فاز S

مرحله اس یا مرحله ساختن یا سنتز (به انگلیسی: Synthesis Phase) دی‌ان‌ای یکی از بخش‌های چرخه یاخته‌ای است که در طی میان چهر (اینترفاز) انجام می‌شود. این بخش پس از نخستین بخش رشد (G1) و پیش از دومین بخش رشد (G2) رخ می‌دهد. در این بخش از چرخه یاخته‌ای، در یوکاریوت‌ها دی‌ان‌ای خطی هسته (DNA) همانندسازی می‌کند. همانندسازی دقیق و بدون خطای ژنوم برای تقسیم یاخته‌ای صحیح ضروری‌است بنابراین سازوکارهایی که در مرحله S رخ می‌دهند، بسیار دقیق واپایش شده و حفظ می‌شوند.

کروماتیدها (فامینک‌ها) در این بخش هنوز فشردگی و انباشتگی خود را پیدا نکرده‌اند. در طول فاز S، یک یاخته معمولی تنها یک بار ژنوم خود را همانندسازی می‌کند. مرحله سنتز چرخه یاخته برای بازتولید دقیق اطلاعات ژنتیکی ذخیره شده، ازجمله فنوتیپ‌ها و دگرهها در هسته یاخته بسیار مهم است. همچنین در پایان فاز S اینترفاز، نقطه وارسی وجود ندارد.

قوانین فاز S

پیش از فاز S، فاز G1 اینترفاز قرار دارد که بیشترین مدت زمان عمر یک یاخته در آن می‌گذرد. برای انتقال فاز یاخته از G1 به S، عبور از نقطه وارسی انتهای G1 الزامی است. نقطه وارسی G1 (R) ورود به فاز S را کنترل می‌کند و در صورت وجود مواد مغذی کافی و وجود سیگنال‌های رشد، اجازه ورود یاخته به مرحلهٔ بعد را می‌دهد. اما این عبور برگشت‌ناپذیر است و هنگامی که یاخته از این نقطه وارسی عبور کرد، دیگر نمی‌تواند دوباره به فاز G1 بازگردد، حتی اگر شرایط محیطی تغییر کرده و نامطلوب شود.

بر این اساس، ورود به فاز S توسط مسیرهای مولکولی کنترل می‌شود که یک تغییر سریع و یک جهته در وضعیت سلول را تسهیل می‌کند. به عنوان مثال، در مخمر، رشد سلولی باعث تجمع سیکلین CLN3 می‌شود که با کیناز CDK2 وابسته به سیکلین کمپلکس می‌شود. کمپلکس Cln3-CDK2 رونویسی ژن‌های فاز S را با غیرفعال کردن سرکوبگر رونویسی Whi5 ترویج می‌کند. از آنجایی که تنظیم مثبت ژن‌های فاز S باعث سرکوب بیشتر Whi5 می‌شود، این مسیر یک حلقه بازخورد مثبت ایجاد می‌کند که سلول‌ها را به‌طور کامل به بیان ژن فاز S متعهد می‌کند.

یک طرح تنظیمی بسیار مشابه در سلول‌های پستانداران وجود دارد. سیگنال‌های میتوژنیک دریافتی در سراسر فاز G1 باعث تجمع تدریجی سیکلین D می‌شود که با CDK4/6 کمپلکس می‌شود. کمپلکس فعال سیکلین D-CDK4/6 باعث آزاد شدن فاکتور رونویسی E2F می‌شود که به نوبه خود بیان ژن‌های فاز S را آغاز می‌کند. چندین ژن هدف E2F باعث آزادسازی بیشتر E2F می‌شوند و یک حلقه بازخورد مثبت مشابه آنچه در مخمر یافت می‌شود، ایجاد می‌کنند.

همانندسازی دی ان ای

در سراسر فاز M و فاز G1، سلول‌ها مجتمع‌های غیرفعال پیش‌تکثیر (پیش-RC) را بر روی مبدأ همانندسازی که در سرتاسر ژنوم توزیع شده‌است، جمع‌آوری می‌کنند. در طی فاز S، سلول پیش-RCها را به چنگال‌های همانندسازی فعال تبدیل می‌کند تا همانندسازی DNA را آغاز کند. این فرایند به فعالیت کیناز Cdc7 و CDKهای مختلف فاز S بستگی دارد که هر دو با ورود به فاز S تنظیم مثبت می‌شوند.

فعال سازی pre-RC یک فرایند کاملاً تنظیم شده و بسیار متوالی است. پس از اینکه CDKهای فاز S و Cdc7 سوبستراهای مربوطه خود را فسفریله کردند، مجموعه دومی از عوامل همانندسازی با پیش-RC مرتبط می‌شوند. ارتباط پایدار هلیکاز MCM را تشویق می‌کند تا بخش کوچکی از DNA والدین را به دو رشته ssDNA باز کند، که به نوبه خود پروتئین همانندسازی A (RPA)، یک پروتئین اتصال دهنده ssDNA را جذب می‌کند. RPA چنگال همانندسازی را برای بارگذاری DNA پلیمرازهای همانندسازی کننده و گیره‌های لغزشی PCNA آغاز می‌کند. بارگذاری این فاکتورها چنگال همانندسازی فعال را تکمیل می‌کند و سنتز DNA جدید را آغاز می‌کند.

فعال سازی کامل چنگال همانندسازی فقط در زیر مجموعه کوچکی از مبداها رخ می‌دهد. همه یوکاریوت‌ها دارای منشأ همانندسازی بسیار بیشتری نسبت به آنچه در طول یک چرخه همانندسازی DNA نیاز است دارند. منشأ اضافی ممکن است انعطاف‌پذیری همانندسازی DNA را افزایش دهد و به سلول‌ها اجازه دهد تا سرعت سنتز DNA را کنترل کنند و به استرس همانندسازی پاسخ دهند.

سنتز هیستون

از آنجایی که DNA جدید برای عملکرد مناسب باید در نوکلئوزوم‌ها بسته‌بندی شود، سنتز پروتئین‌های هیستونی متعارف (غیر متغیر) در کنار همانندسازی DNA رخ می‌دهد. در اوایل فاز S، کمپلکس سیکلین E-Cdk2 NPAT، یک فعال کننده هسته ای رونویسی هیستون را فسفریله می‌کند. NPAT با فسفوریلاسیون فعال می‌شود و کمپلکس بازسازی کروماتین Tip60 را برای پروموترهای ژن‌های هیستون به کار می‌گیرد. فعالیت Tip60 ساختارهای کروماتین بازدارنده را حذف می‌کند و باعث افزایش سه تا ده برابری در نرخ رونویسی می‌شود.

ورود به فاز S علاوه بر افزایش رونویسی ژن‌های هیستون، تولید هیستون را در سطح RNA نیز تنظیم می‌کند. به جای دم‌های پلی آدنیله، رونوشت‌های هیستون متعارف دارای یک موتیف حلقه ساقه ۳` حفاظت شده هستند که به صورت انتخابی به پروتئین اتصال حلقه ساقه (SLBP) متصل می‌شود. اتصال SLBP برای پردازش کارآمد، صادرات و ترجمه mRNA‌های هیستون مورد نیاز است و به آن اجازه می‌دهد تا به عنوان یک «سوئیچ» بیوشیمیایی بسیار حساس عمل کند. در طول فاز S، تجمع SLBP همراه با NPAT عمل می‌کند تا کارایی تولید هیستون را به شدت افزایش دهد. با این حال، هنگامی که فاز S به پایان می‌رسد، هر دو SLBP و RNA متصل به سرعت تجزیه می‌شوند.این بلافاصله تولید هیستون را متوقف می‌کند و از تجمع سمی هیستون‌های آزاد جلوگیری می‌کند.

همانندسازی نوکلئوزوم

هیستون‌های آزاد تولید شده توسط سلول در طول فاز S به سرعت در نوکلئوزوم‌های جدید گنجانده می‌شوند. این فرایند به شدت به چنگال همانندسازی گره خورده‌است و بلافاصله در «جلو» و «پشت» مجتمع تکرار اتفاق می‌افتد. جابجایی هلیکاز MCM در امتداد رشته پیشرو، اکتامرهای نوکلئوزوم والدین را مختل می‌کند و در نتیجه زیر واحدهای H3-H4 و H2A-H2B را آزاد می‌کند. بازسازی مجدد نوکلئوزوم‌ها در پشت چنگال همانندسازی توسط فاکتورهای بازسازی کروماتین (CAFs) که ارتباط ضعیفی با پروتئین‌های همانندسازی دارند، انجام می‌شود.

آزمایش‌های برچسب‌گذاری نشان می‌دهد که همانندسازی نوکلئوزوم عمدتاً به صورت حفاظتی است. نوکلئوزوم هسته مادری H3-H4 کاملاً از H3-H4 تازه سنتز شده جدا می‌ماند، که منجر به تشکیل نوکلئوزوم‌هایی می‌شود که منحصراً یا حاوی H3-H4 قدیمی یا منحصراً H3-H4 جدید هستند. هیستون‌های «قدیمی» و «جدید» به‌صورت نیمه تصادفی به هر رشته دختری اختصاص داده می‌شوند که منجر به تقسیم مساوی تغییرات تنظیمی می‌شود.

منابع

↑ Morgan، David (۲۰۰۷). The cell cycle: principles of control. Oxford University Press. شابک ۹۷۸-۰۱۹۹۲۰۶۱۰۰.
↑ Mikhail V. Blagosklonny, Arthur B. Pardee (۲۰۱۳). «The Restriction Point of the Cell Cycle». Landes Bioscience.
↑ Bertoli C, Skotheim JM, de Bruin RA (آگوست ۲۰۱۳). «Control of cell cycle transcription during G1 and S phases». Nature Reviews. Molecular Cell Biology.
↑ Bertoli C, Skotheim JM, de Bruin RA (آگوست ۲۰۱۳). «Control of cell cycle transcription during G1 and S phases». Nature Reviews. Molecular Cell Biology.
↑ Takeda DY, Dutta A (آوریل ۲۰۰۵). «DNA replication and progression through S phase». Oncogene.
↑ Takeda DY, Dutta A (آوریل ۲۰۰۵). «DNA replication and progression through S phase». Oncogene.
↑ Takeda DY, Dutta A (آوریل ۲۰۰۵). «DNA replication and progression through S phase». Oncogene.
↑ DeRan M, Pulvino M, Greene E, Su C, Zhao J (ژانویه ۲۰۰۸). «Transcriptional Activation of Histone Genes Requires NPAT-Dependent Recruitment of TRRAP-Tip60 Complex to Histone Promoters during the G1/S Phase Transition». Molecular and Cellular Biology.
↑ Morgan، David (۲۰۰۷). The cell cycle: principles of control. Oxford University Press. شابک ۹۷۸-۰۱۹۹۲۰۶۱۰۰.
↑ Marzluff WF, Koreski KP (اکتبر ۲۰۱۷). «Birth and Death of Histone mRNAs». Trends in Genetics.
↑ «Stem-Loop Binding Protein, the Protein That Binds the 3′ End of Histone mRNA, Is Cell Cycle Regulated by Both Translational and Posttranslational Mechanisms». Molecular and Cellular Biology. ژوئن ۲۰۰۰.
↑ Ma Y, Kanakousaki K, Buttitta L (۲۰۱۵). «How the cell cycle impacts chromatin architecture and influences cell fate». Frontiers in Genetics.

[1] Morgan، David (۲۰۰۷). The cell cycle: principles of control. Oxford University Press. شابک ۹۷۸-۰۱۹۹۲۰۶۱۰۰.

[2] Mikhail V. Blagosklonny, Arthur B. Pardee (۲۰۱۳). «The Restriction Point of the Cell Cycle». Landes Bioscience.

[3] Bertoli C, Skotheim JM, de Bruin RA (آگوست ۲۰۱۳). «Control of cell cycle transcription during G1 and S phases». Nature Reviews. Molecular Cell Biology.

[4] Bertoli C, Skotheim JM, de Bruin RA (آگوست ۲۰۱۳). «Control of cell cycle transcription during G1 and S phases». Nature Reviews. Molecular Cell Biology.

[5] Takeda DY, Dutta A (آوریل ۲۰۰۵). «DNA replication and progression through S phase». Oncogene.

[6] Takeda DY, Dutta A (آوریل ۲۰۰۵). «DNA replication and progression through S phase». Oncogene.

[7] Takeda DY, Dutta A (آوریل ۲۰۰۵). «DNA replication and progression through S phase». Oncogene.

[8] DeRan M, Pulvino M, Greene E, Su C, Zhao J (ژانویه ۲۰۰۸). «Transcriptional Activation of Histone Genes Requires NPAT-Dependent Recruitment of TRRAP-Tip60 Complex to Histone Promoters during the G1/S Phase Transition». Molecular and Cellular Biology.

[9] Morgan، David (۲۰۰۷). The cell cycle: principles of control. Oxford University Press. شابک ۹۷۸-۰۱۹۹۲۰۶۱۰۰.

[10] Marzluff WF, Koreski KP (اکتبر ۲۰۱۷). «Birth and Death of Histone mRNAs». Trends in Genetics.

[11] «Stem-Loop Binding Protein, the Protein That Binds the 3′ End of Histone mRNA, Is Cell Cycle Regulated by Both Translational and Posttranslational Mechanisms». Molecular and Cellular Biology. ژوئن ۲۰۰۰.

[12] Ma Y, Kanakousaki K, Buttitta L (۲۰۱۵). «How the cell cycle impacts chromatin architecture and influences cell fate». Frontiers in Genetics.