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S期（合成期）は、細胞周期においてDNAが複製される段階であり、G1期とG2期の間に起こる。[ 1 ]ゲノムの正確な複製は細胞分裂の成功に不可欠であるため、S期に起こるプロセスは厳密に制御され、広く保存されている。
S期への移行はG1制限点（R）によって制御され、十分な栄養素と成長シグナルがあれば細胞は細胞周期の残りの段階に進むことになります。[ 2 ]この移行は基本的に不可逆的であり、制限点を通過すると、環境条件が不利になったとしても細胞はS期へと進みます。[ 2 ]
したがって、S期への移行は、細胞状態の急速かつ一方向性のシフトを促進する分子経路によって制御されます。例えば、酵母では、細胞増殖によってCln3サイクリンの蓄積が誘導され、これがサイクリン依存性キナーゼCDK2と複合体を形成します。[ 3 ] Cln3-CDK2複合体は、転写抑制因子Whi5を不活性化することでS期遺伝子の転写を促進します。[ 3 ] S期遺伝子のアップレギュレーションはWhi5のさらなる抑制を引き起こすため、この経路は細胞を完全にS期遺伝子発現へと導く正のフィードバックループを形成します。[ 3 ]
哺乳類細胞にも、これと非常によく似た制御機構が存在する。[ 3 ] G1期を通して受け取られる有糸分裂促進シグナルは、サイクリンDの漸進的な蓄積を引き起こし、サイクリンDはCDK4/6と複合体を形成する。 [ 3 ]活性型サイクリンD-CDK4/6複合体はE2F転写因子の放出を誘導し、E2FはS期遺伝子の発現を開始する。[ 3 ]いくつかのE2F標的遺伝子はE2Fのさらなる放出を促進し、酵母で見られるものと同様の正のフィードバックループを形成する。[ 3 ]
M期とG1期を通して、細胞はゲノム全体に分布する複製起点上に不活性な複製前複合体（pre-RC）を組み立てる。 [ 4 ] S期になると、細胞はpre-RCを活性な複製フォークに変換してDNA複製を開始する。[ 4 ]このプロセスはCdc7と様々なS期CDKのキナーゼ活性に依存しており、どちらもS期に入ると発現が上昇する。[ 4 ]
pre-RCの活性化は、厳密に制御された非常に順序立てられたプロセスです。Cdc7とS期CDKがそれぞれの基質をリン酸化すると、2番目の複製因子群がpre-RCに結合します。[ 4 ]安定した結合により、MCMヘリカーゼが親DNAの小さな領域を2本のssDNA鎖にほどき、それがssDNA結合タンパク質である複製タンパク質A（ RPA ）をリクルートします。 [ 4 ] RPAのリクルートにより、複製フォークは複製DNAポリメラーゼとPCNAスライディングクランプのロードの準備が整います。[ 4 ]これらの因子のロードにより、アクティブな複製フォークが完成し、新しいDNAの合成が開始されます。
複製フォークの完全な組み立てと活性化は、複製起点のごく一部でのみ起こります。すべての真核生物は、DNA複製の1サイクルで厳密に必要とされるよりもはるかに多くの複製起点を持っています。[ 5 ]冗長な起点は、DNA複製の柔軟性を高め、細胞がDNA合成速度を制御し、複製ストレスに対応できるようにします。[ 5 ]
新しいDNAは適切に機能するためにヌクレオソームにパッケージ化される必要があるため、標準的な（非変異型）ヒストンタンパク質の合成はDNA複製と並行して起こります。S期初期には、サイクリンE-Cdk2複合体がヒストン転写の核内共活性化因子であるNPATをリン酸化します。[ 6 ] NPATはリン酸化によって活性化され、Tip60クロマチンリモデリング複合体をヒストン遺伝子のプロモーターにリクルートします。[ 6 ] Tip60の活性は阻害的なクロマチン構造を除去し、転写速度を3～10倍増加させます。[ 1 ] [ 6 ]
ヒストン遺伝子の転写の増加に加えて、S期への移行はRNAレベルでのヒストン産生も制御します。ポリアデニル化された尾部の代わりに、標準的なヒストン転写産物は、ステムループ結合タンパク質（SLBP ）に選択的に結合する保存された3'ステムループモチーフを持っています。[ 7 ] SLBP結合は、ヒストンmRNAの効率的な処理、輸送、および翻訳に必要であり、非常に感度の高い生化学的「スイッチ」として機能します。[ 7 ] S期の間、SLBPの蓄積はNPATと協働してヒストン産生の効率を劇的に高めます。[ 7 ]しかし、S期が終了すると、SLBPと結合したRNAの両方が急速に分解されます。 [ 8 ]これにより、ヒストン産生は直ちに停止し、遊離ヒストンの毒性蓄積が防止されます。[ 9 ]
S期に細胞によって生成された遊離ヒストンは、新しいヌクレオソームに急速に取り込まれる。このプロセスは複製フォークと密接に関連しており、複製複合体の「前」と「後ろ」で直ちに起こる。MCMヘリカーゼがリーディング鎖に沿って移動すると、親ヌクレオソーム八量体が破壊され、H3-H4およびH2A-H2Bサブユニットが放出される。[ 10 ]複製フォークの後ろでのヌクレオソームの再構成は、複製タンパク質と緩やかに結合しているクロマチンアセンブリ因子（CAF）によって媒介される。[ 4 ] [ 11 ]完全には解明されていないが、再構成はDNA複製で見られる半保存的スキームを利用していないようである。 [ 11 ]標識実験は、ヌクレオソームの複製が主に保存的であることを示している。[ 11 ] [ 10 ]父方の H3-H4 コアヌクレオソームは、新たに合成された H3-H4 から完全に分離されたままであり、その結果、古い H3-H4 のみを含むヌクレオソーム、または新しい H3-H4 のみを含むヌクレオソームが形成される。[ 10 ] [ 11 ]「古い」ヒストンと「新しい」ヒストンは、各娘鎖に半ランダムに割り当てられ、その結果、調節修飾が均等に分配される。[ 10 ]
分裂直後、各娘染色分体は父方染色分体に存在するエピジェネティック修飾の半分しか持っていない。[ 10 ]細胞は有糸分裂に入る前に、この部分的な指示セットを使用して機能的なクロマチン領域を再構築する必要がある。
大きなゲノム領域の場合、古いH3-H4ヌクレオソームの継承は、クロマチン領域の正確な再構築に十分である。[ 10 ]ポリコーム抑制複合体2（PRC2）および他のいくつかのヒストン修飾複合体は、古いヒストンに存在する修飾を新しいヒストンに「コピー」することができる。[ 10 ]このプロセスはエピジェネティックマークを増幅し、ヌクレオソーム複製の希釈効果を打ち消す。[ 10 ]
しかし、個々の遺伝子のサイズに近い小さな領域では、古いヌクレオソームが薄く広がりすぎて、ヒストン修飾が正確に伝播しない。[ 10 ]これらの領域では、クロマチン構造はヌクレオソームの再構成中にヒストン変異体の組み込みによって制御されていると考えられる。[ 10 ] H3.3/H2A.Zと転写活性領域の間に見られる密接な相関関係は、この提案されたメカニズムを裏付けている。[ 10 ]残念ながら、因果関係はまだ証明されていない。[ 10 ]
S期の間、細胞はゲノムの異常を継続的に検査します。DNA損傷の検出により、細胞周期の進行を遅らせたり停止させたりする3つの典型的なS期「チェックポイント経路」が活性化されます。[ 12 ]
これらの標準的なチェックポイントに加えて、最近の証拠は、ヒストン供給とヌクレオソームアセンブリの異常もS期の進行を変化させる可能性があることを示唆している。[ 14 ]ショウジョウバエ細胞における遊離ヒストンの枯渇は、S期を劇的に延長し、G2期での永久停止を引き起こす。[ 14 ]この特異な停止表現型は、標準的なDNA損傷経路の活性化とは関連しておらず、ヌクレオソームアセンブリとヒストン供給が新しいS期チェックポイントによって精査されている可能性があることを示している。[ 14 ]