Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Асимметрия в синтезе ведущих и отстающих нитей

S фазы ( синтез ) является фазой клеточного цикла , в котором ДНК является реплицируются , происходящим между G 1 фазой и G 2 фазой . [1] Поскольку точное дублирование генома имеет решающее значение для успешного деления клеток, процессы, происходящие во время S-фазы, жестко регулируются и широко консервативны.

Регламент [ править ]

Основная статья: переход G1 / S

Вход в S-фазу контролируется точкой ограничения G1 (R), которая передает клетки на оставшуюся часть клеточного цикла, если есть адекватные питательные вещества и сигналы 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. У дрожжей, например, рост клеток индуцирует накопление циклина Cln3 , который образует комплексы с циклинзависимой киназой CDK2. [3] Комплекс Cln3-CDK2 способствует транскрипции генов S-фазы путем инактивации репрессора транскрипции Whi5 . [3] Поскольку повышающая регуляция генов в S-фазе приводит к дальнейшему подавлению Whi5 , этот путь создает петлю положительной обратной связи, которая полностью передает клеткам экспрессию генов в S-фазе. [3]

Замечательно похожая регуляторная схема существует в клетках млекопитающих. [3] Митогенные сигналы, полученные на протяжении G1-фазы, вызывают постепенное накопление циклина D, который образует комплекс с CDK4 / 6. [3] Активный комплекс циклин D-CDK4 / 6 индуцирует высвобождение фактора транскрипции E2F , который, в свою очередь, инициирует экспрессию генов S-фазы. [3] Несколько генов-мишеней E2F способствуют дальнейшему высвобождению E2F, создавая петлю положительной обратной связи, подобную той, что есть у дрожжей. [3]

Репликация ДНК [ править ]

Основная статья: репликация ДНК
Шаги в синтезе ДНК

На протяжении фазы M и фазы G1 клетки собирают неактивные пререпликационные комплексы (pre-RC) в точках репликации, распределенных по всему 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 различных CDK в S-фазе, 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 геликазу MCM раскручивать небольшой участок родительской ДНК на две цепи оцДНК, которая, в свою очередь, рекрутирует белок репликации А ( RPA ), связывающий оцДНК белок. [4] Набор RPA подготавливает репликационную вилку к загрузке репликативных ДНК- полимераз и скользящих зажимов PCNA . [4] Загрузка этих факторов завершает активную репликационную вилку 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 это 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 [ править ]

Поскольку новая ДНК должна быть упакована в нуклеосомы для правильного функционирования, синтез канонических (невариантных) гистоновых белков происходит 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 рекрутирует комплекс ремоделирования хроматина Tip60 на промоторы гистоновых генов. [6] Активность Tip60 удаляет тормозящие структуры хроматина и приводит к увеличению скорости транскрипции в 3–10 раз. [1] [6]

Помимо увеличения транскрипции гистоновых генов, вступление в S-фазу также регулирует продукцию гистонов на уровне РНК. Вместо полиаденилированных хвостов канонические гистоновые транскрипты обладают консервативным мотивом 3'- стволовой петли, который селективно связывается со Stem Loop Binding Protein ( 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 [ править ]

Консервативная повторная сборка ядра нуклеосомы H3 / H4 позади репликационной вилки.

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, по-видимому, не использует полуконсервативную схему, наблюдаемую при 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 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 хроматиновых доменов [ править ]

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 больших участков генома наследования старых нуклеосом H3-H4 достаточно для точного восстановления доменов хроматина. [10] Polycomb Repressive Complex 2 ( PRC2 ) и несколько других модифицирующих гистоны 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 гистоновых вариантов 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 [ править ]

Во время S-фазы клетка постоянно исследует свой геном на предмет аномалий. Обнаружение повреждений ДНК вызывает активацию трех канонических S-фазных «путей контрольных точек», которые задерживают или останавливают дальнейшее развитие клеточного цикла: [12]

  1. Репликации Контрольная точка обнаруживает застопорился вилки репликации путем интеграции сигналов от РПА, ATR взаимодействующий белок (АТРИП) 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 СМ Checkpoint блокирует митоз , пока весь геном не был успешно дублированы. [12] Этот путь вызывает остановку процесса путем ингибирования комплекса циклин-B-CDK1, который постепенно накапливается в течение клеточного цикла, способствуя вхождению в митоз. [12]
  3. Интр-S Фаза Контрольной точка обнаруживает двойные однонитевые разрывы (DSBs) через активацию ATR и ATM - киназы. [12] Помимо облегчения репарации 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 восстановления двухцепочечных разрывов ДНК, 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 подтверждают, что нарушения в поставке гистонов и сборке нуклеосом также могут изменять прогрессию S-фазы. [14] Истощение свободных гистонов в клетках дрозофилы резко удлиняет S-фазу и вызывает необратимую остановку в G2-фазе. [14] Этот уникальный фенотип ареста не связан с активацией канонических путей повреждения ДНК, что указывает на то, что сборка нуклеосом и поставка гистонов могут быть тщательно изучены с помощью новой контрольной точки S-фазы. [14]

См. Также [ править ]

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

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Дэвид М (2007). Клеточный цикл: принципы управления . 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. ^ Б с д е е г Bertoli С, Skotheim JM, де Bruin РА (август 2013). «Контроль транскрипции клеточного цикла во время фаз G1 и S» . Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология . 14 (8): 518–28. DOI : 10.1038 / nrm3629 . PMC 4569015 . PMID 23877564 .  
  4. ^ a b c d e f g Takeda DY, Dutta A (апрель 2005 г.). «Репликация ДНК и прогрессирование через S-фазу» . Онкоген . 24 (17): 2827–43. DOI : 10.1038 / sj.onc.1208616 . PMID 15838518 . 
  5. ^ a b Леонард А.С., Мешали М (октябрь 2013 г.). «Истоки репликации ДНК» . Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 5 (10): а010116. DOI : 10.1101 / cshperspect.a010116 . PMC 3783049 . PMID 23838439 .  
  6. ^ a b c ДеРан 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. DOI : 10.1128 / MCB.00607-07 . PMC 2223310 . PMID 17967892 .  
  7. ^ a b c Марцлуфф В.Ф., Корески К.П. (октябрь 2017 г.). «Рождение и смерть мРНК гистонов» . Тенденции в генетике . 33 (10): 745–759. DOI : 10.1016 / j.tig.2017.07.014 . PMC 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. DOI : 10.1128 / MCB.20.12.4188-4198.2000 . PMC 85788 . PMID 10825184 .  
  9. ^ Ма Да, Kanakousaki К, Buttitta L (2015). «Как клеточный цикл влияет на архитектуру хроматина и на судьбу клеток» . Границы генетики . 6 : 19. DOI : 10,3389 / fgene.2015.00019 . PMC 4315090 . PMID 25691891 .  
  10. ^ a b c d e f g h i j k l Рамачандран С., Хеникофф С. (август 2015 г.). «Репликация нуклеосом» . Наука продвигается . 1 (7): e1500587. Bibcode : 2015SciA .... 1E0587R . DOI : 10.1126 / sciadv.1500587 . PMC 4530793 . PMID 26269799 .  
  11. ^ a b c d Annunziato AT (апрель 2005 г.). «Раздельное решение: что происходит с нуклеосомами во время репликации ДНК?» . Журнал биологической химии . 280 (13): 12065–8. DOI : 10.1074 / jbc.R400039200 . PMID 15664979 . 
  12. ^ a b c d e f g h Bartek J, Lukas C, Lukas J (октябрь 2004 г.). «Проверка на повреждение ДНК в S фазе». Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология . 5 (10): 792–804. DOI : 10.1038 / nrm1493 . PMID 15459660 . 
  13. ^ Мао Z, Боццелла М, Seluanov 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. DOI : 10.4161 / cc.7.18.6679 . PMC 2754209 . PMID 18769152 .  
  14. ^ a b c Günesdogan U, Jäckle H, Herzig A (сентябрь 2014 г.). «Поставка гистонов регулирует время фазы S и прогрессирование клеточного цикла» . eLife . 3 : e02443. DOI : 10.7554 / eLife.02443 . PMC 4157229 . PMID 25205668 .