stringtranslate.com

S-фаза

Асимметрия синтеза ведущих и отстающих цепей

Фаза S ( фаза синтеза ) — это фаза клеточного цикла , в которой реплицируется ДНК , происходящая между фазой G1 и фазой G2 . [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

Этапы синтеза 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 вилки репликации, 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, что, в свою очередь, рекрутирует белок репликации А ( RPA ), белок, связывающий оцДНК. [4] Рекрутирование RPA запускает репликационную вилку для загрузки репликативных ДНК- полимераз и скользящих зажимов PCNA . [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 , параллельно 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 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 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 это и не до конца понятно, повторная сборка, похоже, не использует полуконсервативную схему, наблюдаемую при репликации ДНК. [11] Эксперименты по маркировке показывают, что дупликация нуклеосом преимущественно консервативна. [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 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 предложенный 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]

  1. 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 зависших вилок за счет увеличения доступности dNTP. [12]
  2. 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]
  3. 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 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 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, что указывает на то, что сборка нуклеосом и поставка гистонов могут быть тщательно изучены с помощью новой контрольной точки S-фазы. [14]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ аб Дэвид М (2007). Клеточный цикл: принципы управления . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0199206100. ОКЛК  813540567.
  2. ^ ab Pardee AB, Благосклонный М.В. (2013). Точка ограничения клеточного цикла. Ландес Бионаука.
  3. ^ abcdefg 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. 
  4. ^ abcdefg Takeda DY, Dutta A (апрель 2005 г.). «Репликация ДНК и продвижение через S-фазу». Онкоген . 24 (17): 2827–43. дои : 10.1038/sj.onc.1208616 . ПМИД  15838518.
  5. ^ аб 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. 
  6. ^ abc 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. 
  7. ^ abc Marzluff WF, Корески КП (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 гистона, регулируется как трансляционным, так и посттрансляционным механизмом клеточного цикла». 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. 
  10. ^ abcdefghijkl Рамачандран С, Хеникофф С (август 2015 г.). «Репликация нуклеосом». Достижения науки . 1 (7): e1500587. Бибкод : 2015SciA....1E0587R. doi : 10.1126/sciadv.1500587. ПМЦ 4530793 . ПМИД  26269799. 
  11. ^ abcd Аннунциато AT (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.
  12. ^ abcdefgh 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. PMID  15459660. S2CID  33560392.
  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. 
  14. ^ abc Günesdogan U, Jäckle H, Herzig A (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.