S-фаза

Клеточный цикл

S-фа́за — фаза клеточного цикла, в которой происходит репликация ДНК. Стадия интерфазы, расположенная между G₁- и G₂-фазами. Длительность в большинстве клеток составляет 8—12 часов. В ходе дробления бластомеры многих организмов делятся раз в 20—30 минут, причём сильно сокращаются G1 и G2-периоды: S-фаза почти равна по длительности интерфазе.

Безошибочность репликации ДНК необходима для предотвращения генетических аномалий, часто приводящих к болезни или смерти клетки. Из-за этой важности регуляторные пути, управляющие этими процессами, у эукариот крайне консервативны. Эта консервативность делает изучение S-фазы на модельных организмах, например, гладкой шпорцевой лягушке (Xenopus laevis) и почкующихся дрожжах, актуальным для высших организмов.

Регуляция S-фазы

Главной контрольной точкой в регуляции клеточного цикла является переход от G₁-фазы к S-фазе. В зависимости от количества питательных веществ и энергии, а также от внешних факторов клетка принимает решение — вступать в клеточный цикл или же перейти в неделящееся состояние, известное как G₀-фаза. Этот переход, как и все контрольные переходные точки в клеточном цикле, запускается циклинами и циклин-зависимыми киназами. Активация G1/S-циклинов запускает CLN3-циклин-зависимую киназу, активирующую Cln1/2 и Clb5/6 в ходе инициации S-фазы. Этот путь включает 2 положительных обратносвязанных цикла, допускающих быстрый, однонаправленный переход в S-фазу. Такие на первый взгляд сложные и избыточные пути, тем не менее, не являются редкими, так как позволяют более тонко регулировать выходные сигналы системы и часто приводят к ускорению эволюции.

Репликация ДНК

Главным событием S-фазы является репликация ДНК. Целью этого процесса является создание двух абсолютно идентичных хроматид. Клетка препятствует более чем одной репликации хромосомы, накладывая на ДНК в фазе G₁ специальные пререпликационные комплексы, которые разбираются в S-фазе перед началом репликации. В почкующихся дрожжах белок Cdc6 разрушается, Orc2/6 фосфорилируется, и mcm-белки изгоняются из ядра, предотвращая новое прикрепление репликационного аппарата (ДНК-полимеразы) к ДНК после начала репликации. Удивительно, но синтез ДНК может идти со скоростью 2000 нуклеотидов в секунду и достигает точности 2 неправильных основания на 10¹⁰ нуклеотидов.

Повреждения ДНК

Повреждения ДНК в норме распознаются в S-фазе. Когда репликационная вилка натыкается на повреждённую ДНК, активируется протеинкиназа ATR. Киназа запускает несколько сложных механизмов, приостанавливающих активацию новых точек репликации, предотвращая митоз, и вызывает остановку репликационной вилки, чтобы цепи ДНК оставались разделенными (сохранялся открытый "репликационный глазок"), ДНК-полимераза не отделялась от ДНК, а поврежденные участки не удвваивались до их репарации.

Удвоение центриолей

В течение S-фазы происходит удвоение не только ДНК, но и каждой из центриолей клеточного центра. Центриоль, бывшая в клетке материнской, строит новую дочернюю, а бывшая дочерняя центриоль сама становится материнской и строит свою пару. При этом в сборке микротрубочек задействована только исходная материнская центриоль.

Другие события S-фазы

В течение S-фазы наиболее интенсивно синтезируются РНК и белки, связанные с ДНК (в том числе гистоны) — они необходимы для включения в состав новой хроматиды. Синтез таких белков, направляемых в ядро, осуществляют свободные рибосомы, не связанные с эндоплазматической сетью.