S fázis - S phase
S fázis ( szintézis fázis ) az a fázis a sejtciklus , amelyben a DNS van replikálódik , között fellépő G 1 fázisú és G 2 fázisú . Mivel a genom pontos duplikálása kritikus a sikeres sejtosztódás szempontjából, az S-fázis során bekövetkező folyamatokat szorosan szabályozzák és széles körben konzerválják.
Szabályozás
Az S-fázisba való belépést a G1 restrikciós pont (R) szabályozza, amely a sejteket a sejtciklus hátralévő részére irányítja, ha megfelelő tápanyagok és növekedési szignál van. Ez az átmenet lényegében visszafordíthatatlan; a restrikciós pont áthaladása után a sejt továbbhalad az S-fázisban, még akkor is, ha a környezeti feltételek kedvezőtlenné válnak.
Ennek megfelelően az S-fázisba való belépést olyan molekuláris utak szabályozzák, amelyek elősegítik a sejtek gyors, egyirányú elmozdulását. Élesztőben például a sejtnövekedés Cln3- ciklin felhalmozódását indukálja , amely a ciklinfüggő CDK2 kinázzal komplexálódik . A Cln3-CDK2 komplex elősegíti az S-fázisú gének átírását azáltal, hogy inaktiválja a Whi5 transzkripciós represszort . Mivel az S-fázisú gének újraszabályozása a Whi5 további elnyomását eredményezi , ez az út pozitív visszacsatolási hurkot hoz létre, amely teljes mértékben elkötelezi a sejteket az S-fázisú génexpresszióban.
Feltűnően hasonló szabályozási rendszer létezik az emlős sejtekben. A G1-fázis során kapott mitogén jelek fokozatosan felhalmozzák a ciklin D-t, amely a CDK4 / 6-tal komplexet képez. Az aktív ciklin D-CDK4 / 6 komplex az E2F transzkripciós faktor felszabadulását indukálja , ami viszont elindítja az S-fázisú gének expresszióját. Számos E2F célgén elősegíti az E2F további felszabadulását, pozitív visszacsatolási hurkot hozva létre, hasonlóan az élesztőben találhatóhoz.
DNS replikáció
Az M fázisban és a G1 fázisban a sejtek inaktív pre-replikációs komplexeket (pre-RC) állítanak össze a genomban elosztott replikációs origókon. Az S-fázis során a sejt átalakítja az pre-RC-ket aktív replikációs villákká a DNS-replikáció megindítása érdekében. Ez a folyamat a Cdc7 és a különféle S-fázisú CDK-k kinázaktivitásától függ , amelyek mind az S-fázisba történő belépéskor felülszabályozódnak.
Az pre-RC aktiválása szorosan szabályozott és rendkívül szekvenciális folyamat. Miután a Cdc7 és S-fázisú CDK-k foszforilezik a megfelelő szubsztrátjaikat, a replikációs faktorok második csoportja társul az pre-RC-hez. A stabil asszociáció arra ösztönzi az MCM helikázt, hogy tekerje ki a szülői DNS egy kis szakaszát az ssDNS két szálává, ami viszont toborozza az A replikációs fehérjét ( RPA ), amely egy ssDNS-kötő fehérje. Az RPA-toborzás előkészíti a replikációs villát a replikatív DNS- polimerázok és a PCNA csúszó bilincsek betöltéséhez . Ezen tényezők feltöltése befejezi az aktív replikációs villát, és elindítja az új DNS szintézisét.
A teljes replikációs villa összeállítása és aktiválása csak a replikációs origók kis részhalmazán történik. Valamennyi eukarióta sokkal több replikációs eredettel rendelkezik, mint amennyire a DNS-replikációs ciklus során feltétlenül szükség van. A redundáns eredet növelheti a DNS-replikáció rugalmasságát, lehetővé téve a sejtek számára, hogy szabályozzák a DNS-szintézis sebességét és reagáljanak a replikációs stresszre.
Hisztonszintézis
Mivel a megfelelő működéshez az új DNS-t nukleoszómákba kell csomagolni , a kanonikus (nem variáns) hiszton fehérjék szintézise a DNS replikációja mellett történik. A korai S-fázis során a ciklin E-Cdk2 komplex foszforilálja az NPAT-t , amely a hiszton transzkripció nukleáris koaktivátora. Az NPAT foszforilezéssel aktiválódik, és beszervezi a Tip60 kromatin átalakító komplexet a hiszton gének promóterei közé. A Tip60 aktivitás eltávolítja a gátló kromatin szerkezeteket, és három-tízszeres növekedést eredményez a transzkripció sebességében.
A hiszton gének fokozott transzkripciója mellett az S-fázisba történő belépés szabályozza a hiszton termelését RNS szinten is. Poli- adenilezett farok helyett a kanonikus hiszton transzkriptumok konzervált 3` szárú hurok motívummal rendelkeznek, amely szelektíven kötődik a szár hurokkötő fehérjéhez ( SLBP ). Az hiszton mRNS-ek hatékony feldolgozásához, exportálásához és transzlálásához SLBP-kötődésre van szükség, amely lehetővé teszi, hogy rendkívül érzékeny biokémiai "kapcsolóként" működjön. Az S-fázis során az SLBP felhalmozódása az NPAT-tal együtt hat, hogy drasztikusan növelje a hisztontermelés hatékonyságát. Az S-fázis végeztével azonban az SLBP és a kötött RNS is gyorsan lebomlik. Ez azonnal leállítja a hisztontermelést és megakadályozza a szabad hisztonok mérgező felhalmozódását.
Nukleoszóma replikáció
A sejt által az S-fázis során termelt szabad hisztonok gyorsan beépülnek az új nukleoszómákba. Ez a folyamat szorosan kapcsolódik a replikációs villához, amely közvetlenül a replikációs komplexum „előtt” és „mögött” történik. Az MCM helikáz transzlokációja a vezető szál mentén megzavarja a szülői nukleoszóma oktamereket, ami H3-H4 és H2A-H2B alegységek felszabadulását eredményezi. A replikációs villa mögötti nukleoszómák újbóli összeszerelését a replikációs fehérjékhez lazán kapcsolódó kromatin-összeszerelési tényezők (CAF) közvetítik. Noha nem teljesen érthető, úgy tűnik, hogy az újraszerelés nem használja a DNS-replikációban látható félkonzervatív sémát. A címkézési kísérletek azt mutatják, hogy a nukleoszóma duplikáció túlnyomórészt konzervatív. Az apai H3-H4 mag nukleoszóma továbbra is teljesen elkülönül az újonnan szintetizált H3-H4-től, ami olyan nukleoszómák képződését eredményezi, amelyek vagy kizárólag régi H3-H4-et, vagy kizárólag új H3-H4-et tartalmaznak. A „régi” és „új” hisztonokat félvéletlenszerűen hozzárendelik minden leányszálhoz, ami a szabályozási módosítások egyenlő felosztását eredményezi.
A kromatin domének helyreállítása
Közvetlenül az osztódás után minden leánykromatid csak az apai kromatidban jelenlévő epigenetikai módosítások felével rendelkezik. A sejtnek ezt a részleges utasításkészletet kell használnia a funkcionális kromatintartományok helyreállításához, mielőtt belépne a mitózisba.
Nagy genomi régiók esetében a régi H3-H4 nukleoszómák öröklődése elegendő a kromatin domének pontos helyreállításához. A Polycomb Repressive Complex 2 ( PRC2 ) és számos más hisztonmódosító komplex "átmásolhatja" a régi hisztonokon található módosításokat új hisztonokra. Ez a folyamat felerősíti az epigenetikus jeleket, és ellensúlyozza a nukleoszóma duplikáció hígító hatását.
Azonban az egyes gének méretéhez közelítő kis domének esetében a régi nukleoszómák túl vékonyan terjednek a hiszton-módosítások pontos terjedéséhez. Ezekben a régiókban a kromatinszerkezetet valószínűleg a hisztonvariánsok beépülése szabályozza a nukleoszóma újracsatolása során. A H3.3 / H2A.Z és a transzkripciósan aktív régiók közötti szoros összefüggés alátámasztja ezt a javasolt mechanizmust. Sajnos az ok-okozati összefüggést még be kell bizonyítani.
DNS károsodás ellenőrző pontok
Az S-fázis során a sejt folyamatosan vizsgálja genomját rendellenességek szempontjából. A DNS-károsodás kimutatása három kanonikus S-fázisú "ellenőrzőpont-útvonal" aktiválódását idézi elő, amelyek késleltetik vagy megállítják a sejtciklus további progresszióját:
- A replikációs ellenőrző pont az elakadt replikációs villákat érzékeli az RPA, az ATR interakciós fehérje (ATRIP) és az RAD17 jeleinek integrálásával. Aktiválás után a replikáció ellenőrző pontja szabályozza a nukleotid bioszintézist, és blokkolja a replikáció iniciálását nem lángolt eredetekből. Mindkét folyamat hozzájárul az elakadt villák megmentéséhez a dNTP-k elérhetőségének növelésével.
- Az SM Checkpoint mindaddig blokkolja a mitózist, amíg a teljes genom meg nem duplikálódik. Ez az út megállást indukál a Cyclin-B-CDK1 komplex gátlásával, amely fokozatosan felhalmozódik az egész sejtciklusban a mitotikus bejutás elősegítése érdekében.
- Az intra-S fázisú ellenőrző pont kettős szálú szüneteket (DSB) észlel az ATR és ATM kinázok aktiválásával . A DNS helyreállításának megkönnyítése mellett az aktív ATR és ATM megállítja a sejtciklus progresszióját azáltal, hogy elősegíti a CDC25A lebontását, amely foszfatáz eltávolítja a gátló foszfátmaradványokat a CDK-kból. A homológ rekombináció , a DNS kettős szálú törések helyreállításának pontos folyamata az S-fázisban a legaktívabb, a G2 / M-ben csökken és a G1-fázisban szinte nincs .
Ezen kanonikus ellenőrzési pontok mellett a legújabb bizonyítékok arra utalnak, hogy a hisztonellátásban és a nukleoszóma-összeállításban fellépő rendellenességek szintén megváltoztathatják az S-fázis progresszióját. A szabad hisztonok kimerülése a Drosophila sejtekben drámai módon meghosszabbítja az S-fázist és tartós leállást okoz a G2-fázisban. Ez az egyedülálló letartóztatási fenotípus nem kapcsolódik a kanonikus DNS-károsodási utak aktiválásához, ami azt jelzi, hogy a nukleoszóma-összeállítást és a hisztonellátást egy új S-fázisú ellenőrző pont vizsgálhatja.
Lásd még
- S fázis index (SPI)
- S-frakció vagy S-fázisú frakció (onkológia / patológia prognózis)
- Korlátozási pont