S期

S期（DNA複製期）

細胞周期は、細胞が増殖するために繰り返される一連の過程であり、その中でも特に重要なのがS期（Synthesis phase）です。この時期は、DNAが複製される期間であり、細胞周期のG1期（Gap 1 phase）とG2期（Gap 2 phase）の間に位置します。細胞が正常に分裂を完了するためには、ゲノムDNAの正確なコピーを作成することが不可欠です。そのため、S期で起こるあらゆるプロセスは厳密に管理されており、生物種を超えて広く保存されています。

S期への進行制御

S期への移行は、G1期にある制限点（R点）と呼ばれる重要なチェックポイントによって制御されています。細胞が適切な栄養状態にあり、増殖を促すシグナルを受け取っている場合にのみ、この制限点を通過することが許されます。一度R点を通過すると、細胞はたとえ外部環境が悪化しても、細胞周期の残りの段階へと進行し続けるという、本質的に不可逆的な変化が起こります。

したがって、S期への移行は、細胞の状態が迅速かつ一方向に変化する分子経路によって厳密に制御されています。例えば酵母では、細胞の成長に伴って特定のサイクリン（Cln3）が蓄積し、これがサイクリン依存性キナーゼ（CDK）と複合体を形成します。この複合体が転写抑制因子を不活性化することで、S期に必要な遺伝子の発現が促されます。これにより、さらに抑制因子が働かなくなるという自己促進的なフィードバックループが形成され、S期へのスムーズな移行が実現します。

哺乳類の細胞でも、非常に類似した調節メカニズムが存在します。細胞が増殖因子からのシグナルを受けると、G1期を通じてサイクリンDが段階的に増加し、CDK4/6と複合体を形成します。この活性化された複合体は、S期遺伝子の発現を制御する転写因子（E2F）を機能的に解放します。E2Fによって発現が誘導されるS期遺伝子の中には、E2Fの活性をさらに高めるものが含まれており、酵母と同様のポジティブフィードバックループが形成されます。

DNA複製のプロセス

DNA複製はS期の中核をなすイベントです。細胞はM期（分裂期）とG1期を通じて、ゲノム上の特定の場所である複製起点に、まだ活性化されていない複製前複合体（pre-RC）を構築しています。S期が始まると、Cdc7やS期CDKなどのキナーゼの働きによってpre-RCがリン酸化され、DNA合成を実行する活性型の複製フォークへと変換されます。これらのキナーゼは、S期の開始とともにその活性が高まります。

pre-RCが複製フォークへと活性化される過程は、段階的かつ厳密に制御されています。まず、Cdc7やS期CDKが特定の基質をリン酸化した後、さらに多くの複製関連因子がpre-RCに結合します。これらの因子が安定して結合することで、MCMヘリカーゼと呼ばれる酵素が活性化され、DNAの二重らせんがほどかれて一本鎖になります。ほどかれた一本鎖DNAには、一本鎖結合タンパク質（RPA）が結合して安定化させます。RPAが結合した後、DNAポリメラーゼやPCNAスライディングクランプといったDNA合成に必要な主要な因子が呼び込まれ、複製フォークの組み立てが完了し、新しいDNA鎖の合成が開始されます。

真核生物のゲノムには、DNA複製に必要な数よりも多くの複製起点が用意されています。この複製起点の「冗長性」は、DNA合成の速度を柔軟に調節したり、複製過程で問題が生じた際（複製ストレス）に対応したりする能力を高めるのに役立っています。

ヒストン合成との連携

新しく合成されたDNAが細胞内で適切に機能するためには、ヒストンタンパク質と結合してヌクレオソームという基本構造単位を形成する必要があります。このため、S期にはDNA複製と並行して、主要なヒストンタンパク質も活発に合成されます。

S期の初期には、特定のサイクリン-CDK複合体（サイクリンE-CDK2）が、ヒストン遺伝子の転写を促進する因子（NPAT）をリン酸化して活性化します。活性化されたNPATは、クロマチン構造を変化させる複合体（Tip60）をヒストン遺伝子のプロモーター領域に誘導します。Tip60の働きにより、転写を妨げるクロマチン構造が解消され、ヒストン遺伝子の転写速度は数倍から十数倍に増加します。

さらに、ヒストン遺伝子の転写産物であるmRNAのレベルでも生産は調節されています。典型的なヒストンmRNAは、通常のmRNAに見られるポリアデニル化されたテールを持たず、代わりに特定のステムループ構造を3'末端に持っています。この構造には、ステムループ結合タンパク質（SLBP）が特異的に結合します。SLBPは、ヒストンmRNAが細胞内で効率よく処理され、核から細胞質へ運ばれ、最終的にタンパク質へ翻訳されるために不可欠です。SLBPは、ヒストン産生の効率を劇的に変化させる敏感な「スイッチ」として機能します。S期の間はSLBPが蓄積し、NPATと共にヒストンの大量生産を支えます。しかしS期が終了すると、SLBPとその結合相手であるヒストンmRNAは迅速に分解されます。これによりヒストンの生産は瞬時に停止し、細胞にとって有害となりうる遊離ヒストンの過剰な蓄積が防がれます。

ヌクレオソームの複製

S期に合成された新しいヒストンタンパク質は、速やかにDNAと結合して新しいヌクレオソームへと組み込まれます。このプロセスはDNAの複製フォークと緊密に連携しており、複製複合体が進行する前方で既存のヌクレオソームが解体され、その後方で新しいヌクレオソームが組み立てられるという協調的な動きが見られます。リーディング鎖に沿って移動するMCMヘリカーゼは、元のDNA鎖上に存在するヌクレオソームのコア構造（ヒストン八量体）を分解し、H3-H4四量体とH2A-H2B二量体に分離させます。複製フォークの後方では、クロマチン組み立て因子（CAF）と呼ばれるタンパク質群が、新しいヌクレオソームの再構築を担います。これらのCAFは複製に関わるタンパク質と緩く結合していることが多いです。

興味深いことに、ヌクレオソームの再構築は、DNA複製のように親分子と新分子が半分ずつ混ざる「半保存的」ではなく、主に「保存的」な様式で起こることが、特定の標識を使った実験から示唆されています。これはつまり、古いH3-H4四量体と新しく合成されたH3-H4四量体は混ざり合わず、古いH3-H4だけで構成されるヌクレオソームか、新しいH3-H4だけで構成されるヌクレオソームのいずれかが形成される傾向があるということです。この「古い」ヒストンと「新しい」ヒストンは、ランダムに各娘DNA鎖へと分配されます。一方、ヒストンに付加されているエピジェネティックな修飾は、両方の娘鎖にほぼ均等に引き継がれると考えられています。

クロマチンドメインの再構築

DNA複製が完了した直後、娘染色分体は元の染色分体にあったエピジェネティックな修飾情報の半分しか受け継いでいません。細胞は有糸分裂に突入する前に、この不完全な情報を元に、機能的なクロマチンドメイン（ヌクレオソームが高次に折り畳まれた構造）を再構築する必要があります。

比較的大きなゲノム領域では、元のDNA鎖から引き継がれた古いH3-H4ヌクレオソームが、クロマチンドメインの正確な再構築における「テンプレート」として機能します。PRC2のような特定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」する能力を持っています。このプロセスを通じてエピジェネティックな標識が増幅され、DNA複製によって希釈されてしまった情報を補うことができます。

しかしながら、個々の遺伝子サイズ程度の小さな領域においては、古いヌクレオソームが複製によって広がりすぎてしまうため、ヒストンの修飾情報を正確に伝達することが困難になります。このような領域では、ヌクレオソーム再構築の際に、特定のヒストンバリアント（標準的なヒストンとは異なる種類）が組み込まれることが、クロマチン構造を制御するメカニズムとして機能していると考えられています。例えば、活発に転写されている領域にヒストンバリアントH3.3やH2A.Zが多く存在する相関関係が示されており、この仮説を支持していますが、直接的な因果関係はまだ完全に解明されていません。

DNA損傷チェックポイント

S期の間、細胞は自身のゲノムに異常がないかを絶えず監視しています。DNA損傷が検出されると、細胞周期の進行を一時的に遅らせるか停止させる、3つの主要なS期チェックポイント経路が活性化されます。

1. 複製チェックポイント (Replication Checkpoint): このチェックポイントは、複製フォークの進行が停止したことを感知します。RPA、ATRIP、RAD17といった因子からのシグナルを統合して機能します。活性化されると、ヌクレオチド（DNAの構成単位）の合成を促進したり、まだ開始されていない複製起点からのDNA複製を防いだりします。これらの応答は、利用可能なヌクレオチドの量を増やし、停止した複製フォークの修復や再開を助けます。
2. S-Mチェックポイント (S-M Checkpoint): このチェックポイントは、ゲノム全体のDNA複製が完全に終了するまで、細胞が次の段階である有糸分裂（M期）に移行するのを防ぎます。細胞周期を通じて徐々に蓄積し、有糸分裂の開始を促すサイクリンB-CDK1複合体の活性を阻害することで、細胞周期を停止させます。
3. S期内チェックポイント (Intra-S Phase Checkpoint): このチェックポイントは、DNAの二本鎖切断などの深刻な損傷を検出します。ATMやATRといったキナーゼの活性化を介してシグナルが伝達されます。これらのキナーゼはDNA修復を促進するだけでなく、CDKの活性を抑えるリン酸化部位を取り除く役割を持つホスファターゼ（CDC25A）を分解へと導くことで、細胞周期の進行を停止させます。DNA二本鎖切断を正確に修復する主要なメカニズムである相同組換えは、S期に最も活発に行われます。

これらの古典的なチェックポイントに加えて、最近の研究では、ヒストンの供給不足やヌクレオソームの組み立て異常もS期の進行に影響を与える可能性が示唆されています。例えば、ショウジョウバエの細胞で遊離ヒストンを除去すると、S期が著しく延長し、最終的にG2期で細胞周期が停止することが報告されています。この独特な停止表現型は、従来のDNA損傷応答経路とは関連がないことから、ヌクレオソームの組み立てやヒストンの供給が、新たなS期チェックポイントによって監視されている可能性が考えられています。

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