Fase S

_La fase S ( fase de síntesis ) es la fase del ciclo celular en la que se replica el ADN , y ocurre entre la fase G1 y la fase G2 . ^{[ 1 ]} _{Dado que la duplicación precisa del genoma es fundamental para una división celular exitosa, los procesos que ocurren durante la} fase S están estrictamente regulados y ampliamente conservados .

La entrada en 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 suficientes nutrientes y señales de crecimiento. ^{[ 2 ]} Esta transición es esencialmente irreversible; después de superar 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 la ciclina Cln3 , que forma un complejo con la quinasa 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 sobreexpresión de genes de la fase S impulsa una mayor supresión de Whi5 , esta vía crea un bucle de retroalimentación positiva que compromete completamente a las células con la expresión de genes de la fase S. ^{[ 3 ]}

En las células de mamíferos existe un esquema regulador notablemente similar. ^{[ 3 ]} Las señales mitogénicas recibidas durante la fase G1 provocan la acumulación gradual de ciclina D, que forma un complejo con CDK4/6. ^{[ 3 ]} El complejo activo ciclina D-CDK4/6 induce la liberación del factor de transcripción E2F , que a su vez inicia la expresión de genes de la fase S. ^{[ 3 ]} Varios genes diana de E2F promueven una mayor liberación de E2F, creando un bucle de retroalimentación positiva similar al que se encuentra en la levadura. ^{[ 3 ]}

Durante las fases M y G1, las células ensamblan complejos de prereplicación 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 de varias CDK de la fase S, ambas reguladas positivamente al inicio de la fase S. ^{[ 4 ]}

La activación del pre-RC es un proceso altamente secuencial y estrictamente regulado. Después de que Cdc7 y las CDK de la fase S 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 segmento de ADN parental en dos hebras de ADN monocatenario, lo que a su vez recluta la proteína de replicación A ( RPA ), una proteína de unión a ADN monocatenario. ^{[ 4 ]} El reclutamiento de RPA prepara la horquilla de replicación para la carga de las ADN polimerasas replicativas y las pinzas 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 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 de ADN y responder al estrés de replicación. ^{[ 5 ]}

Dado que el nuevo ADN 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 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 de cromatina inhibitorias e impulsa un aumento de tres a diez veces en la tasa de transcripción. ^{[ 1 ] [ 6 ]}

In addition to increasing transcription of histone genes, S-phase entry also regulates histone production at the RNA level. Instead of polyadenylated tails, canonical histone transcripts possess a conserved 3` stem loop motif that selective binds to Stem Loop Binding Protein (SLBP).^[7] SLBP binding is required for efficient processing, export, and translation of histone mRNAs, allowing it to function as a highly sensitive biochemical "switch".^[7] During S-phase, accumulation of SLBP acts together with NPAT to drastically increase the efficiency of histone production.^[7] However, once S-phase ends, both SLBP and bound RNA are rapidly degraded.^[8] This immediately halts histone production and prevents a toxic buildup of free histones.^[9]

Free histones produced by the cell during S-phase are rapidly incorporated into new nucleosomes. This process is closely tied to the replication fork, occurring immediately in "front" and "behind" the replication complex. Translocation of MCM helicase along the leading strand disrupts parental nucleosome octamers, resulting in the release of H3-H4 and H2A-H2B subunits.^[10] Reassembly of nucleosomes behind the replication fork is mediated by chromatin assembly factors (CAFs) that are loosely associated with replication proteins.^[4][11] Though not fully understood, the reassembly does not appear to utilize the semi-conservative scheme seen in DNA replication.^[11] Labeling experiments indicate that nucleosome duplication is predominantly conservative.^[11][10] The paternal H3-H4 core nucleosome remains completely segregated from newly synthesized H3-H4, resulting in the formation of nucleosomes that either contain exclusively old H3-H4 or exclusively new H3-H4.^[10][11] "Old" and "new" histones are assigned to each daughter strand semi-randomly, resulting in equal division of regulatory modifications.^[10]

Inmediatamente después de la división, cada cromátida hija posee solo la mitad de las modificaciones epigenéticas presentes en la cromátida paterna. ^{[ 10 ]} La célula debe utilizar este conjunto parcial de instrucciones para restablecer dominios de cromatina funcionales antes de entrar en mitosis.

Para grandes regiones genómicas, la herencia de nucleosomas H3-H4 antiguos es suficiente para el restablecimiento preciso de los dominios de cromatina. ^{[ 10 ]} El complejo represor de Polycomb 2 ( PRC2 ) y otros complejos modificadores de histonas pueden "copiar" las modificaciones presentes en las histonas antiguas a las nuevas. ^{[ 10 ]} Este proceso amplifica las marcas epigenéticas y contrarresta el efecto dilutivo de la duplicación de nucleosomas. ^{[ 10 ]}

Sin embargo, en dominios pequeños que se aproximan al tamaño de genes individuales, los nucleosomas antiguos están demasiado dispersos para una propagación precisa de las modificaciones de histonas. ^{[ 10 ]} En estas regiones, la estructura de la cromatina probablemente está 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 daño 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 ]}

1. El punto de control de replicación detecta horquillas de replicación detenidas mediante la integración de señales de RPA, la proteína de interacción con ATR (ATRIP) y RAD17. ^{[ 12 ]} Tras su activación, el punto de control de replicación aumenta la biosíntesis de nucleótidos y bloquea el inicio de la replicación desde orígenes no activados. ^{[ 12 ]} Ambos procesos contribuyen al rescate de las horquillas detenidas al aumentar la disponibilidad de dNTP. ^{[ 12 ]}
2. El punto de control SM bloquea la mitosis hasta que todo el genoma se haya duplicado con éxito. ^{[ 12 ]} Esta vía induce la detención al inhibir el complejo Ciclina B-CDK1, que se acumula gradualmente a lo largo del ciclo celular para promover la entrada en la mitosis. ^{[ 12 ]}
3. El punto de control de la fase S detecta roturas de doble cadena (DSB) mediante la activación de las quinasas ATR y ATM . ^{[ 12 ]} Además de facilitar la reparación del ADN, la actividad de ATR y ATM detiene la progresión del ciclo celular al promover la degradación de CDC25A, una fosfatasa que elimina los residuos de fosfato inhibidores de las CDK. ^{[ 12 ]} La recombinación homóloga , un proceso preciso para reparar las roturas de doble cadena del ADN, es más activa en la fase S, disminuye en G2/M y está prácticamente ausente en la fase G1 . ^{[ 13 ]}

Además de estos puntos de control canónicos, 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 histonas libres en células de Drosophila prolonga drásticamente la fase S y causa una detención permanente en la fase G2. ^{[ 14 ]} Este fenotipo de detención único no está asociado con la activación de las vías canónicas de daño del ADN, 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 ]}

• Índice de fase S (IPS)
• Fracción S o fracción de fase S (pronóstico oncológico/patológico)
• Punto de restricción