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S기의 비밀: 세포는 언제 DNA 복제에 들어갈지 어떻게 결정하는가?
세포 주기에서 S 단계는 DNA 복제에 중요한 단계로 간주되며, 이 과정은 G1 단계와 G2 단계 사이에서 발생합니다. 성공적인 세포 분열에 있어서 유전체를 얼마나 정확하게 복제하는 것이 중요한 요소이므로, S기의 진행은 엄격하게 조절되고 보존됩니다.
세포가 S 단계로 진입하는 것은 G1 제한 지점(R)에 의해 제어되며, 세포는 영양소와 성장 신호가 충분한 경우에만 세포 주기의 나머지 단계를 진행합니다.
세포가 이 지점을 통과하면, 환경 조건이 아무리 불리하더라도 S 단계로 계속 진입하게 됩니다. 이러한 전환 과정은 되돌릴 수 없으며 세포 상태의 빠르고 단방향 변화를 촉진하는 일련의 분자 경로에 의해 제어됩니다.
예를 들어, 효모 세포의 성장은 Cln3 사이클린의 축적을 촉발하고, 이는 사이클린 의존성 키나제 CDK2와 복합체를 형성하여 S기 유전자의 발현을 촉진합니다.
유사한 조절 메커니즘이 포유류 세포에도 존재합니다. G1기에서 외부 성장 신호를 받으면 사이클린 D는 점차 축적되어 CDK4/6와 복합체를 형성합니다. 활성화된 사이클린 D-CDK4/6 복합체는 E2F 전사 인자를 방출하고, S기 유전자의 발현을 개시하며, E2F 방출을 더욱 촉진하여 양성 피드백 루프를 형성합니다.
DNA 복제의 시작M 단계와 G1 단계에서 세포는 게놈의 복제 원점에 비활성 사전 복제 복합체(pre-RC)를 조립합니다. S 단계 동안 세포는 이러한 복제 복합체를 활성 복제 포크로 전환하여 DNA 복제를 시작합니다. 이 과정은 Cdc7의 키나제 활동과 다양한 S-기 CDK에 의존하는데, 이는 S-기 진입 시 증가합니다.
Cdc7과 S-phase CDK가 각각의 기질을 인산화함에 따라 두 번째 복제 인자 세트가 사전 복제 복합체에 결합합니다. 안정적인 결합은 MCM 헬리케이스가 부계 DNA의 작은 부분을 열고 단일 가닥 DNA 결합 단백질을 모집하도록 합니다. (RPA와 같은) 복제 DNA 중합효소와 PCNA 슬라이딩 클램프의 로딩을 준비합니다.사전복제 복합체의 활성화는 엄격하게 조절되고 순서가 정해진 과정입니다.
조직구조 재구축
S 단계 동안, 세포에 의해 합성된 자유 히스톤은 새로운 핵소체에 빠르게 통합됩니다. 이 과정은 복제 포크와 밀접하게 연관되어 있으며 복제 콤플렉스의 바로 전과 바로 후에 발생합니다. 복제 포크 뒤에서는 오래된 핵소체의 재편성이 복제 단백질과 느슨하게 결합된 크로마틴 조립 인자(CAF)에 의해 매개됩니다.
DNA 손상 체크포인트이 과정은 DNA 복제에서 볼 수 있는 반보존적 메커니즘을 충분히 활용하지 못하며, 표지 실험 결과 핵소체 복제는 주로 보수적이라는 것이 밝혀졌습니다.
S 단계 동안 세포는 지속적으로 유전체를 검사하여 이상이 있는지 확인합니다. DNA 손상이 감지되면 세 가지 고전적인 S-단계 "체크포인트 경로"가 시작되어 세포 주기 진행을 지연시키거나 방지합니다. 이러한 경로는 DNA 복구를 촉진할 뿐만 아니라 필요할 경우 세포가 유사분열에 들어가는 것을 방지합니다.
예를 들어, 활성 ATR과 ATM 키나제는 CDC25A 분해를 촉진하여 세포 주기 진행을 멈출 수 있습니다.
최근 연구에 따르면 비정상적인 히스톤 공급과 핵소체 조립 문제도 S기 진행에 영향을 미칠 수 있는 것으로 나타났습니다. 초파리 세포에서 자유 히스톤이 부족하면 S기가 연장되고 세포는 G2기에 영구적으로 정지됩니다.
이러한 놀라운 발견은 S 단계의 내부 작동 방식과 세포 환경과의 상호 작용의 복잡성을 보여주며, 빠르게 변화하는 환경에서 세포가 어떻게 빠른 결정을 내리는지에 대한 의문을 제기합니다.
미래에 세포생물학을 연구할 때, 세포가 생명주기를 정확하게 어떻게 제어하는지에 대해 더 깊이 이해하고, 이러한 지식을 의학 분야에 적용할 수 있을까요?
