S фаза - S phase

Асимметрия в синтезе ведущих и отстающих нитей

S фаза (Фаза синтеза) - фаза клеточный цикл в котором ДНК является воспроизведен, происходящие между грамм1 фаза и грамм2 фаза.[1] Поскольку точное дублирование генома имеет решающее значение для успешного деления клеток, процессы, происходящие во время S-фазы, строго регулируются и широко сохраняются.

Регулирование

Основная статья: Переход G1 / S

Вход в S-фазу контролируется G1. точка ограничения (R), который передает клетки на оставшуюся часть клеточного цикла при наличии адекватных питательных веществ и сигналов роста.[2] Этот переход по существу необратим; после прохождения точки ограничения клетка будет проходить S-фазу, даже если условия окружающей среды станут неблагоприятными.[2]

Соответственно, вход в S-фазу контролируется молекулярными путями, которые способствуют быстрому однонаправленному изменению состояния клетки. Например, у дрожжей рост клеток вызывает накопление Cln3. циклин, который комплексуется с циклинзависимая киназа 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 фиксирует экспрессию гена в S-фазе.[3]

Замечательно похожая регуляторная схема существует в клетках млекопитающих.[3] Митогенный сигналы, полученные на протяжении G1-фазы, вызывают постепенное накопление циклина D, который образует комплекс с CDK4 / 6.[3] Активный комплекс циклин D-CDK4 / 6 вызывает высвобождение E2F фактор транскрипции, 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 обнаруживается у дрожжей.[3]

Репликация ДНК

Основная статья: Репликация ДНК
Шаги в синтезе ДНК

На протяжении фазы M и фазы G1 клетки собираются в неактивном состоянии. пререпликационные комплексы (до RC) на источники репликации распределены по геному.[4] Во время S-фазы клетка превращает пре-RC в активные репликационные вилки, чтобы инициировать репликацию ДНК.[4] Этот процесс зависит от киназной активности Cdc7 и различные CDK S-фазы, оба из которых активируются при входе в S-фазу.[4]

Активация пре-RC - это строго регулируемый и очень последовательный процесс. После того, как CDK Cdc7 и S-фазы фосфорилируют свои соответствующие субстраты, второй набор репликативных факторов связывается с пре-RC.[4] Стабильная ассоциация побуждает MCM геликаза чтобы раскрутить небольшой участок родительской ДНК на две цепи оцДНК, которая, в свою очередь, привлекает репликационный белок А (RPA ), связывающий оцДНК белок.[4] Набор RPA подготавливает репликационную вилку к загрузке репликативной ДНК полимеразы и PCNA скользящие зажимы.[4] Загрузка этих факторов завершает активную вилку репликации и инициирует синтез новой ДНК.

Полная сборка и активация репликационной вилки происходит только в небольшом подмножестве источников репликации. Все эукариоты обладают гораздо большим количеством источников репликации, чем строго необходимо в течение одного цикла репликации ДНК.[5] Избыточные источники могут увеличивать гибкость репликации ДНК, позволяя клеткам контролировать скорость синтеза ДНК и реагировать на стресс репликации.[5]

Синтез гистонов

Поскольку новая ДНК должна быть упакована в нуклеосомы функционировать должным образом, синтез канонических (без вариантов) гистон белки происходят одновременно с репликацией ДНК. Во время ранней S-фазы комплекс циклин E-Cdk2 фосфорилирует NPAT, ядерный коактиватор транскрипции гистонов.[6] NPAT активируется путем фосфорилирования и задействует комплекс ремоделирования хроматина Tip60 на промоторах гистоновых генов.[6] Активность Tip60 устраняет тормозящие структуры хроматина и приводит к увеличению скорости транскрипции в три-десять раз.[1][6]

Помимо увеличения транскрипции гистоновых генов, вступление в S-фазу также регулирует продукцию гистонов на уровне РНК. Вместо полиаденилированные хвосты, канонические гистоновые транскрипты обладают консервативным 3` стержень петля мотив, который селективно связывается с белком, связывающим петлю стволовой петли (SLBP ).[7] Связывание SLBP необходимо для эффективной обработки, 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 увеличивая эффективность продукции гистонов.[7] Однако, как только S-фаза заканчивается, как SLBP, так и связанная РНК быстро разрушаются.[8] Это немедленно останавливает производство гистонов и предотвращает токсическое накопление свободных гистонов.[9]

Репликация нуклеосом

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

Свободные гистоны, продуцируемые клеткой во время S-фазы, быстро включаются в новые нуклеосомы. Этот процесс тесно связан с вилкой репликации, происходящей непосредственно «впереди» и «позади» комплекса репликации. Транслокация геликазы MCM вдоль ведущей цепи разрушает октамеры родительских нуклеосом, что приводит к высвобождению субъединиц H3-H4 и H2A-H2B.[10] Повторная сборка нуклеосом позади репликационной вилки опосредуется факторами сборки хроматина (CAF), которые слабо связаны с белками репликации.[4][11] Хотя это не совсем понятно, повторная сборка, похоже, не использует полуконсервативный Схема видна в репликации ДНК.[11] Эксперименты по маркировке показывают, что дупликация нуклеосом является преимущественно консервативной.[11][10] Отцовская коровая нуклеосома H3-H4 остается полностью отделенной от вновь синтезированных 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 хроматиновых доменов

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 входом в митоз.

Для крупных геномных областей наследования старых нуклеосом H3-H4 достаточно для точного восстановления хроматиновых доменов.[10] Поликомб Репрессивный Комплекс 2 (PRC2 ) и несколько других гистон-модифицирующих комплексов могут «копировать» модификации, присутствующие на старых гистонах, на новые гистоны.[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 исследует свой геном на предмет аномалий. Обнаружение повреждения ДНК вызывает активацию трех канонических S-фазных «путей контрольных точек», которые задерживают или останавливают дальнейшее развитие клеточного цикла:[12]

  1. В Контрольная точка репликации обнаруживает застопорившиеся репликационные вилки путем интеграции сигналов от RPA, ATR-взаимодействующего белка (ATRIP) и RAD17.[12] После активации контрольная точка репликации активирует биосинтез нуклеотидов и блокирует инициацию репликации из необожженных источников.[12] Оба эти процесса способствуют спасению застрявших вилок за счет увеличения доступности dNTP.[12]
  2. В КПП S-M блокирует митоз до тех пор, пока не будет успешно продублирован весь геном.[12] Этот путь вызывает остановку путем ингибирования комплекса циклин-B-CDK1, который постепенно накапливается в течение клеточного цикла, способствуя вхождению в митоз.[12]
  3. В Контрольная точка фазы внутри S обнаруживает Двойные разрывы нитей (DSB) через активацию ATR и Банкомат киназы.[12] Помимо облегчения репарации ДНК, активный ATR и ATM останавливают развитие клеточного цикла, способствуя деградации CDC25A, фосфатазы, которая удаляет ингибирующие фосфатные остатки из CDK.[12] Гомологичная рекомбинация, точный процесс для восстановление ДНК двухцепочечные разрывы, наиболее активен в S-фазе, снижается в G2 / M и почти отсутствует в Фаза G1.[13]

В дополнение к этим каноническим контрольным точкам, недавние данные подтверждают, что аномалии в поставке гистонов и сборке нуклеосом также могут изменять прогрессирование S-фазы.[14] Истощение свободных гистонов в Дрозофила клетки резко удлиняют S-фазу и вызывают необратимую остановку в G2-фазе.[14] Этот уникальный фенотип ареста не связан с активацией канонических путей повреждения ДНК, что указывает на то, что сборку нуклеосом и поставку гистонов можно тщательно исследовать с помощью новой контрольной точки S-фазы.[14]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Дэвид М (2007). Клеточный цикл: принципы контроля. Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0199206100. OCLC  813540567.
  2. ^ а б Парди А.Б., Благосклонный М.В. (2013). Точка ограничения клеточного цикла. Landes Bioscience.
  3. ^ а б c d е ж грамм Бертоли К., Скотейм Дж. М., де Брюин Р. А. (август 2013 г.). «Контроль транскрипции клеточного цикла во время фаз G1 и S». Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология. 14 (8): 518–28. Дои:10.1038 / nrm3629. ЧВК  4569015. PMID  23877564.
  4. ^ а б c d е ж грамм Такеда Д. Ю., Датта А. (апрель 2005 г.). «Репликация ДНК и прогрессирование через S-фазу». Онкоген. 24 (17): 2827–43. Дои:10.1038 / sj.onc.1208616. PMID  15838518.
  5. ^ а б Леонард А.С., Мешали М. (октябрь 2013 г.). «Истоки репликации ДНК». Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии. 5 (10): a010116. Дои:10.1101 / cshperspect.a010116. ЧВК  3783049. PMID  23838439.
  6. ^ а б c Де Ран М., Пульвино М., Грин Э, Су Ц., Чжао Дж. (Январь 2008 г.). «Активация транскрипции гистоновых генов требует NPAT-зависимого рекрутирования комплекса TRRAP-Tip60 на гистоновые промоторы во время фазового перехода G1 / S». Молекулярная и клеточная биология. 28 (1): 435–47. Дои:10.1128 / MCB.00607-07. ЧВК  2223310. PMID  17967892.
  7. ^ а б c 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. ЧВК  5645032. PMID  28867047.
  8. ^ Whitfield ML, Zheng LX, Baldwin A, Ohta T, Hurt MM, Marzluff WF (июнь 2000 г.). «Связывающий стержень-петлю белок, белок, который связывает 3'-конец мРНК гистона, является клеточным циклом, регулируемым как трансляционными, так и посттрансляционными механизмами». Молекулярная и клеточная биология. 20 (12): 4188–98. Дои:10.1128 / MCB.20.12.4188-4198.2000. ЧВК  85788. PMID  10825184.
  9. ^ Ма Й, Канакусаки К., Буттитта Л. (2015). «Как клеточный цикл влияет на архитектуру хроматина и на судьбу клеток». Границы генетики. 6: 19. Дои:10.3389 / fgene.2015.00019. ЧВК  4315090. PMID  25691891.
  10. ^ а б c d е ж грамм час я j k л Рамачандран С., Хеникофф С. (август 2015 г.). «Репликация нуклеосом». Достижения науки. 1 (7): e1500587. Bibcode:2015SciA .... 1E0587R. Дои:10.1126 / sciadv.1500587. ЧВК  4530793. PMID  26269799.
  11. ^ а б c d Аннунциато А.Т. (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. PMID  15664979.
  12. ^ а б c d е ж грамм час Бартек Дж., Лукас С., Лукас Дж. (Октябрь 2004 г.). «Проверка повреждений ДНК в S фазе». Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология. 5 (10): 792–804. Дои:10.1038 / nrm1493. PMID  15459660.
  13. ^ Мао З., Боццелла М., Селуанов А., Горбунова В. (сентябрь 2008 г.). «Ремонт 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. ЧВК  2754209. PMID  18769152.
  14. ^ а б c Günesdogan U, Jäckle H, Herzig A (сентябрь 2014 г.). «Подача гистонов регулирует время фазы S и прогрессирование клеточного цикла». eLife. 3: e02443. Дои:10.7554 / eLife.02443. ЧВК  4157229. PMID  25205668.