S-Phase - S phase

Asymmetrie bei der Synthese von führenden und nacheilenden Strängen

S - Phase ( Synthesephase ) ist die Phase des Zellzyklus , in dem DNA wird repliziert , die zwischen G 1 Phase und G 2 Phase . Da eine genaue Vervielfältigung des Genoms für eine erfolgreiche Zellteilung entscheidend ist, sind die Prozesse, die während der S-Phase ablaufen, streng reguliert und weitgehend konserviert.

Verordnung

Der Eintritt in die S-Phase wird durch den G1- Restriktionspunkt (R) kontrolliert , der Zellen an den Rest des Zellzyklus bindet, wenn ausreichende Nährstoffe und Wachstumssignale vorhanden sind. Dieser Übergang ist im Wesentlichen irreversibel; nach dem Passieren des Restriktionspunkts durchläuft die Zelle die S-Phase, selbst wenn die Umgebungsbedingungen ungünstig werden.

Dementsprechend wird der Eintritt in die S-Phase durch molekulare Wege kontrolliert, die eine schnelle, unidirektionale Verschiebung des Zellzustands ermöglichen. In Hefe zum Beispiel induziert das Zellwachstum die Akkumulation von Cln3- Cyclin , das mit der Cyclin-abhängigen Kinase CDK2 komplexiert . Der Cln3-CDK2-Komplex fördert die Transkription von S-Phase-Genen durch Inaktivierung des Transkriptionsrepressors Whi5 . Da die Hochregulierung von S-Phase-Genen eine weitere Unterdrückung von Whi5 bewirkt , erzeugt dieser Weg eine positive Rückkopplungsschleife, die Zellen vollständig an die S-Phase-Genexpression bindet.

Ein bemerkenswert ähnliches Regulierungsschema existiert in Säugerzellen. Mitogene Signale, die während der G1-Phase empfangen werden, verursachen eine allmähliche Akkumulation von Cyclin D, das mit CDK4/6 komplexiert. Der aktive Cyclin D-CDK4/6-Komplex induziert die Freisetzung des E2F- Transkriptionsfaktors, der wiederum die Expression von S-Phase-Genen initiiert. Mehrere E2F-Zielgene fördern die weitere Freisetzung von E2F, wodurch eine positive Rückkopplungsschleife ähnlich der in Hefe entsteht.

DNA Replikation

Schritte in der DNA-Synthese

Während der M-Phase und der G1-Phase bauen Zellen inaktive Prä-Replikations-Komplexe (Prä-RC) an Replikationsursprüngen zusammen, die über das Genom verteilt sind. Während der S-Phase wandelt die Zelle Prä-RCs in aktive Replikationsgabeln um, um die DNA-Replikation einzuleiten. Dieser Prozess hängt von der Kinaseaktivität von Cdc7 und verschiedenen S-Phasen-CDKs ab, die beide beim Eintritt in die S-Phase hochreguliert werden.

Die Aktivierung des Prä-RC ist ein streng regulierter und stark sequenzieller Prozess. Nachdem Cdc7- und S-Phasen-CDKs ihre jeweiligen Substrate phosphoryliert haben, assoziieren eine zweite Gruppe von Replikationsfaktoren mit dem Prä-RC. Eine stabile Assoziation ermutigt die MCM-Helikase , einen kleinen Abschnitt der elterlichen DNA in zwei Stränge von ssDNA aufzuwickeln, die wiederum das Replikationsprotein A ( RPA ), ein ssDNA-bindendes Protein, rekrutiert . Die RPA-Rekrutierung bereitet die Replikationsgabel zum Laden von replikativen DNA- Polymerasen und PCNA- Schiebeklemmen vor. Das Laden dieser Faktoren vervollständigt die aktive Replikationsgabel und initiiert die Synthese neuer DNA.

Die vollständige Assemblierung und Aktivierung des Replikationszweigs erfolgt nur bei einer kleinen Teilmenge der Replikationsursprünge. Alle Eukaryoten besitzen viel mehr Replikationsstartpunkte, als während eines DNA-Replikationszyklus unbedingt benötigt werden. Redundante Ursprünge können die Flexibilität der DNA-Replikation erhöhen, sodass Zellen die Geschwindigkeit der DNA-Synthese kontrollieren und auf Replikationsstress reagieren können.

Histonsynthese

Da neue DNA in Nukleosomen verpackt werden muss, um richtig zu funktionieren, findet die Synthese von kanonischen (nicht varianten) Histonproteinen neben der DNA-Replikation statt. Während der frühen S-Phase phosphoryliert der Cyclin E-Cdk2-Komplex NPAT , einen nuklearen Coaktivator der Histontranskription . NPAT wird durch Phosphorylierung aktiviert und rekrutiert den Chromatin-Remodeling-Komplex Tip60 an die Promotoren der Histon-Gene. Die Aktivität von Tip60 entfernt hemmende Chromatinstrukturen und führt zu einer drei- bis zehnfachen Erhöhung der Transkriptionsrate.

Zusätzlich zur Erhöhung der Transkription von Histon-Genen reguliert der S-Phasen-Eintritt auch die Histon-Produktion auf RNA-Ebene. Anstelle von polyadenylierten Schwänzen besitzen kanonische Histontranskripte ein konserviertes 3'- Stammschleifenmotiv, das selektiv an das Stammschleifen- Bindungsprotein ( SLBP ) bindet . Die SLBP-Bindung ist für die effiziente Verarbeitung, den Export und die Translation von Histon-mRNAs erforderlich, wodurch sie als hochempfindlicher biochemischer "Schalter" fungieren kann. Während der S-Phase wirkt die Akkumulation von SLBP zusammen mit NPAT, um die Effizienz der Histonproduktion drastisch zu erhöhen. Sobald jedoch die S-Phase endet, werden sowohl SLBP als auch gebundene RNA schnell abgebaut. Dadurch wird die Histonproduktion sofort gestoppt und eine toxische Ansammlung freier Histone verhindert.

Nukleosomenreplikation

Konservativer Zusammenbau des Kern-H3/H4-Nukleosoms hinter der Replikationsgabel.

Freie Histone, die von der Zelle während der S-Phase produziert werden, werden schnell in neue Nukleosomen eingebaut. Dieser Prozess ist eng mit der Replikationsgabel verbunden und findet unmittelbar „vor“ und „hinter“ dem Replikationskomplex statt. Die Translokation der MCM-Helikase entlang des Leitstrangs unterbricht die elterlichen Nukleosomoctamere, was zur Freisetzung von H3-H4- und H2A-H2B-Untereinheiten führt. Der Wiederzusammenbau von Nukleosomen hinter der Replikationsgabel wird durch Chromatin-Assembly-Faktoren (CAFs) vermittelt, die lose mit Replikationsproteinen assoziiert sind. Obwohl nicht vollständig verstanden, wird der Remontag nicht erscheinen zu verwenden , semi-konservatives Schema in der DNA - Replikation gesehen. Markierungsexperimente zeigen, dass die Nukleosomenduplikation überwiegend konservativ ist. Das väterliche H3-H4-Kernnukleosom bleibt vollständig vom neu synthetisierten H3-H4 getrennt, was zur Bildung von Nukleosomen führt, die entweder ausschließlich altes H3-H4 oder ausschließlich neues H3-H4 enthalten. „Alte“ und „neue“ Histone werden jedem Tochterstrang halbzufällig zugeordnet, was zu einer gleichmäßigen Verteilung der regulatorischen Modifikationen führt.

Wiederherstellung von Chromatindomänen

Unmittelbar nach der Teilung besitzt jedes Tochterchromatid nur noch die Hälfte der epigenetischen Modifikationen, die im väterlichen Chromatid vorhanden sind. Die Zelle muss diesen Teilsatz von Anweisungen verwenden, um funktionelle Chromatindomänen wiederherzustellen, bevor sie in die Mitose eintritt.

Bei großen Genomregionen reicht die Vererbung alter H3-H4-Nukleosomen für eine genaue Wiederherstellung der Chromatindomänen aus. Polycomb Repressive Complex 2 ( PRC2 ) und mehrere andere Histon-modifizierende Komplexe können Modifikationen, die auf alten Histonen vorhanden sind, auf neue Histone "kopieren". Dieser Prozess verstärkt epigenetische Markierungen und wirkt dem Verdünnungseffekt der Nukleosomenduplikation entgegen.

Für kleine Domänen, die sich der Größe einzelner Gene annähern, sind alte Nukleosomen jedoch zu dünn verteilt, um eine genaue Vermehrung von Histonmodifikationen zu ermöglichen. In diesen Regionen wird die Chromatinstruktur wahrscheinlich durch den Einbau von Histonvarianten während des Nukleosom-Neuaufbaus kontrolliert. Die enge Korrelation zwischen H3.3/H2A.Z und transkriptionell aktiven Regionen unterstützt diesen vorgeschlagenen Mechanismus. Ein kausaler Zusammenhang muss leider noch nachgewiesen werden.

Kontrollpunkte für DNA-Schäden

Während der S-Phase untersucht die Zelle ihr Genom kontinuierlich auf Anomalien. Der Nachweis von DNA-Schäden induziert die Aktivierung von drei kanonischen S-Phasen-"Checkpoint-Wegen", die das weitere Fortschreiten des Zellzyklus verzögern oder stoppen:

  1. Der Replication Checkpoint erkennt blockierte Replikationsgabeln, indem er Signale von RPA, ATR Interacting Protein (ATRIP) und RAD17 integriert. Bei Aktivierung reguliert der Replikationskontrollpunkt die Nukleotidbiosynthese hoch und blockiert die Replikationseinleitung von ungefeuerten Ursprüngen. Beide Prozesse tragen zur Rettung von blockierten Gabeln bei, indem sie die Verfügbarkeit von dNTPs erhöhen.
  2. Der SM Checkpoint blockiert die Mitose, bis das gesamte Genom erfolgreich dupliziert wurde. Dieser Weg induziert einen Arrest, indem er den Cyclin-B-CDK1-Komplex hemmt, der sich während des gesamten Zellzyklus allmählich ansammelt, um den mitotischen Eintritt zu fördern.
  3. Der intra-S - Phasen - Kontrollpunkt detektiert Doppelstrangbrüche (DSB) durch die Aktivierung von ATR und ATM - Kinasen. Neben der Erleichterung der DNA-Reparatur hemmen aktives ATR und ATM das Fortschreiten des Zellzyklus, indem sie den Abbau von CDC25A fördern, einer Phosphatase, die hemmende Phosphatreste von CDKs entfernt. Die homologe Rekombination , ein genauer Prozess zur Reparatur von DNA -Doppelstrangbrüchen, ist in der S-Phase am aktivsten, nimmt in G2/M ab und fehlt in der G1-Phase fast .

Zusätzlich zu diesen kanonischen Kontrollpunkten deuten neuere Erkenntnisse darauf hin, dass Anomalien in der Histonversorgung und der Nukleosomenanordnung auch die S-Phasen-Progression verändern können. Die Verarmung an freien Histonen in Drosophila- Zellen verlängert die S-Phase dramatisch und verursacht einen dauerhaften Stillstand in der G2-Phase. Dieser einzigartige Arrest-Phänotyp ist nicht mit der Aktivierung kanonischer DNA-Schädigungswege verbunden, was darauf hindeutet, dass die Nukleosomenanordnung und die Histonversorgung durch einen neuen S-Phasen-Checkpoint untersucht werden können.

Siehe auch

Verweise