La fase S ( fase de síntesis ) es la fase del ciclo celular en la que se replica el ADN y ocurre entre la fase G 1 y la fase G 2. [1] Dado que la duplicación precisa del genoma es fundamental para una división celular exitosa, los procesos que ocurren durante la fase S están estrechamente regulados y ampliamente conservados.
La entrada a la fase S está controlada por el punto de restricción G1 (R), que compromete a las células con el resto del ciclo celular si hay nutrientes y señalización de crecimiento adecuados. [2] Esta transición es esencialmente irreversible; después de pasar el punto de restricción, la célula progresará a través de la fase S incluso si las condiciones ambientales se vuelven desfavorables. [2]
En consecuencia, la entrada en la fase S está controlada por vías moleculares que facilitan un cambio rápido y unidireccional en el estado celular. En la levadura, por ejemplo, el crecimiento celular induce la acumulación de ciclina Cln3 , que forma complejos con la cinasa dependiente de ciclina CDK2. [3] El complejo Cln3-CDK2 promueve la transcripción de genes de la fase S al inactivar el represor transcripcional Whi5 . [3] Dado que la regulación positiva de los genes de la fase S impulsa una mayor supresión de Whi5 , esta vía crea un ciclo de retroalimentación positiva que compromete completamente a las células con la expresión génica de la fase S. [3]
Existe un esquema regulatorio notablemente similar en las células de mamíferos. [3] Las señales mitogénicas recibidas a lo largo de la fase G1 causan una acumulación gradual de ciclina D, que forma complejos con CDK4/6. [3] El complejo ciclina D-CDK4/6 activo induce la liberación del factor de transcripción E2F , que a su vez inicia la expresión de los genes de la fase S. [3] Varios genes diana de E2F promueven una mayor liberación de E2F, creando un ciclo de retroalimentación positiva similar al que se encuentra en la levadura. [3]
Durante la fase M y la fase G1, las células ensamblan complejos de pre-replicación inactivos (pre-RC) en orígenes de replicación distribuidos por todo el genoma. [4] Durante la fase S, la célula convierte los pre-RC en horquillas de replicación activas para iniciar la replicación del ADN. [4] Este proceso depende de la actividad quinasa de Cdc7 y varias CDK de la fase S, las cuales se regulan positivamente al ingresar a la fase S. [4]
La activación del pre-RC es un proceso altamente secuencial y estrechamente regulado. Después de que Cdc7 y las CDK de la fase S fosforilan sus respectivos sustratos, un segundo conjunto de factores replicativos se asocian con el pre-RC. [4] La asociación estable alienta a la helicasa MCM a desenrollar un pequeño tramo de ADN parental en dos hebras de ssDNA, que a su vez recluta la proteína de replicación A ( RPA ), una proteína de unión a ssDNA. [4] El reclutamiento de RPA prepara la horquilla de replicación para la carga de las ADN polimerasas replicativas y las abrazaderas deslizantes de PCNA . [4] La carga de estos factores completa la horquilla de replicación activa e inicia la síntesis de nuevo ADN.
El ensamblaje y la activación completos de la horquilla de replicación solo se producen en un pequeño subconjunto de orígenes de replicación. Todos los eucariotas poseen muchos más orígenes de replicación de los estrictamente necesarios durante un ciclo de replicación del ADN. [5] Los orígenes redundantes pueden aumentar la flexibilidad de la replicación del ADN, lo que permite a las células controlar la tasa de síntesis del ADN y responder al estrés de la replicación. [5]
Dado que el ADN nuevo debe empaquetarse en nucleosomas para funcionar correctamente, la síntesis de proteínas histónicas canónicas (no variantes) ocurre junto con la replicación del ADN. Durante la fase S temprana, el complejo ciclina E-Cdk2 fosforila NPAT , un coactivador nuclear de la transcripción de histonas. [6] NPAT se activa por fosforilación y recluta el complejo de remodelación de cromatina Tip60 a los promotores de los genes de histonas. [6] La actividad de Tip60 elimina las estructuras inhibidoras de la cromatina e impulsa un aumento de tres a diez veces en la tasa de transcripción. [1] [6]
Además de aumentar la transcripción de genes de histonas, la entrada en la fase S también regula la producción de histonas a nivel del ARN. En lugar de colas poliadeniladas , las transcripciones de histonas canónicas poseen un motivo de bucle de tallo 3` conservado que se une selectivamente a la proteína de unión al bucle de tallo ( SLBP ). [7] La unión de SLBP es necesaria para el procesamiento, la exportación y la traducción eficientes de los ARNm de las histonas, lo que le permite funcionar como un "interruptor" bioquímico altamente sensible. [7] Durante la fase S, la acumulación de SLBP actúa junto con NPAT para aumentar drásticamente la eficiencia de la producción de histonas. [7] Sin embargo, una vez que termina la fase S, tanto SLBP como el ARN unido se degradan rápidamente. [8] Esto detiene inmediatamente la producción de histonas y evita una acumulación tóxica de histonas libres. [9]
Las histonas libres producidas por la célula durante la fase S se incorporan rápidamente a los nuevos nucleosomas. Este proceso está estrechamente ligado a la horquilla de replicación y se produce inmediatamente "delante" y "detrás" del complejo de replicación. La translocación de la helicasa MCM a lo largo de la cadena principal altera los octámeros del nucleosoma parental, lo que da lugar a la liberación de las subunidades H3-H4 y H2A-H2B. [10] El reensamblaje de los nucleosomas detrás de la horquilla de replicación está mediado por factores de ensamblaje de cromatina (CAF) que están vagamente asociados con las proteínas de replicación. [4] [11] Aunque no se entiende por completo, el reensamblaje no parece utilizar el esquema semiconservador observado en la replicación del ADN. [11] Los experimentos de etiquetado indican que la duplicación de nucleosomas es predominantemente conservadora. [11] [10] El nucleosoma central H3-H4 paterno permanece completamente segregado del H3-H4 recién sintetizado, lo que da como resultado la formación de nucleosomas que contienen exclusivamente H3-H4 antiguo o exclusivamente H3-H4 nuevo. [10] [11] Las histonas “viejas” y “nuevas” se asignan a cada cadena hija de forma semialeatoria, lo que da como resultado una división igualitaria de las modificaciones reguladoras. [10]
Inmediatamente después de la división, cada cromátida hija sólo posee la mitad de las modificaciones epigenéticas presentes en la cromátida paterna. [10] La célula debe utilizar este conjunto parcial de instrucciones para restablecer los dominios funcionales de la cromatina antes de entrar en mitosis.
En el caso de regiones genómicas grandes, la herencia de nucleosomas H3-H4 antiguos es suficiente para restablecer con precisión los dominios de la cromatina. [10] El complejo represivo Polycomb 2 ( PRC2 ) y varios otros complejos modificadores de histonas pueden "copiar" modificaciones presentes en histonas antiguas en histonas nuevas. [10] Este proceso amplifica las marcas epigenéticas y contrarresta el efecto dilutivo de la duplicación de nucleosomas. [10]
Sin embargo, en el caso de dominios pequeños que se aproximan al tamaño de genes individuales, los nucleosomas antiguos están demasiado dispersos para una propagación precisa de las modificaciones de las histonas. [10] En estas regiones, la estructura de la cromatina probablemente esté controlada por la incorporación de variantes de histonas durante el reensamblaje de los nucleosomas. [10] La estrecha correlación observada entre H3.3/H2A.Z y las regiones transcripcionalmente activas respalda este mecanismo propuesto. [10] Desafortunadamente, aún no se ha demostrado una relación causal. [10]
Durante la fase S, la célula examina continuamente su genoma en busca de anomalías. La detección de daños en el ADN induce la activación de tres "vías de control" canónicas de la fase S que retrasan o detienen la progresión del ciclo celular: [12]
Además de estos puntos de control canónicos, evidencia reciente sugiere que las anormalidades en el suministro de histonas y el ensamblaje de nucleosomas también pueden alterar la progresión de la fase S. [14] El agotamiento de histonas libres en células de Drosophila prolonga dramáticamente la fase S y causa un arresto permanente en la fase G2. [14] Este fenotipo de arresto único no está asociado con la activación de las vías de daño del ADN canónico, lo que indica que el ensamblaje de nucleosomas y el suministro de histonas pueden ser examinados por un nuevo punto de control de la fase S. [14]