S-vaihe - S phase
S-vaihe ( Synthesis vaihe ) on vaihe solusyklin , jossa DNA on replikoitu , välillä esiintyvä G 1 vaiheen ja G 2 vaihe . Koska genomin tarkka kopiointi on kriittinen solujen onnistuneelle jakautumiselle, S-vaiheen aikana tapahtuvat prosessit ovat tiukasti säädeltyjä ja konservoituneita.
Säätö
Siirtymistä S-vaiheeseen ohjaa G1- restriktiopiste (R), joka sitouttaa solut loppupäähän solusyklistä, jos ravintoaineita on riittävästi ja kasvusignaalit ovat olemassa. Tämä siirtymä on olennaisesti peruuttamaton; restriktiopisteen ohittamisen jälkeen solu etenee S-vaiheen läpi, vaikka ympäristöolosuhteet muuttuisivat epäedullisiksi.
Siten S-vaiheeseen pääsyä ohjataan molekyylireiteillä, jotka helpottavat nopeaa, yksisuuntaista muutosta solutilassa. Esimerkiksi hiivassa solukasvu indusoi Cln3- sykliinin kertymistä , joka kompleksiin sykliiniriippuvaisen kinaasin CDK2 kanssa. Cln3-CDK2-kompleksi edistää S-faasin geenien transkriptiota inaktivoimalla transkriptionaalisen repressorin Whi5 . Koska S-vaiheen geenien säätely ajaa edelleen Whi5: n tukahduttamista , tämä reitti luo positiivisen takaisinkytkentäsilmukan, joka sitouttaa solut täysin S-vaiheen geeniekspressioon.
Nisäkässoluissa on huomattavan samanlainen säätelyjärjestelmä. Koko G1-vaiheen aikana vastaanotetut mitogeeniset signaalit aiheuttavat sykliini D: n asteittaisen kerääntymisen, joka kompleksoituu CDK4 / 6: n kanssa. Aktiivinen sykliini-D-CDK4 / 6-kompleksi indusoi E2F- transkriptiotekijän vapautumisen , mikä puolestaan aloittaa S-faasin geenien ilmentymisen. Useat E2F-kohdegeenit edistävät edelleen E2F: n vapautumista luoden positiivisen palautesilmukan, joka on samanlainen kuin hiivassa.
DNA kopiointi
Koko M-vaiheen ja G1-vaiheen aikana solut kokoavat inaktiivisia esireplikointikomplekseja (pre-RC) replikaatioalkuille, jotka ovat jakautuneet koko genomiin. S-vaiheen aikana solu muuntaa pre-RC: t aktiivisiksi replikointihaarukoiksi aloittaakseen DNA-replikaation. Tämä prosessi riippuu Cdc7: n ja erilaisten S-vaiheen CDK: iden kinaasiaktiivisuudesta , jotka molemmat säätyvät uudelleen S-vaiheen sisään tulon yhteydessä.
Pre-RC: n aktivointi on tarkasti säädelty ja erittäin peräkkäinen prosessi. Sen jälkeen kun Cdc7- ja S-faasiset CDK: t fosforyloivat vastaavat substraatit, toinen replikatiivisten tekijöiden joukko liittyy pre-RC: hen. Vakaa assosiaatio kannustaa MCM-helikaasia purkamaan pienen osan vanhemman DNA: sta kahteen ssDNA-säikeeseen, mikä puolestaan rekrytoi replikaatioproteiini A ( RPA ), ssDNA: ta sitova proteiini. RPA-rekrytointi valmistelee replikaatiohaarukan replikatiivisten DNA- polymeraasien ja PCNA-liukupihtien lataamiseksi . Näiden tekijöiden lataaminen täydentää aktiivisen replikaatiohaarukan ja aloittaa uuden DNA: n synteesin.
Täydellinen replikaatiohaarukan kokoonpano ja aktivointi tapahtuu vain pienellä replikaation alkupääryhmällä. Kaikilla eukaryooteilla on paljon enemmän replikaation alkuperää kuin mitä ehdottomasti tarvitaan yhden DNA-replikaatiojakson aikana. Redundantit alkuperät voivat lisätä DNA-replikaation joustavuutta, jolloin solut voivat hallita DNA-synteesinopeutta ja reagoida replikaatiostressiin.
Histonisynteesi
Koska uusi DNA on pakattava nukleosomeihin toimiakseen kunnolla, kanonisten (ei-varianttien) histoniproteiinien synteesi tapahtuu DNA-replikaation rinnalla. Varhaisen S-vaiheen aikana sykliini E-Cdk2 -kompleksi fosforyloi NPAT: n , histonitranskription ydinkoaktivaattorin . NPAT aktivoituu fosforyloimalla ja rekrytoi Tip60-kromatiinin uudelleenmuodostuskompleksin histonigeenien promoottoreiksi. Tip60-aktiivisuus poistaa estävät kromatiinirakenteet ja johtaa transkriptiotason nousuun kolmesta kymmeneen kertaa.
Histonigeenien lisääntyvän transkription lisäksi S-faasin sisäänpääsy säätelee myös histonituotantoa RNA-tasolla. Polyadenyloidun hännän sijasta kanonisilla histonitranskripteilla on konservoitunut 3'- varren silmukan motiivi, joka sitoutuu selektiivisesti varren silmukkaa sitovaan proteiiniin ( SLBP ). SLBP-sitoutumista tarvitaan histonin mRNA: iden tehokkaaseen käsittelyyn, vientiin ja translaatioon, jolloin se voi toimia erittäin herkänä biokemiallisena "kytkimenä". S-vaiheen aikana SLBP: n kerääntyminen yhdessä NPAT: n kanssa lisää merkittävästi histonituotannon tehokkuutta. Kuitenkin kun S-vaihe päättyy, sekä SLBP että sitoutunut RNA hajoavat nopeasti. Tämä pysäyttää välittömästi histonituotannon ja estää vapaiden histonien myrkyllisen kertymisen.
Nukleosomien replikaatio
Solun S-vaiheen aikana tuottamat vapaat histonit liitetään nopeasti uusiin nukleosomeihin. Tämä prosessi on tiiviisti sidoksissa replikointihaarukkaan, joka tapahtuu välittömästi replikointikompleksin edessä ja takana. MCM-helikaasin siirtyminen johtavaa säikettä pitkin häiritsee vanhempien nukleosom oktameereja, mikä johtaa H3-H4- ja H2A-H2B-alayksiköiden vapautumiseen. Nukleosomien uudelleenkokoonpano replikaatiohaarukan välityksellä välittyvät replikaatioproteiineihin löyhästi liittyvillä kromatiinin kokoonpanotekijöillä (CAF). Vaikka uudelleen kokoonpanoa ei ole täysin ymmärretty, se ei näytä hyödyntävän DNA-replikaatiossa havaittua puolikonservatiivista mallia. Leimauskokeet osoittavat, että nukleosomien päällekkäisyys on pääosin konservatiivista. Isän H3-H4-ytimen nukleosomi pysyy täysin erillään äskettäin syntetisoidusta H3-H4: stä, mikä johtaa sellaisten nukleosomien muodostumiseen, jotka joko sisältävät yksinomaan vanhaa H3-H4: ää tai yksinomaan uutta H3-H4: ää. "Vanhat" ja "uudet" histonit osoitetaan kullekin tytärjuosteelle puoli-satunnaisesti, jolloin säätelymuutokset jakautuvat tasaisesti.
Kromatiinidomeenien palauttaminen
Heti jakautumisen jälkeen jokaisella tytärkromatidilla on vain puolet isäkromatidissa esiintyvistä epigeneettisistä modifikaatioista. Solun on käytettävä tätä osittaista ohjeistusta toiminnallisten kromatiinidomeenien palauttamiseksi ennen mitoosiin pääsyä.
Suurille genomisille alueille vanhojen H3-H4-nukleosomien periytyminen riittää kromatiinidomeenien tarkkaan palautumiseen. Polycomb Repressive Complex 2 ( PRC2 ) ja useat muut histoneja modifioivat kompleksit voivat "kopioida" vanhoissa histoneissa olevat modifikaatiot uusiin histoneihin. Tämä prosessi vahvistaa epigeneettisiä merkkejä ja torjuu nukleosomien duplikaation laimennusvaikutuksen.
Pienillä domeeneilla, jotka lähestyvät yksittäisten geenien kokoa, vanhat nukleosomit levitetään kuitenkin liian ohuesti histonimodifikaatioiden tarkkaan etenemiseen. Näillä alueilla kromatiinirakennetta hallitaan todennäköisesti sisällyttämällä histonivariantit nukleosomien uudelleen kokoamisen aikana. H3.3 / H2A.Z: n ja transkriptionaalisesti aktiivisten alueiden välinen läheinen korrelaatio tukee tätä ehdotettua mekanismia. Valitettavasti syy-yhteyttä ei ole vielä osoitettu.
DNA-vaurioiden tarkastuspisteet
S-vaiheen aikana solu tutkii jatkuvasti genomia poikkeavuuksien varalta. DNA-vaurion havaitseminen aiheuttaa kolmen kanonisen S-vaiheen "tarkistuspistereitin" aktivoitumisen, joka viivästyttää tai pysäyttää solusyklin etenemisen:
- Replikointi Checkpoint havaitsee pysähtynyt replikaation haarukat integroimalla signaalit RPA, ATR kanssa vuorovaikutuksessa oleva proteiini (atrip), ja RAD17. Aktivoinnin jälkeen replikaation tarkistuspiste säätelee nukleotidien biosynteesiä ja estää replikaation aloituksen palamattomista lähteistä. Molemmat näistä prosesseista auttavat jumissa olevien haarukoiden pelastamisessa lisäämällä dNTP: iden saatavuutta.
- SM Checkpoint estää mitoosin kunnes koko genomi on menestyksekkäästi kahdennettu. Tämä reitti indusoi pysähtymisen estämällä sykliini-B-CDK1-kompleksin, joka kertyy vähitellen koko solusyklin ajan mitoottisen pääsyn edistämiseksi.
- Sisäiset S-vaiheen Checkpoint tunnistaa kahdelle katkeamisen (DSB: t) aktivaation kautta ATR ja ATM- kinaasien. DNA: n korjaamisen helpottamisen lisäksi aktiivinen ATR ja ATM pysäyttävät solusyklin etenemisen edistämällä CDC25A: n, fosfataasin, hajoamista, joka poistaa estävät fosfaattitähteet CDK: ista. Homologinen rekombinaatio , tarkka prosessi DNA: n kaksoisjuosteisten katkosten korjaamiseksi, on aktiivisinta S-vaiheessa, vähenee G2 / M: ssä ja on lähes poissa G1-vaiheesta .
Näiden kanonisten tarkastuspisteiden lisäksi tuoreet todisteet viittaavat siihen, että poikkeavuudet histonitoimituksessa ja nukleosomikokoonpanossa voivat myös muuttaa S-vaiheen etenemistä. Vapaiden histonien ehtyminen Drosophila- soluissa pidentää dramaattisesti S-vaihetta ja aiheuttaa pysyvän pysähtymisen G2-vaiheessa. Tämä ainutlaatuinen pysäytysfenotyyppi ei liity kanonisten DNA-vaurioitumisreittien aktivoitumiseen, mikä osoittaa, että nukleosomikokoonpano ja histonipitoisuus voidaan tutkia uudella S-vaiheen tarkistuspisteellä.
Katso myös
- S-vaiheen indeksi (SPI)
- S-jae tai S-vaiheen jae (onkologia / patologiaennuste)
- Rajoituspiste