histony. Proces ten wzmacnia znaczniki epigenetyczne i przeciwdziała rozcieńczającemu efektowi duplikacji nukleosomu.

Jednak w przypadku małych domen zbliżonych do rozmiaru poszczególnych genów stare nukleosomy są rozproszone zbyt cienko, aby umożliwić dokładne namnożenie modyfikacji histonów. W tych regionach struktura chromatyny jest prawdopodobnie kontrolowana przez włączenie wariantów histonów podczas ponownego składania nukleosomu. Ścisła korelacja widoczna między H3.3 / H2A.Z a regionami aktywnymi transkrypcyjnie potwierdza ten proponowany mechanizm. Niestety, związek przyczynowy nie został jeszcze udowodniony.

Punkty kontrolne uszkodzenia DNA

Podczas fazy S komórka stale bada swój genom pod kątem nieprawidłowości. Wykrycie uszkodzenia DNA wywołuje aktywację trzech kanonicznych „ścieżek punktów kontrolnych” fazy S, które opóźniają lub zatrzymują dalszy postęp cyklu komórkowego:

  1. Punkt kontrolny replikacji wykrywa zablokowane widełki replikacyjne poprzez integrację sygnałów z RPA, białka oddziałującego z ATR (ATRIP) i RAD17. Po aktywacji punkt kontrolny replikacji reguluje w górę biosyntezę nukleotydów i blokuje inicjację replikacji z niewypalonych miejsc startowych. Oba te procesy przyczyniają się do ratowania zablokowanych wideł poprzez zwiększenie dostępności dNTP.
  2. Punkt kontrolny SM blokuje mitozę, dopóki cały genom nie zostanie pomyślnie zduplikowany. Szlak ten wywołuje zatrzymanie przez hamowanie kompleksu Cyklina-B-CDK1, który stopniowo gromadzi się w całym cyklu komórkowym, sprzyjając wejściu mitozy.
  3. Punkt kontrolny fazy wewnątrz-S wykrywa przerwania podwójnej nici (DSB) poprzez aktywację kinaz ATR i ATM . Oprócz ułatwiania naprawy DNA, aktywny ATR i ATM hamują progresję cyklu komórkowego poprzez promowanie degradacji CDC25A, fosfatazy, która usuwa hamujące reszty fosforanowe z CDK. Rekombinacja homologiczna , dokładny proces naprawy pęknięć dwuniciowego DNA, jest najbardziej aktywna w fazie S, spada w G2 / M i jest prawie nieobecna w fazie G1 .

Oprócz tych kanonicznych punktów kontrolnych, ostatnie dowody sugerują, że nieprawidłowości w zaopatrzeniu w histony i składaniu nukleosomów mogą również wpływać na progresję fazy S. Ubytek wolnych histonów w komórkach Drosophila dramatycznie wydłuża fazę S i powoduje trwałe zatrzymanie fazy G2. Ten wyjątkowy fenotyp zatrzymania nie jest związany z aktywacją kanonicznych szlaków uszkodzeń DNA, co wskazuje, że składanie nukleosomów i dostarczanie histonów mogą być badane przez nowy punkt kontrolny fazy S.

Zobacz też

Bibliografia