S fase - S phase
S-fase ( Synthesis fase ) er fasen af cellecyklen , i hvilken DNA er replikeret , forekommer mellem G 1 -fase og G 2 fase . Da nøjagtig duplikering af genomet er afgørende for vellykket celledeling, er de processer, der opstår under S-fase, stramt reguleret og bredt konserveret.
Regulering
Indtastning i S-fase styres af G1- begrænsningspunktet (R), som forpligter celler til resten af cellecyklussen, hvis der er tilstrækkelige næringsstoffer og vækstsignalering. Denne overgang er i det væsentlige irreversibel; efter at have passeret begrænsningspunktet, vil cellen komme igennem S-fasen, selvom miljøforholdene bliver ugunstige.
Følgelig styres indtræden i S-fase af molekylære veje, der letter et hurtigt, ensrettet skift i celletilstand. I gær inducerer cellevækst for eksempel akkumulering af Cln3- cyclin , som kompleksdannes med den cyclinafhængige kinase CDK2. Cln3-CDK2-komplekset fremmer transkription af S-fase gener ved at inaktivere transkriptionsrepressoren Whi5 . Da opregulering af S-fase gener driver yderligere undertrykkelse af Whi5 , skaber denne vej en positiv feedback-loop, der fuldt ud forpligter celler til S-fase genekspression.
En bemærkelsesværdig lignende reguleringsordning findes i pattedyrceller. Mitogene signaler, der modtages gennem G1-fasen, forårsager gradvis akkumulering af cyclin D, som kompleksiserer med CDK4 / 6. Aktivt cyclin D-CDK4 / 6-kompleks inducerer frigivelse af E2F- transkriptionsfaktor, som igen initierer ekspression af S-fase gener. Flere E2F-målgener fremmer yderligere frigivelse af E2F, hvilket skaber en positiv feedback-sløjfe svarende til den, der findes i gær.
DNA-replikation
Gennem M-fase og G1-fase samler celler inaktive præ-replikationskomplekser (pre-RC) på replikationsoprindelse fordelt gennem genomet. Under S-fase konverterer cellen præ-RC'er til aktive replikationsgafler for at initiere DNA-replikation. Denne proces afhænger af kinaseaktiviteten af Cdc7 og forskellige S-fase CDK'er, som begge er opreguleret ved S-fase indgang.
Aktivering af præ-RC er en tæt reguleret og yderst sekventiel proces. Efter Cdc7 og S-fase CDK'er phosphorylerer deres respektive substrater, er et andet sæt replikative faktorer forbundet med præ-RC. Stabil forening tilskynder MCM helicase til at afvikle en lille strækning af forældres DNA i to tråde af ssDNA, som igen rekrutterer replikationsprotein A ( RPA ), et ssDNA-bindende protein. RPA-rekruttering primerer replikationsgaffelen til indlæsning af replikative DNA- polymeraser og PCNA- glideklemmer. Indlæsning af disse faktorer afslutter den aktive replikationsgaffel og initierer syntese af nyt DNA.
Komplet replikeringsgaffelsamling og aktivering finder kun sted på et lille undersæt af replikationsoprindelse. Alle eukaryoter har mange flere replikationsoprindelse end strengt nødvendigt under en cyklus af DNA-replikation. Redundante oprindelser kan øge fleksibiliteten af DNA-replikation, så celler kan kontrollere hastigheden af DNA-syntese og reagere på replikationsstress.
Histonsyntese
Da nyt DNA skal pakkes ind i nukleosomer for at fungere korrekt, forekommer syntese af kanoniske (ikke-variant) histonproteiner ved siden af DNA-replikation. Under den tidlige S-fase phosphorylerer cyclin E-Cdk2-komplekset NPAT , en nuklear coaktivator af histontranskription . NPAT aktiveres ved phosphorylering og rekrutterer Tip60-kromatin-remodelingskomplekset til promotorerne af histongener. Tip60-aktivitet fjerner inhiberende kromatinstrukturer og driver en tre til ti gange stigning i transkriptionshastighed.
Ud over at øge transkription af histongener regulerer S-faseindgang også histonproduktion på RNA-niveau. I stedet for polyadenylerede haler , kanoniske histon transkripter besidder et konserveret 3 fastsatte stikprøver stem-loop motiv at selektive binder til Stem Loop Binding Protein ( SLBP ). SLBP-binding er påkrævet til effektiv behandling, eksport og translation af histon-mRNA'er, så den kan fungere som en meget følsom biokemisk "switch". Under S-fase fungerer ophobning af SLBP sammen med NPAT for drastisk at øge effektiviteten af histonproduktion. Når først S-fasen slutter, nedbrydes imidlertid både SLBP og bundet RNA hurtigt. Dette standser øjeblikkeligt histonproduktionen og forhindrer en toksisk ophobning af frie histoner.
Nukleosomreplikation
Gratis histoner produceret af cellen under S-fase inkorporeres hurtigt i nye nukleosomer. Denne proces er tæt knyttet til replikationsgaflen, og finder sted straks foran "og" bag "replikeringskomplekset. Translokation af MCM helicase langs den førende streng forstyrrer forældrenes nukleosomoktamerer, hvilket resulterer i frigivelsen af H3-H4- og H2A-H2B-underenheder. Genmontering af nukleosomer bag replikationsgaffelen medieres af kromatinsamlingsfaktorer (CAF'er), der er løst forbundet med replikationsproteiner. Selvom det ikke forstås fuldt ud, ser samlingen ikke ud til at udnytte den semi-konservative ordning set i DNA-replikation. Mærkningseksperimenter indikerer, at nukleosom duplikation overvejende er konservativ. Det paternelle H3-H4-kernenukleosom forbliver fuldstændigt adskilt fra nysyntetiseret H3-H4, hvilket resulterer i dannelsen af nukleosomer, der enten indeholder udelukkende gammelt H3-H4 eller udelukkende nyt H3-H4. "Gamle" og "nye" histoner tildeles hver datterstreng semi-tilfældigt, hvilket resulterer i lige fordeling af regulatoriske ændringer.
Genetablering af kromatindomæner
Umiddelbart efter opdeling besidder hver datterkromatid kun halvdelen af de epigenetiske modifikationer, der er til stede i faderligt kromatid. Cellen skal bruge dette delvise sæt instruktioner til at genskabe funktionelle kromatindomæner, inden de går ind i mitose.
I store genomiske regioner er arv af gamle H3-H4-nukleosomer tilstrækkelig til nøjagtig gendannelse af kromatindomæner. Polycomb Repressive Complex 2 ( PRC2 ) og adskillige andre histonmodificerende komplekser kan "kopiere" modifikationer til stede på gamle histoner til nye histoner. Denne proces forstærker epigenetiske mærker og modvirker den fortyndende virkning af nukleosom duplikering.
For små domæner, der nærmer sig størrelsen på individuelle gener, spredes gamle nukleosomer imidlertid for tyndt til nøjagtig formering af histonmodifikationer. I disse regioner styres chromatinstrukturen sandsynligvis ved inkorporering af histonvarianter under genmontering af nukleosom. Den tætte sammenhæng set mellem H3.3 / H2A.Z og transkriptionelt aktive regioner understøtter denne foreslåede mekanisme. Desværre er et årsagsforhold endnu ikke bevist.
DNA-skader kontrolpunkter
Under S-fase undersøger cellen kontinuerligt sit genom for abnormiteter. Påvisning af DNA-skade inducerer aktivering af tre kanoniske "kontrolpunktveje" i S-fase, der forsinker eller standser yderligere cellecyklusprogression:
- Den Replication Checkpoint detekterer bremset replikationsforgreninger ved at integrere signalerne fra RPA, ATR interagerende protein (atrip), og RAD17. Efter aktivering opregulerer replikationskontrolpunktet nukleotidbiosyntese og blokerer replikationsinitiering fra ubrændt oprindelse. Begge disse processer bidrager til redning af fastgjorte gafler ved at øge tilgængeligheden af dNTP'er.
- De SM Checkpoint blokerer mitosen indtil hele genomet er blevet duplikeret med succes. Denne vej inducerer anholdelse ved at hæmme Cyclin-B-CDK1-komplekset, som gradvist akkumuleres gennem cellecyklussen for at fremme mitotisk adgang.
- Den -S intra fase Checkpoint detekterer dobbeltstrengsbrud (DSB'er) gennem aktivering af ATR og ATM kinaser. Ud over at lette DNA-reparation standser aktiv ATR og ATM cellecyklusprogression ved at fremme nedbrydning af CDC25A, en phosphatase, der fjerner inhiberende phosphatrester fra CDK'er. Homolog rekombination , en nøjagtig proces til reparation af DNA- dobbeltstrengsbrud, er mest aktiv i S-fase, falder i G2 / M og er næsten fraværende i G1-fase .
Ud over disse kanoniske kontrolpunkter antyder nylige beviser, at abnormiteter i histontilførsel og nukleosomsamling også kan ændre S-fase progression. Udtømning af frie histoner i Drosophila- celler forlænger dramatisk S-fasen og forårsager permanent anholdelse i G2-fasen. Denne unikke arrestfænotype er ikke forbundet med aktivering af kanoniske DNA-beskadigelsesveje, hvilket indikerer, at nukleosomsamling og histontilførsel kan undersøges ved hjælp af et nyt S-fase kontrolpunkt.
Se også
- S faseindeks (SPI)
- S-fraktion eller S-fase fraktion (onkologi / patologi prognose)
- Begrænsningspunkt