La fase S ( fase de síntesis ) es la fase del ciclo celular en la que se replica el ADN , ocurriendo 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 al resto del ciclo celular si hay nutrientes y señales de crecimiento adecuados. [2] Esta transición es esencialmente irreversible; Después de pasar el punto de restricción, la célula avanzará a través de la fase S incluso si las condiciones ambientales se vuelven desfavorables. [2]
En consecuencia, la entrada a 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 quinasa CDK2 dependiente de ciclina. [3] El complejo Cln3-CDK2 promueve la transcripción de genes de 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 circuito de retroalimentación positiva que compromete completamente a las células a la expresión del gen de la fase S. [3]
En las células de mamíferos existe un esquema regulador notablemente similar. [3] Las señales mitogénicas recibidas a lo largo de la fase G1 provocan una acumulación gradual de ciclina D, que forma complejos con CDK4/6. [3] El complejo activo de ciclina D-CDK4/6 induce la liberación del factor de transcripción E2F , que a su vez inicia la expresión de genes de fase S. [3] Varios genes diana de E2F promueven una mayor liberación de E2F, creando un circuito de retroalimentación positiva similar al que se encuentra en la levadura. [3]
A lo largo de la fase M y la fase G1, las células ensamblan complejos previos a la replicación (pre-RC) inactivos 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 fase S, las cuales están reguladas positivamente tras la entrada a la fase S. [4]
La activación del pre-RC es un proceso estrechamente regulado y altamente secuencial. Después de que las CDK de fase S y Cdc7 fosforilan sus respectivos sustratos, un segundo conjunto de factores replicativos se asocia con el pre-RC. [4] La asociación estable estimula a la helicasa MCM a desenrollar un pequeño tramo de ADN parental en dos hebras de ADNss, que a su vez recluta la proteína A de replicación ( RPA ), una proteína de unión a ADNss. [4] El reclutamiento de RPA prepara la horquilla de replicación para la carga de ADN polimerasas replicativas y abrazaderas deslizantes de PCNA . [4] La carga de estos factores completa la bifurcación de replicación activa e inicia la síntesis de ADN nuevo.
El ensamblaje y la activación completos de la bifurcación de replicación solo ocurren 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, permitiendo 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 histonas 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 mediante fosforilación y recluta el complejo de remodelación de cromatina Tip60 en los promotores de 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. [dieciséis ]
Además de aumentar la transcripción de genes de histonas, la entrada en fase S también regula la producción de histonas a nivel de 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 a bucle de tallo ( SLBP ). [7] La unión de SLBP es necesaria para el procesamiento, la exportación y la traducción eficientes de los ARNm de 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 finaliza la fase S, tanto la SLBP como el ARN unido se degradan rápidamente. [8] Esto detiene inmediatamente la producción de histonas y previene una acumulación tóxica de histonas libres. [9]
Las histonas libres producidas por la célula durante la fase S se incorporan rápidamente a nuevos nucleosomas. Este proceso está estrechamente relacionado con la bifurcación de replicación y ocurre 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 como resultado 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 proteínas de replicación. [4] [11] Aunque no se comprende completamente, 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 resulta en la formación de nucleosomas que contienen exclusivamente H3-H4 antiguo o exclusivamente H3-H4 nuevo. [10] [11] Las histonas “antiguas” y “nuevas” se asignan a cada cadena hija de forma semialeatoria, lo que da como resultado una división equitativa de las modificaciones regulatorias. [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 de cromatina funcionales antes de entrar en la mitosis.
Para regiones genómicas grandes, la herencia de nucleosomas H3-H4 antiguos es suficiente para un restablecimiento preciso de los dominios de cromatina. [10] El Complejo Represivo 2 de Polycomb ( 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, para dominios pequeños que se acercan al tamaño de genes individuales, los nucleosomas antiguos están demasiado diseminados 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 del nucleosoma. [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 puntos de control" canónicas de la fase S que retrasan o detienen una mayor progresión del ciclo celular: [12]
Además de estos puntos de control canónicos, la evidencia reciente sugiere que las anomalías en el suministro de histonas y el ensamblaje de nucleosomas también pueden alterar la progresión de la fase S. [14] El agotamiento de las histonas libres en las células de Drosophila prolonga drásticamente la fase S y provoca una detención permanente en la fase G2. [14] Este fenotipo de detención único no está asociado con la activación de vías canónicas de daño al ADN, lo que indica que el ensamblaje de nucleosomas y el suministro de histonas pueden ser examinados mediante un nuevo punto de control de fase S. [14]