S-фаза

Фаза S ( фаза синтеза ) — это фаза клеточного цикла которой ДНК реплицируется , происходящая между G1 _, фазой и G2 _в фазой . ^{[ 1 ]} Поскольку точное дублирование генома имеет решающее значение для успешного деления клеток, процессы, происходящие во время S-фазы, жестко регулируются и широко консервативны.

Регулирование

Вход в S-фазу контролируется точкой ограничения G1 (R), которая передает клеткам оставшуюся часть клеточного цикла, если имеется достаточное количество питательных веществ и сигналов роста. ^{[ 2 ]} Этот переход по существу необратим; после прохождения точки ограничения клетка перейдет через S-фазу, даже если условия окружающей среды станут неблагоприятными. ^{[ 2 ]}

Соответственно, вход в S-фазу контролируется молекулярными путями, которые способствуют быстрому однонаправленному сдвигу состояния клетки. Например, у дрожжей рост клеток индуцирует накопление циклина Cln3 , который образует комплекс с циклин-зависимой киназой CDK2. ^{[ 3 ]} Комплекс Cln3-CDK2 способствует транскрипции генов S-фазы путем инактивации репрессора транскрипции Whi5 . ^{[ 3 ]} Поскольку активация генов S-фазы приводит к дальнейшему подавлению Whi5 , этот путь создает петлю положительной обратной связи, которая полностью заставляет клетки экспрессировать гены S-фазы. ^{[ 3 ]}

Удивительно похожая схема регуляции существует в клетках млекопитающих. ^{[ 3 ]} Митогенные сигналы, полученные на протяжении фазы G1, вызывают постепенное накопление циклина D, который образует комплекс с CDK4/6. ^{[ 3 ]} Активный комплекс циклин D-CDK4/6 индуцирует высвобождение транскрипционного фактора E2F , который, в свою очередь, инициирует экспрессию генов S-фазы. ^{[ 3 ]} Несколько генов-мишеней E2F способствуют дальнейшему высвобождению E2F, создавая петлю положительной обратной связи, аналогичную той, которая обнаружена у дрожжей. ^{[ 3 ]}

репликация ДНК

На протяжении фазы M и фазы G1 клетки собирают неактивные пререпликационные комплексы (пре-RC) в точках начала репликации, распределенных по всему геному. ^{[ 4 ]} Во время S-фазы клетка преобразует пре-РК в активные репликационные вилки, чтобы инициировать репликацию ДНК. ^{[ 4 ]} Этот процесс зависит от киназной активности Cdc7 и различных CDK S-фазы, оба из которых активируются при входе в S-фазу. ^{[ 4 ]}

Активация pre-RC — тщательно регулируемый и очень последовательный процесс. После того, как Cdc7 и CDK S-фазы фосфорилируют свои соответствующие субстраты, второй набор репликативных факторов связывается с пре-RC. ^{[ 4 ]} Стабильная ассоциация побуждает хеликазу MCM раскручивать небольшой участок родительской ДНК на две нити оцДНК, которые, в свою очередь, рекрутируют белок репликации А ( RPA ), белок, связывающий оцДНК. ^{[ 4 ]} Рекрутирование RPA запускает репликационную вилку для загрузки репликативных ДНК- полимераз и PCNA . скользящих зажимов ^{[ 4 ]} Загрузка этих факторов завершает активную репликационную вилку и инициирует синтез новой ДНК.

Полная сборка и активация вилки репликации происходит только на небольшом подмножестве источников репликации. Все эукариоты обладают гораздо большим количеством точек начала репликации, чем это необходимо для одного цикла репликации ДНК. ^{[ 5 ]} Избыточные источники могут повысить гибкость репликации ДНК, позволяя клеткам контролировать скорость синтеза ДНК и реагировать на репликационный стресс. ^{[ 5 ]}

Синтез гистонов

Поскольку для правильного функционирования новая ДНК должна быть упакована в нуклеосомы , одновременно с репликацией ДНК происходит синтез канонических (нонвариантных) белков- гистонов . Во время ранней S-фазы комплекс циклин E-Cdk2 фосфорилирует NPAT , ядерный коактиватор транскрипции гистонов. ^{[ 6 ]} NPAT активируется путем фосфорилирования и привлекает комплекс ремоделирования хроматина Tip60 к промоторам гистоновых генов. ^{[ 6 ]} Активность Tip60 удаляет ингибирующие структуры хроматина и приводит к увеличению скорости транскрипции в три-десять раз. ^{[ 1 ]}^{[ 6 ]}

Помимо увеличения транскрипции гистоновых генов, вход в S-фазу также регулирует выработку гистонов на уровне РНК. Вместо полиаденилированных хвостов канонические транскрипты гистонов обладают консервативным мотивом 3'- стебельной петли , который избирательно связывается с белком, связывающим стебельчатую петлю ( SLBP ). ^{[ 7 ]} Связывание SLBP необходимо для эффективного процессинга, экспорта и трансляции мРНК гистонов, что позволяет ему функционировать как высокочувствительный биохимический «переключатель». ^{[ 7 ]} Во время S-фазы накопление SLBP действует вместе с NPAT, резко повышая эффективность производства гистонов. ^{[ 7 ]} Однако как только S-фаза заканчивается, как SLBP, так и связанная РНК быстро разрушаются. ^{[ 8 ]} Это немедленно останавливает выработку гистонов и предотвращает токсичное накопление свободных гистонов. ^{[ 9 ]}

Репликация нуклеосом

Консервативная повторная сборка ядра нуклеосомы H3/H4 за репликационной вилкой.

Свободные гистоны, вырабатываемые клеткой во время S-фазы, быстро включаются в новые нуклеосомы. Этот процесс тесно связан с репликационной вилкой, происходящей непосредственно «спереди» и «позади» репликационного комплекса. Транслокация хеликазы MCM вдоль ведущей цепи разрушает родительские октамеры нуклеосомы, что приводит к высвобождению субъединиц H3-H4 и H2A-H2B. ^{[ 10 ]} Повторная сборка нуклеосом за репликационной вилкой опосредуется факторами сборки хроматина (CAF), которые слабо связаны с белками репликации. ^{[ 4 ]}^{[ 11 ]} Хотя эта повторная сборка и не до конца понята, похоже, она не использует полуконсервативную схему, наблюдаемую при репликации ДНК. ^{[ 11 ]} Эксперименты по мечению показывают, что дупликация нуклеосом преимущественно консервативна. ^{[ 11 ]}^{[ 10 ]} Коровая нуклеосома отцовского H3-H4 остается полностью отделенной от вновь синтезированного H3-H4, что приводит к образованию нуклеосом, которые содержат либо исключительно старые H3-H4, либо исключительно новые H3-H4. ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]} «Старые» и «новые» гистоны назначаются каждой дочерней цепи полуслучайно, что приводит к равному разделению регуляторных модификаций. ^{[ 10 ]}

Восстановление доменов хроматина

Сразу после деления каждая дочерняя хроматида обладает только половиной эпигенетических модификаций, присутствующих в отцовской хроматиде. ^{[ 10 ]} Клетка должна использовать этот частичный набор инструкций для восстановления функциональных доменов хроматина перед вступлением в митоз.

Для больших геномных регионов наследование старых нуклеосом H3-H4 достаточно для точного восстановления доменов хроматина. ^{[ 10 ]} Репрессивный комплекс Polycomb 2 ( PRC2 ) и несколько других комплексов, модифицирующих гистоны, могут «копировать» модификации, присутствующие в старых гистонах, на новые. ^{[ 10 ]} Этот процесс усиливает эпигенетические метки и противодействует разбавляющему эффекту дупликации нуклеосом. ^{[ 10 ]}

Однако для небольших доменов, приближающихся к размеру отдельных генов, старые нуклеосомы распределены слишком тонко для точного распространения модификаций гистонов. ^{[ 10 ]} В этих регионах структура хроматина, вероятно, контролируется включением вариантов гистонов во время повторной сборки нуклеосом. ^{[ 10 ]} Тесная корреляция, наблюдаемая между H3.3/H2A.Z и транскрипционно активными областями, подтверждает этот предполагаемый механизм. ^{[ 10 ]} К сожалению, причинно-следственная связь еще не доказана. ^{[ 10 ]}

Контрольные точки повреждения ДНК

Во время S-фазы клетка постоянно проверяет свой геном на наличие аномалий. Обнаружение повреждения ДНК вызывает активацию трех канонических «путей контрольных точек» S-фазы, которые задерживают или останавливают дальнейшее развитие клеточного цикла: ^{[ 12 ]}

Контрольная точка репликации обнаруживает остановку вилок репликации путем интеграции сигналов от RPA, взаимодействующего белка ATR (ATRIP) и RAD17. ^{[ 12 ]} После активации контрольная точка репликации активирует биосинтез нуклеотидов и блокирует инициацию репликации из неактивированных источников. ^{[ 12 ]} Оба эти процесса способствуют спасению заглохших вилок за счет повышения доступности dNTP. ^{[ 12 ]}
SM Checkpoint блокирует митоз до тех пор, пока весь геном не будет успешно продублирован. ^{[ 12 ]} Этот путь вызывает остановку путем ингибирования комплекса циклин-B-CDK1, который постепенно накапливается на протяжении клеточного цикла, способствуя входу в митоз. ^{[ 12 ]}
Контрольная точка внутри S-фазы обнаруживает разрывы двойной цепи (DSB) посредством активации киназ ATR и ATM . ^{[ 12 ]} Помимо облегчения восстановления ДНК, активные ATR и ATM останавливают развитие клеточного цикла, способствуя деградации CDC25A, фосфатазы, которая удаляет ингибирующие фосфатные остатки из CDK. ^{[ 12 ]} Гомологичная рекомбинация , точный процесс ДНК восстановления двухцепочечных разрывов , наиболее активна в S-фазе, снижается в G2/M и почти отсутствует в G1-фазе . ^{[ 13 ]}

В дополнение к этим каноническим контрольным точкам, недавние данные свидетельствуют о том, что нарушения в поставках гистонов и сборке нуклеосом также могут изменять прогрессию S-фазы. ^{[ 14 ]} Истощение свободных гистонов в клетках дрозофилы резко продлевает S-фазу и вызывает необратимую остановку G2-фазы. ^{[ 14 ]} Этот уникальный фенотип ареста не связан с активацией канонических путей повреждения ДНК, указывая на то, что сборка нуклеосом и поставка гистонов могут быть тщательно изучены с помощью новой контрольной точки S-фазы. ^{[ 14 ]}

См. также

Индекс S-фазы (SPI)
S-фракция или фракция S-фазы (прогноз онкологии/патологии)
Точка ограничения

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Дэвид М. (2007). Клеточный цикл: принципы управления . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0199206100 . OCLC 813540567 .
^ Jump up to: ^а ^б Парди А.Б., Благосклонный М.В. (2013). Точка ограничения клеточного цикла . Ландес Бионаука.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Бертоли С., Скотхайм Дж. М., де Брюин Р. А. (август 2013 г.). «Контроль транскрипции клеточного цикла во время фаз G1 и S» . Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 14 (8): 518–28. дои : 10.1038/nrm3629 . ПМК 4569015 . ПМИД 23877564 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Такеда Д.Ю., Дутта А. (апрель 2005 г.). «Репликация ДНК и продвижение через S-фазу» . Онкоген . 24 (17): 2827–43. дои : 10.1038/sj.onc.1208616 . ПМИД 15838518 .
^ Jump up to: ^а ^б Леонард AC, Мечали М (октябрь 2013 г.). «Происхождение репликации ДНК» . Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 5 (10): а010116. doi : 10.1101/cshperspect.a010116 . ПМЦ 3783049 . ПМИД 23838439 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ДеРан М., Пульвино М., Грин Э., Су С., Чжао Дж. (январь 2008 г.). «Транскрипционная активация гистоновых генов требует NPAT-зависимого рекрутирования комплекса TRRAP-Tip60 к промоторам гистонов во время фазового перехода G1/S» . Молекулярная и клеточная биология . 28 (1): 435–47. дои : 10.1128/MCB.00607-07 . ПМК 2223310 . ПМИД 17967892 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Марзлуфф В.Ф., Корески К.П. (октябрь 2017 г.). «Рождение и смерть мРНК гистонов» . Тенденции в генетике . 33 (10): 745–759. дои : 10.1016/j.tig.2017.07.014 . ПМЦ 5645032 . ПМИД 28867047 .
^ Уитфилд М.Л., Чжэн Л.С., Болдуин А., Охта Т., Хёрт М.М., Марзлафф В.Ф. (июнь 2000 г.). «Белок, связывающий стебель-петлю, белок, который связывает 3'-конец мРНК гистонов, регулируется клеточным циклом как трансляционными, так и посттрансляционными механизмами» . Молекулярная и клеточная биология . 20 (12): 4188–98. дои : 10.1128/MCB.20.12.4188-4198.2000 . ПМЦ 85788 . ПМИД 10825184 .
^ Ма Ю, Канакусаки К, Буттитта Л (2015). «Как клеточный цикл влияет на архитектуру хроматина и судьбу клеток» . Границы генетики . 6:19 . дои : 10.3389/fgene.2015.00019 . ПМК 4315090 . ПМИД 25691891 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л Рамачандран С., Хеникофф С. (август 2015 г.). «Репликация нуклеосом» . Достижения науки . 1 (7): e1500587. Бибкод : 2015SciA....1E0587R . дои : 10.1126/sciadv.1500587 . ПМЦ 4530793 . ПМИД 26269799 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Аннунциато АТ (апрель 2005 г.). «Раздельное решение: что происходит с нуклеосомами во время репликации ДНК?» . Журнал биологической химии . 280 (13): 12065–8. дои : 10.1074/jbc.R400039200 . ПМИД 15664979 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Бартек Дж., Лукас С., Лукас Дж. (октябрь 2004 г.). «Проверка повреждений ДНК в S-фазе». Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 5 (10): 792–804. дои : 10.1038/nrm1493 . ПМИД 15459660 . S2CID 33560392 .
^ Мао З., Боззелла М., Селуанов А., Горбунова В. (сентябрь 2008 г.). «Репарация ДНК путем негомологичного соединения концов и гомологичной рекомбинации во время клеточного цикла в клетках человека» . Клеточный цикл . 7 (18): 2902–6. дои : 10.4161/cc.7.18.6679 . ПМК 2754209 . ПМИД 18769152 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Гюнесдоган У, Йекле Х, Херциг А (сентябрь 2014 г.). «Поставка гистонов регулирует время S-фазы и течение клеточного цикла» . электронная жизнь . 3 : e02443. doi : 10.7554/eLife.02443 . ПМЦ 4157229 . ПМИД 25205668 .

[:5-1] Jump up to: ^а ^б Дэвид М. (2007). Клеточный цикл: принципы управления . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0199206100 . OCLC 813540567 .

[:6-2] Jump up to: ^а ^б Парди А.Б., Благосклонный М.В. (2013). Точка ограничения клеточного цикла . Ландес Бионаука.

[:7-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Бертоли С., Скотхайм Дж. М., де Брюин Р. А. (август 2013 г.). «Контроль транскрипции клеточного цикла во время фаз G1 и S» . Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 14 (8): 518–28. дои : 10.1038/nrm3629 . ПМК 4569015 . ПМИД 23877564 .

[:2-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Такеда Д.Ю., Дутта А. (апрель 2005 г.). «Репликация ДНК и продвижение через S-фазу» . Онкоген . 24 (17): 2827–43. дои : 10.1038/sj.onc.1208616 . ПМИД 15838518 .

[:3-5] Jump up to: ^а ^б Леонард AC, Мечали М (октябрь 2013 г.). «Происхождение репликации ДНК» . Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 5 (10): а010116. doi : 10.1101/cshperspect.a010116 . ПМЦ 3783049 . ПМИД 23838439 .

[:0-6] Jump up to: ^а ^б ^с ДеРан М., Пульвино М., Грин Э., Су С., Чжао Дж. (январь 2008 г.). «Транскрипционная активация гистоновых генов требует NPAT-зависимого рекрутирования комплекса TRRAP-Tip60 к промоторам гистонов во время фазового перехода G1/S» . Молекулярная и клеточная биология . 28 (1): 435–47. дои : 10.1128/MCB.00607-07 . ПМК 2223310 . ПМИД 17967892 .

[:1-7] Jump up to: ^а ^б ^с Марзлуфф В.Ф., Корески К.П. (октябрь 2017 г.). «Рождение и смерть мРНК гистонов» . Тенденции в генетике . 33 (10): 745–759. дои : 10.1016/j.tig.2017.07.014 . ПМЦ 5645032 . ПМИД 28867047 .

[8] Уитфилд М.Л., Чжэн Л.С., Болдуин А., Охта Т., Хёрт М.М., Марзлафф В.Ф. (июнь 2000 г.). «Белок, связывающий стебель-петлю, белок, который связывает 3'-конец мРНК гистонов, регулируется клеточным циклом как трансляционными, так и посттрансляционными механизмами» . Молекулярная и клеточная биология . 20 (12): 4188–98. дои : 10.1128/MCB.20.12.4188-4198.2000 . ПМЦ 85788 . ПМИД 10825184 .

[9] Ма Ю, Канакусаки К, Буттитта Л (2015). «Как клеточный цикл влияет на архитектуру хроматина и судьбу клеток» . Границы генетики . 6:19 . дои : 10.3389/fgene.2015.00019 . ПМК 4315090 . ПМИД 25691891 .

[:8-10] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л Рамачандран С., Хеникофф С. (август 2015 г.). «Репликация нуклеосом» . Достижения науки . 1 (7): e1500587. Бибкод : 2015SciA....1E0587R . дои : 10.1126/sciadv.1500587 . ПМЦ 4530793 . ПМИД 26269799 .

[:9-11] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Аннунциато АТ (апрель 2005 г.). «Раздельное решение: что происходит с нуклеосомами во время репликации ДНК?» . Журнал биологической химии . 280 (13): 12065–8. дои : 10.1074/jbc.R400039200 . ПМИД 15664979 .

[:10-12] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Бартек Дж., Лукас С., Лукас Дж. (октябрь 2004 г.). «Проверка повреждений ДНК в S-фазе». Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 5 (10): 792–804. дои : 10.1038/nrm1493 . ПМИД 15459660 . S2CID 33560392 .

[pmid18769152-13] Мао З., Боззелла М., Селуанов А., Горбунова В. (сентябрь 2008 г.). «Репарация ДНК путем негомологичного соединения концов и гомологичной рекомбинации во время клеточного цикла в клетках человека» . Клеточный цикл . 7 (18): 2902–6. дои : 10.4161/cc.7.18.6679 . ПМК 2754209 . ПМИД 18769152 .

[:4-14] Jump up to: ^а ^б ^с Гюнесдоган У, Йекле Х, Херциг А (сентябрь 2014 г.). «Поставка гистонов регулирует время S-фазы и течение клеточного цикла» . электронная жизнь . 3 : e02443. doi : 10.7554/eLife.02443 . ПМЦ 4157229 . ПМИД 25205668 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]