Fase S adalah salah satu tahap dalam siklus sel yang terjadi di antara fase G1 dan fase G2. Pada fase ini, terjadi replikasi DNA secara menyeluruh sehingga setiap kromosom yang semula terdiri dari satu kromatid akan memiliki dua kromatid identik. Fase S merupakan tahap yang sangat penting dalam mitosis maupun meiosis karena menjamin bahwa setiap sel anak akan menerima informasi genetik yang lengkap dan identik dari sel induk. Proses ini berlangsung di dalam inti sel dan melibatkan berbagai enzim serta protein pengatur yang bekerja secara terkoordinasi untuk memastikan ketepatan dan kelengkapan replikasi genom.
Definisi dan Posisi dalam Siklus Sel
Fase S adalah tahap sintesis DNA dalam siklus sel eukariot, yang dimulai setelah sel berhasil melewati titik pemeriksaan pada fase G1. Pada fase ini, seluruh molekul DNA dalam genom sel direplikasi, termasuk DNA mitokondria dalam jumlah tertentu. Urutan fase dalam siklus sel umumnya adalah G1 → S → G2 → M (mitosis atau meiosis). Dengan demikian, fase S menjadi penghubung antara pertumbuhan sel dan pembelahan inti sel.
Mekanisme Replikasi DNA
Replikasi DNA pada fase S dimulai di titik-titik khusus yang disebut origin of replication, di mana helikase membuka untai ganda DNA sehingga membentuk gelembung replikasi. Proses ini mengikuti model semikonservatif, di mana setiap untai DNA lama berfungsi sebagai cetakan untuk sintesis untai baru. Enzim DNA polimerase kemudian menambahkan nukleotida sesuai pasangan basa komplementer. Kecepatan replikasi DNA bervariasi tergantung jenis organisme, dengan rata-rata sekitar 50 nukleotida per detik pada sel mamalia.
Pengendalian Fase S
Pengaturan masuk dan keluarnya sel dari fase S dikendalikan oleh kompleks cyclin-dependent kinase (CDK) bersama dengan siklin spesifik, seperti siklin A. Aktivasi CDK memicu fosforilasi protein target yang diperlukan untuk memulai replikasi DNA. Regulasi ini memastikan bahwa replikasi DNA hanya terjadi satu kali dalam satu siklus sel, sehingga mencegah terjadinya duplikasi berulang yang dapat menyebabkan ketidakstabilan genom.
Peran Titik Pemeriksaan
Titik pemeriksaan (checkpoint) pada fase S berfungsi mendeteksi dan memperbaiki kerusakan DNA sebelum proses replikasi dilanjutkan. Jika ditemukan kerusakan atau hambatan, mekanisme perbaikan DNA akan diaktifkan, seperti sistem nucleotide excision repair atau mismatch repair. Aktivasi titik pemeriksaan ini melibatkan protein seperti ATM kinase dan ATR kinase, yang memicu respon terhadap kerusakan DNA.
Proses Biokimia
Proses biokimia dalam fase S mencakup:
- Aktivasi origin of replication oleh protein inisiasi.
- Pembukaan heliks DNA oleh helikase.
- Sintesis untai DNA baru oleh DNA polimerase.
- Ligasi fragmen Okazaki pada untai lagging oleh DNA ligase.
- Penghapusan primer RNA oleh RNase H dan penggantian dengan DNA.
Hubungan dengan Mitosis
Fase S memiliki hubungan langsung dengan mitosis, karena hasil replikasi DNA akan menjadi bahan dasar pembentukan kromosom yang terlihat jelas pada tahap profase mitosis. Tanpa replikasi yang sempurna pada fase S, distribusi kromosom ke sel anak akan terganggu, yang dapat menyebabkan abnormalitas seperti aneuploidy.
Signifikansi dalam Biologi Sel
Fase S merupakan indikator penting dalam studi biologi sel, khususnya dalam penelitian proliferasi sel. Dengan menggunakan teknik pewarnaan DNA seperti BrdU (bromodeoxyuridine) labeling, peneliti dapat mengidentifikasi sel yang sedang berada pada fase S. Informasi ini berguna dalam studi pertumbuhan jaringan, perkembangan embrio, dan penelitian kanker.
Fase S dalam Sel Prokariot
Walaupun konsep fase S lebih sering digunakan dalam konteks sel eukariot, sel prokariot seperti bakteri juga mengalami replikasi DNA sebagai bagian dari siklus hidupnya. Namun, pada prokariot, replikasi DNA tidak dibagi ke dalam fase yang terpisah seperti pada eukariot, melainkan terjadi secara kontinu seiring pertumbuhan sel.
Kaitan dengan Penyakit
Gangguan pada fase S, seperti replikasi DNA yang tidak lengkap atau salah, dapat menyebabkan mutasi yang berpotensi memicu kanker. Beberapa agen kemoterapi, seperti antimetabolit (misalnya fluorourasil), bekerja dengan menghambat sintesis DNA selama fase S, sehingga menghambat proliferasi sel kanker.
Analisis Kuantitatif
Dalam studi kuantitatif, jumlah DNA per sel selama fase S meningkat dari jumlah normal fase G1 menjadi dua kali lipat pada akhir fase S. Secara matematis, jika jumlah DNA pada fase G1 adalah (di mana C adalah jumlah DNA haploid), maka pada akhir fase S jumlahnya menjadi . Analisis ini dapat dilakukan menggunakan flow cytometry untuk mengukur konten DNA dalam populasi sel.
Kesimpulan
Fase S adalah tahap kritis dalam siklus sel yang menjamin kelanjutan informasi genetik dari satu generasi sel ke generasi berikutnya. Memahami mekanisme dan regulasi fase ini sangat penting dalam berbagai bidang, mulai dari biologi molekuler hingga kedokteran. Penelitian tentang fase S tidak hanya memberikan wawasan mengenai dasar-dasar kehidupan sel, tetapi juga membuka peluang pengembangan terapi untuk penyakit yang berkaitan dengan ketidakteraturan siklus sel.