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 ]}

Además de aumentar la transcripción de los genes de histonas, la entrada en la fase S también regula la producción de histonas a nivel de ARN. En lugar de colas poliadeniladas , los transcritos de histonas canónicos poseen un motivo conservado de bucle de tallo 3' 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 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 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 ligado a la horquilla de replicación, ocurriendo inmediatamente delante y detrás del complejo de replicación. La translocación de la helicasa MCM a lo largo de la cadena principal interrumpe los octámeros de nucleosomas parentales, lo que resulta en 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 débilmente asociados con proteínas de replicación. ^{[ 4 ] [ 11 ]} Aunque no se comprende completamente, el reensamblaje no parece utilizar el esquema semiconservativo observado en la replicación del ADN. ^{[ 11 ]} Los experimentos de marcaje indican que la duplicación de nucleosomas es predominantemente conservativa. ^{[ 11 ] [ 10 ]} El nucleosoma central paterno H3-H4 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 "antiguas" y "nuevas" se asignan a cada hebra hija de forma semi-aleatoria, lo que da como resultado una división equitativa de las modificaciones reguladoras. ^{[ 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