Faza S - S phase

Asymetria w syntezie nici wiodących i opóźnionych

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 komórek, procesy zachodzące w fazie S są ściśle regulowane i szeroko konserwatywne.

Rozporządzenie

Wejście w fazę S jest kontrolowane przez punkt restrykcji G1 (R), który przenosi komórki na pozostałą część cyklu komórkowego, jeśli są odpowiednie składniki odżywcze i sygnalizacja wzrostu. To przejście jest zasadniczo nieodwracalne; po przekroczeniu punktu 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 szybką, jednokierunkową zmianę stanu komórki. Na przykład u drożdży wzrost komórek indukuje akumulację cykliny Cln3 , która tworzy kompleksy z kinazą zależną od cykliny 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 , szlak ten tworzy pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego, która w pełni angażuje komórki w ekspresję genów fazy S.

Niezwykle podobny schemat regulacyjny istnieje w komórkach ssaków. Sygnały mitogenne odbierane w całej fazie G1 powodują stopniową akumulację cykliny D, która kompleksuje się 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 promuje dalsze uwalnianie 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 przedreplikacyjne (pre-RC) na początku replikacji rozmieszczone 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 do fazy S.

Aktywacja pre-RC jest ściśle regulowanym i wysoce sekwencyjnym procesem. Po tym, jak CDK Cdc7 i fazy S ufosforylują swoje odpowiednie substraty, drugi zestaw czynników replikacyjnych wiąże się z pre-RC. Stabilne powiązanie zachęca helikazy MCM do rozwinięcia małego odcinka macierzystego DNA na dwie nici ssDNA, co z kolei rekrutuje białko replikacji A ( RPA ), białko wiążące ssDNA. Rekrutacja RPA przygotowuje widełki replikacyjne do ładowania replikacyjnych polimeraz DNA i zacisków przesuwnych PCNA . Załadowanie tych czynników uzupełnia aktywne widełki replikacyjne i inicjuje syntezę nowego DNA.

Kompletny zestaw rozwidlenia replikacji i aktywacja występuje tylko w niewielkim podzbiorze źródeł replikacji. Wszystkie eukarionty posiadają znacznie więcej miejsc startu replikacji niż jest to ściśle potrzebne podczas jednego cyklu replikacji DNA. Nadmiarowe źródła mogą zwiększać elastyczność replikacji DNA, umożliwiając komórkom kontrolowanie szybkości syntezy DNA i reagowanie na stres replikacyjny.

Synteza histonów

Ponieważ nowy DNA musi być zapakowany do nukleosomów, aby funkcjonować prawidłowo, synteza kanonicznych (nieodmiennych) białek histonowych zachodzi równolegle z replikacją DNA. We wczesnej fazie S kompleks cykliny E-Cdk2 fosforyluje NPAT , jądrowy koaktywator transkrypcji histonów. NPAT jest aktywowany przez fosforylację i rekrutuje kompleks przebudowujący chromatynę Tip60 do promotorów genów histonów. Aktywność Tip60 usuwa hamujące struktury chromatyny i powoduje trzy do dziesięciokrotny wzrost szybkości transkrypcji.

Oprócz zwiększenia transkrypcji genów histonowych, wejście do fazy S reguluje również produkcję histonów na poziomie RNA. Zamiast poliadenylowanych ogonów , kanoniczne transkrypty histonowe posiadają konserwatywny motyw 3' łodyżki, który selektywnie wiąże się z białkiem wiążącym pętlę macierzystą ( ang . Stem Loop Binding Protein, SLBP ). Wiązanie SLBP jest wymagane do wydajnego przetwarzania, eksportu i translacji mRNA histonów, co pozwala mu działać jako bardzo czuły „przełącznik” biochemiczny. 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 nukleosomu

Konserwatywne ponowne złożenie nukleosomu rdzeniowego 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 widełkami replikacyjnymi, występującymi bezpośrednio „z przodu” i „za” kompleksem replikacyjnym. Translokacja helikazy MCM wzdłuż wiodącej nici rozbija macierzyste oktamery nukleosomów, powodując uwolnienie podjednostek H3-H4 i H2A-H2B. Ponowne składanie nukleosomów za widełkami replikacyjnymi odbywa się za pośrednictwem czynników składania chromatyny (CAF), które są luźno związane z białkami replikacyjnymi. Choć nie w pełni zrozumiałe, ponowny montaż nie wydaje się, aby korzystać z semi-konserwatywne schemat widziany w replikacji DNA. Eksperymenty ze znakowaniem wskazują, że duplikacja nukleosomów jest głównie konserwatywna. Ojcowski rdzeń nukleosomów H3-H4 pozostaje całkowicie oddzielony od nowo zsyntetyzowanego H3-H4, co powoduje powstawanie nukleosomów, które zawierają wyłącznie stary H3-H4 lub wyłącznie nowy H3-H4. Histony „stare” i „nowe” są przypisywane do każdej nici potomnej półlosowo, co skutkuje równym podziałem modyfikacji regulacyjnych.

Przywrócenie domen chromatyny

Natychmiast 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 chromatyny przed wejściem w mitozę.

W przypadku dużych regionów genomowych dziedziczenie starych nukleosomów H3-H4 jest wystarczające do dokładnego przywrócenia domen chromatyny. Polycomb Repressive Complex 2 ( PRC2 ) i kilka innych kompleksów modyfikujących histony mogą „kopiować” modyfikacje obecne w starych histonach na nowe histony. Proces ten wzmacnia znaczniki epigenetyczne i przeciwdziała rozwadniającemu efektowi powielania nukleosomów.

Jednak w przypadku małych domen zbliżonych rozmiarem do pojedynczych genów stare nukleosomy są rozsiane zbyt cienka, aby można było dokładnie propagować modyfikacje histonów. W tych regionach struktura chromatyny jest prawdopodobnie kontrolowana przez włączenie wariantów histonów podczas ponownego składania nukleosomu. Ścisła korelacja obserwowana między H3.3/H2A.Z a regionami aktywnymi transkrypcyjnie potwierdza ten proponowany mechanizm. Niestety, związek przyczynowy nie został jeszcze udowodniony.

Punkty kontrolne uszkodzeń DNA

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

  1. Punkt kontrolny replikacji wykrywa zatrzymane widełki replikacyjne poprzez integrację sygnałów z RPA, białka oddziałującego z ATR (ATRIP) i RAD17. Po aktywacji, punkt kontrolny replikacji zwiększa biosyntezę nukleotydów i blokuje inicjację replikacji z niewystrzelonych źródeł. 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 indukuje zatrzymanie poprzez hamowanie kompleksu Cyklina-B-CDK1, który stopniowo gromadzi się w całym cyklu komórkowym, aby promować wejście mitotyczne.
  3. Punkt kontrolny fazy intra-S wykrywa pęknięcia podwójnej nici (DSB) poprzez aktywację kinaz ATR i ATM . Oprócz ułatwienia naprawy DNA, aktywne ATR i ATM opóźniają 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 fazie G2/M i jest prawie nieobecna w fazie G1 .

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

Zobacz też

Bibliografia