fase S - S phase
Fase S ( Synthesis Phase ) è la fase del ciclo cellulare in cui il DNA viene replicato , intervengono fra G 1 fase e G 2 fasi . Poiché la duplicazione accurata del genoma è fondamentale per il successo della divisione cellulare, i processi che si verificano durante la fase S sono strettamente regolati e ampiamente conservati.
Regolamento
L'ingresso nella fase S è controllato dal punto di restrizione G1 (R), che impegna le cellule nel resto del ciclo cellulare se sono presenti nutrienti e segnali di crescita adeguati. Questa transizione è essenzialmente irreversibile; dopo aver superato il punto di restrizione, la cellula passerà attraverso la fase S anche se le condizioni ambientali diventano sfavorevoli.
Di conseguenza, l'ingresso nella fase S è controllato da percorsi molecolari che facilitano un rapido cambiamento unidirezionale nello stato cellulare. Nel lievito, ad esempio, la crescita cellulare induce l'accumulo di ciclina Cln3 , che si complessa con la chinasi ciclina dipendente CDK2. Il complesso Cln3-CDK2 promuove la trascrizione dei geni della fase S inattivando il repressore trascrizionale Whi5 . Poiché la sovraregolazione dei geni della fase S guida un'ulteriore soppressione di Whi5 , questo percorso crea un ciclo di feedback positivo che impegna completamente le cellule all'espressione genica della fase S.
Uno schema di regolazione notevolmente simile esiste nelle cellule di mammifero. I segnali mitogenici ricevuti durante la fase G1 causano un graduale accumulo di ciclina D, che si complessa con CDK4/6. Il complesso attivo della ciclina D-CDK4/6 induce il rilascio del fattore di trascrizione E2F , che a sua volta avvia l'espressione dei geni della fase S. Diversi geni bersaglio E2F promuovono un ulteriore rilascio di E2F, creando un ciclo di feedback positivo simile a quello trovato nel lievito.
replicazione del DNA
Durante la fase M e la fase G1, le cellule assemblano complessi di pre-replicazione inattivi (pre-RC) sulle origini di replicazione distribuite in tutto il genoma. Durante la fase S, la cellula converte i pre-RC in forcelle di replicazione attive per avviare la replicazione del DNA. Questo processo dipende dall'attività della chinasi di Cdc7 e di vari CDK in fase S, entrambi sovraregolati all'ingresso in fase S.
L'attivazione del pre-RC è un processo strettamente regolamentato e altamente sequenziale. Dopo che Cdc7 e CDK in fase S hanno fosforilato i loro rispettivi substrati, un secondo insieme di fattori replicativi si associa al pre-RC. L'associazione stabile incoraggia l' elicasi MCM a svolgere un piccolo tratto di DNA parentale in due filamenti di ssDNA, che a sua volta recluta la proteina di replicazione A ( RPA ), una proteina legante ssDNA. Il reclutamento di RPA innesca la forcella di replicazione per il caricamento di DNA polimerasi replicative e morsetti scorrevoli PCNA . Il caricamento di questi fattori completa la forcella di replicazione attiva e avvia la sintesi di nuovo DNA.
L'assemblaggio e l'attivazione completi della fork di replica si verificano solo su un piccolo sottoinsieme di origini di replica. Tutti gli eucarioti possiedono molte più origini di replicazione di quelle strettamente necessarie durante un ciclo di replicazione del DNA. Le origini ridondanti possono aumentare la flessibilità della replicazione del DNA, consentendo alle cellule di controllare la velocità di sintesi del DNA e rispondere allo stress di replicazione.
Sintesi dell'istone
Poiché il nuovo DNA deve essere impacchettato nei nucleosomi per funzionare correttamente, la sintesi delle proteine istoniche canoniche (non varianti) avviene insieme alla replicazione del DNA. Durante la prima fase S, il complesso ciclina E-Cdk2 fosforila NPAT , un coattivatore nucleare della trascrizione dell'istone. NPAT è attivato dalla fosforilazione e recluta il complesso di rimodellamento della cromatina Tip60 ai promotori dei geni dell'istone. L'attività di Tip60 rimuove le strutture inibitorie della cromatina e determina un aumento da tre a dieci volte del tasso di trascrizione.
Oltre ad aumentare la trascrizione dei geni dell'istone, l'ingresso nella fase S regola anche la produzione di istoni a livello di RNA. Invece di code poliadenilate , i trascritti istonici canonici possiedono un motivo ad anello dello stelo 3` conservato che si lega selettivamente alla proteina legante l' anello dello stelo ( SLBP ). Il legame SLBP è necessario per l'elaborazione, l'esportazione e la traduzione efficienti degli mRNA dell'istone, consentendogli di funzionare come un "interruttore" biochimico altamente sensibile. Durante la fase S, l'accumulo di SLBP agisce insieme a NPAT per aumentare drasticamente l'efficienza della produzione di istoni. Tuttavia, una volta terminata la fase S, sia l'SLBP che l'RNA legato vengono rapidamente degradati. Ciò interrompe immediatamente la produzione di istoni e previene un accumulo tossico di istoni liberi.
Replicazione del nucleosoma
Gli istoni liberi prodotti dalla cellula durante la fase S vengono rapidamente incorporati in nuovi nucleosomi. Questo processo è strettamente legato alla forcella di replicazione, che si verifica immediatamente "davanti" e "dietro" il complesso di replicazione. La traslocazione dell'elicasi MCM lungo il filamento principale interrompe gli ottameri del nucleosoma parentale, con conseguente rilascio di subunità H3-H4 e H2A-H2B. Il riassemblaggio dei nucleosomi dietro la forcella di replicazione è mediato dai fattori di assemblaggio della cromatina (CAF) che sono liberamente associati alle proteine di replicazione. Anche se non pienamente compreso, il riassemblaggio non sembra utilizzare il semi-conservativo schema visto nella replicazione del DNA. Esperimenti di etichettatura indicano che la duplicazione del nucleosoma è prevalentemente conservativa. Il nucleosoma del nucleo paterno H3-H4 rimane completamente segregato dall'H3-H4 di nuova sintesi, con conseguente formazione di nucleosomi che contengono esclusivamente vecchi H3-H4 o esclusivamente nuovi H3-H4. Gli istoni "vecchi" e "nuovi" vengono assegnati a ciascun filamento figlia in modo semi-casuale, con conseguente divisione equa delle modifiche normative.
Ristabilimento dei domini della cromatina
Immediatamente dopo la divisione, ogni cromatide figlio possiede solo la metà delle modificazioni epigenetiche presenti nel cromatide paterno. La cellula deve utilizzare questo insieme parziale di istruzioni per ristabilire i domini funzionali della cromatina prima di entrare in mitosi.
Per grandi regioni genomiche, l'ereditarietà dei vecchi nucleosomi H3-H4 è sufficiente per un accurato ristabilimento dei domini della cromatina. Polycomb Repressive Complex 2 ( PRC2 ) e molti altri complessi che modificano gli istoni possono "copiare" le modifiche presenti sui vecchi istoni su nuovi istoni. Questo processo amplifica i segni epigenetici e contrasta l'effetto diluitivo della duplicazione del nucleosoma.
Tuttavia, per piccoli domini che si avvicinano alle dimensioni dei singoli geni, i vecchi nucleosomi sono sparsi troppo sottili per una propagazione accurata delle modificazioni istoniche. In queste regioni, la struttura della cromatina è probabilmente controllata dall'incorporazione di varianti istoniche durante il riassemblaggio del nucleosoma. La stretta correlazione osservata tra H3.3/H2A.Z e le regioni trascrizionalmente attive fornisce supporto a questo meccanismo proposto. Sfortunatamente, una relazione causale deve ancora essere dimostrata.
Checkpoint per danni al DNA DNA
Durante la fase S, la cellula esamina continuamente il suo genoma alla ricerca di anomalie. Il rilevamento del danno al DNA induce l'attivazione di tre "vie di controllo" della fase S canoniche che ritardano o arrestano l'ulteriore progressione del ciclo cellulare:
- Il Replication Checkpoint rileva fork di replicazione in stallo integrando segnali da RPA, ATR Interacting Protein (ATRIP) e RAD17. Dopo l'attivazione, il checkpoint di replica sovraregola la biosintesi dei nucleotidi e blocca l'inizio della replicazione da origini non attivate. Entrambi questi processi contribuiscono al salvataggio di fork in stallo aumentando la disponibilità di dNTP.
- Il Checkpoint SM blocca la mitosi fino a quando l'intero genoma non è stato duplicato con successo. Questa via induce l'arresto inibendo il complesso Cyclin-B-CDK1, che si accumula gradualmente durante il ciclo cellulare per promuovere l'ingresso mitotico.
- Il checkpoint intra-S Phase rileva le Double Strand Breaks (DSB) attraverso l'attivazione delle chinasi ATR e ATM . Oltre a facilitare la riparazione del DNA, l'ATR attivo e l'ATM bloccano la progressione del ciclo cellulare promuovendo la degradazione di CDC25A, una fosfatasi che rimuove i residui di fosfato inibitorio dai CDK. La ricombinazione omologa , un processo accurato per riparare le rotture del doppio filamento del DNA, è più attiva nella fase S, diminuisce in G2/M ed è quasi assente nella fase G1 .
Oltre a questi punti di controllo canonici, prove recenti suggeriscono che anche le anomalie nella fornitura di istoni e nell'assemblaggio del nucleosoma possono alterare la progressione della fase S. L'esaurimento degli istoni liberi nelle cellule di Drosophila prolunga drammaticamente la fase S e provoca l'arresto permanente nella fase G2. Questo fenotipo di arresto unico non è associato all'attivazione di percorsi canonici di danno al DNA, indicando che l'assemblaggio del nucleosoma e la fornitura di istoni possono essere esaminati da un nuovo checkpoint della fase S.
Guarda anche
- Indice di fase S (SPI)
- Frazione S o frazione di fase S (prognosi oncologica/patologica)
- Punto di restrizione