La fase S comienza cuando se ha pasado el punto de restricción de la fase G1. En la fase S se producen dos sucesos importantes: replicación del ADN y duplicación de los centrosomas en las células animales. En los eucariotas, la replicación de los cromosomas, no sólo consiste en replicar el ADN, sino también todas las moléculas que forman la cromatina, determinada información epigenética (modificaciones químicas del ADN) y la organización tridimensional.
1. Estructura del ADN
El ADN está formado por dos cadenas de desoxirribonucleótidos o bases nucleotídicas (Figura 1). Ambas cadenas están unidas por puentes de hidrógeno que se establecen entre las bases complementarias (adenina-timina, citosina-guanina), formando espacialmente una doble hélice. Las dos cadenas se disponen de forma antiparalela entre sí. Esto quiere decir que el extremo 3' de una cadena está al lado del 5' de la otra cadena. Por tanto, cada extremo de la doble cadena posee un extremo 3' de una cadena y un extremo 5' de la otra. Para la duplicación del ADN hay que separar las dos cadenas rompiendo los puentes de hidrógeno y copiarlas simultáneamente.
2. Orígenes de replicación
El ADN de una célula eucariota no se copia empezando por un solo punto, esto llevaría demasiado tiempo, sino en múltiples sitios a la vez denominados orígenes de replicación. El comienzo de la replicación en cada origen está controlado por un mecanismo molecular en varios pasos. Primero se unen complejos moleculares denominados pre-replicativos, y después otros denominados pre-iniciadores. Algunos de estos complejos se unen en la fase G1 y se activan en la S. Es decir, en primer lugar hay una organización de la maquinaria molecular necesaria para iniciar el proceso de copia y en segundo lugar se recibe una "licencia" para comenzar la replicación. La célula dispone de los mecanismos necesarios para evitar que un origen de replicación se active más de una vez. Si no fuese así se produciría más de una copia, lo que podría ser letal para la célula.
En una célula de mamífero hay de 30000 a 50000 orígenes de replicación, pero no todos se activan durante la fase S. La línea temporal de activación de los orígenes de replicación podría servir para poder suministrar los suficientes componentes para la replicación. Si todos se activaran a la vez es probable que la célula careciera de recursos para atenderlos a todos simultáneamente. También se ha visto que el grado de mutación durante la fase S ocurre más al final de ésta. Luego los genes más importantes para la célula se replicarían antes, en la etapa más segura. Pero esto no explica todo el orden temporal, es decir, quién va antes y quién después.
La activación de un origen de replicación depende de varios factores como el ambiente de la cromatina y del estado de las propias histonas, que a su vez dependen del tipo celular que estemos considerando. Por tanto el patrón concreto de activación de los orígenes de replicación es distinto en distintos tipos celulares. La idea es que durante la fase G1 se marcan muchos posibles orígenes y es el tipo celular y las condiciones ambientales las que determinarán cuáles se iniciarán. El patrón temporal de replicación permanece bastante estable en una línea celular, pero aproximadamente el 50 % del genoma cambia el patrón temporal de replicación cuando se producen cambios en la diferenciación celular.
Pero también hay patrones generales. Así, los genes que se expresan mucho y las regiones del ADN con muchos genes se replican antes que aquellas regiones con pocos genes o con genes que se expresan poco. En los cromosomas hay regiones discretas que se expresan en un momento determinado y esto tiene funciones biológicas importantes. Es decir, hay algunos orígenes de replicación que siempre se activan en todas las células y lo hacen al comienzo de la fase S, mientras otros sólo lo hacen al final. Estos últimos suelen ser característicos de tipos celulares. Curiosamente la cromatina que se replica más tardíamente se encuentra próxima a la envuelta nuclear y al nucléolo.
Todos los orígenes de replicación cargados durante G1, se descargan al final de la fase S.
3. Replicación
Para que se inicie la replicación se separan las dos cadenas del ADN mediante un enzima denominada helicasa (Figura 2). A las cadenas expuestas se une una enzima denominada primasa (en eucariotas es un complejo formado por una ADN polimerasa α más una subunidad de una primasa) que sintetizarán un pequeño fragmento de ARN de unos 10 nucleótidos complementarios a una secuencia de la cadena de ADN, uno distinto en cada una de las cadenas. A estas pequeñas secuencias de ARN se les denomina cebadores o "primers". Entonces se reclutan las polimerasas δ y ε, las cuales añadirán al extremo 3' de los cebadores desoxirribonucleótidos complementarios (forman una nueva cadena de ADN) en la dirección del extremo 5' de la cadena copiada. Por tanto, formarán una cadena de nueva síntesis complementaria a cada una de las existentes previamente. Por eso se dice que la replicación es semiconservativa, una cadena nueva sobre una vieja. Un paso adicional es la eliminación del cebador de ribonucleótidos, llevado a cabo por las ARNasas, y su sustitución por desoxirribonucleótidos. Esta sustitución, o relleno del hueco, se hará por las DNA polimerasas que vienen copiando desde un origen de replicación situado más atrás en la cadena.
La apertura inicial de la doble cadena de ADN supone la creación de una horquilla de replicación (Figura 2). Como se ha comentado anteriormente, se copiarán las cadenas en las dos direcciones. Sin embargo, las ADN polimerasas añaden desoxirribonucleótidos exclusivamente al extremo 3' de la cadena nueva (se desplaza en la dirección 3' a 5' de la cadena copiada). Ello supone que una de las cadenas viejas tiene que ser copiada en dirección contraria al lugar donde se está abriendo la horquilla, lo que necesita de un proceso ligeramente más complicado. Así, en la zona de apertura de la doble hélice se irán añadiendo cebadores espaciados y serán los espacios entre estos cebadores los que llenarán las ADN polimerasas con nucleótidos complementarios, pero siempre en dirección 3'. Esto supone que hay un proceso continúo de creación de cebadores, copia de ADN, eliminación de los cebadores más antiguos, copia del espacio dejado por ellos por las ADN polimerasas y sellado de los segmentos de ADN con las enzimas denominadas ligasas. A estos fragmentos de ADN que se sintetizan periódicamente y son ligados entre sí para formar una cadena continua se les denomina fragmentos de Okazaky.
Es importante tener en cuenta que no todo el ADN se está replicando a la vez. Se estima que en cualquier momento de la fase S se está copiando entre un 10 y un 15 % del ADN total. Si se detectan roturas del ADN mediante los sistemas de control, la copia del resto del ADN se detiene. Hay otros eventos celulares ligados a la replicación del ADN como la síntesis de histonas, que debe también duplicar su número, y la duplicación de los centrosomas en las células animales, necesarios para organización del huso mitótico.
El final de la fase S está regulado por el complejo ATR y por CiclinaA/CDK1. La ciclina A también activa a la CDK2.
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Bibliografía ↷
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Bibliografía
Burge PMJ, Kunkel TA. 2017. Eukaryotic DNA replication fork. Annual review of biochemistry. 86: 417-438.
Marchal C, Sima J, Gilbert DM. 2019. Control of DNA replication timing in the 3D genome. Annual review in molecular cell biology. 20:721-737.
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Fase G1 
