Biochemische Reaktionen, auch solche, die so komplex sind wie die Replikation des DNA-Genoms von Zellen, folgen dem Prinzip, dass der Prozess sowohl durch die Substratkonzentration als auch durch die Enzyme, die den Prozess vermitteln, reguliert wird. Es ist seit langem bekannt, dass Desoxynukleosidtriphosphate (dNTPs), die Substrate für DNA-polymerisierende Enzyme, in ihrer Konzentration in Zellen begrenzt sind, da das Enzym, das Desoxynukleotide aus Ribonukleotiden synthetisiert, Ribonukleotidreduktase (RNR), synthetisiert und enzymatisch aktiviert wird, wenn Zellen in die S-Phase eintreten (1, 2). RNR, vor 52 Jahren von Peter Reichard entdeckt (3), wandelt alle vier Ribonukleotiddiphosphate (rNDPs) in die jeweiligen Desoxynukleosiddiphosphate (dNDPs) um, die dann schnell in dNTP umgewandelt werden. Niedrige RNR-Spiegel und -Aktivität liefern ausreichende dNTPs für die mitochondriale DNA-Synthese und für die DNA-Reparatur in nicht-zyklischen Zellen und während der G1-Phase des Zellteilungszyklus in proliferierenden Zellen, aber RNR-Spiegel und -Aktivität sind enorm erhöht, da Zellen sich verpflichten, DNA während der S-Phase des Zellteilungszyklus oder nach umfangreicher DNA-Reparatur zu replizieren (4). In der Tat ist RNR eines der am stärksten regulierten Enzyme, die bekannt sind. Das Säugetierenzym synthetisiert alle vier dNTPs in einem Zyklus, wird allosterisch durch dATP, dTTP und dGTP aktiviert, um die relativen Spiegel der vier dNTPs (dCTP, dTTP, dGTP und dATP) auszugleichen, und wird durch dATP rückgekoppelt, da dATP das letzte dNTP ist, das im Zyklus der Synthese aller vier dNTPs durch ein einzelnes RNR-Enzym hergestellt wird (1). Spezifische inhibitorische Proteine (in Hefen) steuern auch die RNR-Aktivität und die RNR-Untereinheiten werden durch zellzyklusabhängige Transkription der Gene, die für die Untereinheiten kodieren, und durch die Proteinstabilität der Untereinheiten reguliert (4, 5). Auf der Grundlage dieser Beobachtungen könnte man erwarten, dass die dNTP-Synthese durch RNR ausreichen sollte, um zu kontrollieren, wie und wann die Genom-DNA-Replikation stattfindet, da RNR nur während der S-Phase maximal aktiv ist. Neuere Studien, einschließlich derjenigen, die aus weit entfernten Studien hervorgehen, wie die HIV-Replikation auf bestimmte Zelltypen beschränkt ist (6, 7), haben jedoch eine neue Kontrolle der dNTP-Spiegel, die dNTP-Zerstörung, aufgedeckt. Das sterile Alpha-Motiv und die HD-Domäne enthaltende Protein 1 (SAMHD1) Protein ist eine Desoxynukleosidtriphosphohydrolase, die dNTPs zu dem jeweiligen Desoxynukleosid und einem Triphosphat spaltet (8). In PNAS, Franzolin et al. (9) zeigen, dass die Zerstörung von dNTP durch SAMHD1 auch zur Kontrolle der dNTP-Konzentration während des Zellteilungszyklus proliferierender Zellen beiträgt, wodurch sowohl die DNA-Replikation als auch das Fortschreiten des Zellzyklus beeinflusst werden.

SAMHD1 enthält zwei anerkannte Domänen, eine SAM-Domäne (steriles Alpha-Motiv) unbekannter Funktion und eine HD-Domäne, die katalytische Asparaginsäure- und Histidinreste enthält, die den katalytischen Kern des Enzyms bilden (8). SAMHD kann dGTP nur hydrolysieren, wenn jedes dNTP einzeln bereitgestellt wird, aber es kann dTTP, dCTP und dATP hydrolysieren, wenn dGTP als Cofaktor vorhanden ist. dGTP wirkt höchstwahrscheinlich als allosterischer Aktivator des dimeren Enzyms (8), obwohl ein kürzlich veröffentlichter Bericht darauf hindeutet, dass das Enzym als Tetramer fungieren kann (10). Die Beobachtung, dass SAMHD1 dGTP allein abbauen kann und dass dasselbe dNTP die Triphosphohydrolase allosterisch aktivieren kann, kann ein Mechanismus sein, um die Konzentrationen aller vier dNTPs in der Zelle auszugleichen. Es ist möglich, dass die dNTP-Spiegel durch die Affinität von dGTP zur allosterischen Stelle von SAMHD1 bestimmt werden.

Franzolin et al. (9) zeigen, dass SAMHD1 eng an der Kontrolle der dNTP-Spiegel beteiligt ist, nicht nur in nicht-zyklischen Zellen, in denen das Enzym reichlich exprimiert wird, sondern auch in zyklischen Zellen. Ihre Beobachtung beendet die bisherige Vorstellung, dass die Synthese von dNTPs durch RNR der Hauptmechanismus war, der die intrazelluläre Konzentration von dNTPs während des Zellzyklus regulierte. SAMHD1 ist im Kern von G1-Phasenzellen vorhanden, während RNR-Untereinheiten im Zytoplasma prominent sind und ihre Spiegel in S-Phasenzellen erhöhen (9). Die Depletion der SAMHD1-Spiegel in Cycling-Zellen erhöhte die dNTP–Konzentration in Nicht-S-Phasen-Zellen und verursachte einen Arrest in der G1-Phase. Interessanterweise verursachte die Deregulierung der Rückkopplungshemmung von RNR in Hefezellen erhöhte dNTP-Spiegel und einen Arrest in der G1-Phase, so dass dNTPs-Spiegel einen direkten Einfluss auf die Kontrolle des Zellzyklusverlaufs haben (11). Es ist bekannt, dass unkontrollierte und hohe dNTP-Konzentrationen für die Genomreplikation mutagen sind (12), weshalb Zellen höchstwahrscheinlich große Anstrengungen unternehmen, um die Konzentration aller vier dNTPs während der S-Phase eng mit der DNA-Synthese zu koppeln.

Das für SAMHD1 kodierende Gen wurde als IFN-γ–induziertes Gen in Maus-Peritonealmakrophagen entdeckt (13). Die Induktion von SAMHD1 in differenzierten Zellen ist jetzt sinnvoll, da in nicht proliferierenden Zellen nur geringe Mengen an dNTP erforderlich wären, um die Mitochondrien zu erhalten und die DNA zu reparieren. Es ist wahrscheinlich, dass hohe dNTP–Spiegel Probleme mit der Aufrechterhaltung der Mitochondrienfunktion verursachen können, die bei Patienten mit Aicardi-Goutières-Syndrom (AGS) auftreten können, einer genetisch vererbten entzündlichen Enzephalopathie, die klinisch angeborenen Virusinfektionen und bestimmten Arten von Autoimmunität ähnelt (14). AGS-Mutationen im SAMHD1-Gen reduzieren entweder die katalytische Aktivität oder die allosterische Aktivierung durch dGTP, was zu einem Anstieg der intrazellulären dNTP-Spiegel führt, was zu einer fehlerhaften Differenzierung angeborener Immunzellen beitragen kann.

Interessant ist die Beobachtung, dass SAMHD1 bestimmte Lentiviren, einschließlich HIV1, daran hindert, sich in nicht-zyklischen Zellen zu replizieren, da die dNTP-Spiegel für die reverse Transkriptase nicht ausreichen, um die eingehende RNA-Vorlage zu kopieren. Einige Lentiviren, wie HIV2 und das Simian Immunodeficiency Virus, tragen ein Protein namens Vpx, das den Abbau von SAMHD1 verursacht, wodurch eine Erhöhung der dNTPs und das Kopieren des RNA-Genoms in DNA ermöglicht wird (6, 8, 15). Die Km für verschiedene reverse Transkriptasen variieren und tragen zur Wirtszell-Spezifität für die Virusreplikation bei, ein Prozess, der durch die Anwesenheit oder Abwesenheit von SAMHD1 beeinflusst wird (16). Der Phänotyp von AGS steht im Einklang mit SAMHD1-Mutationen, die höhere dNTP-Spiegel verursachen, was wiederum zu einer robusteren Virusinfektion für Viren führen könnte, die eine DNA-Polymerase mit einem Km haben, die erhöhte dNTP-Spiegel erfordert. Nur Viren, die für ihre eigenen DNA-polymerisierenden Enzyme kodieren, replizieren sich jedoch in nicht zyklischen Zellen, da die zelluläre Maschinerie, die die Wirts-DNA repliziert, nicht aktiv ist. Sobald die potente dNTP-Triphophohydrolase-Aktivität von SAMHD1 entfernt ist, kann die Viruspolymerase das Virusgenom replizieren. So können sich DNA-Viren wie Herpes-simplex-Virus Typ 1 und Vaccinia-Virus, die für ihre eigenen DNA-Polymerasen kodieren, in nicht zyklischen Zellen replizieren, wenn SAMHD1 entfernt wird (17).

Die auffallende Beobachtung von Franzolin et al. (9), dass in Cycling-Zellen SAMHD1 nicht in der S-Phase vorhanden ist, deutet darauf hin, dass es durch Ubiquitin-abhängige Proteolyse abgebaut wird, wenn Zellen von der G1-Phase in die S-Phase übergehen. Das SAMHD1-Protein kann durch Cyclin A-CDK2 phosphoryliert werden (18). Diese Kinase wird beim G1-zu-S-Phasenübergang in menschlichen Zellen aktiviert und ist für die Initiierung der tatsächlichen DNA-Synthese aus präreplikativen Komplexen verantwortlich, die während der G1-Phase an allen Ursprüngen der DNA-Replikation zusammengebaut wurden (19). Eine Möglichkeit besteht darin, dass die Phosphorylierung von SAMHD1 die Ub-vermittelte Proteolyse des Enzyms am G1-zu-S-Phasenübergang primiert (Abb. 1).

Neuere Studien haben gezeigt, dass SAMHD1 an einer CDK-Stelle phosphoryliert wird, T592 (18, 20). Mutationen, die die Phosphorylierung an dieser Stelle verändern oder nachahmen, verloren ihre Fähigkeit, die HIV-Replikation einzuschränken. Diese Mutanten behielten ihre Fähigkeit bei, TTP in Gegenwart von dGTP zu hydrolysieren, und veränderten die dNTP-Spiegel in Zellen nicht (20). Basierend auf diesen Beobachtungen wurde die Möglichkeit aufgeworfen, dass die Fähigkeit von SAMHD1, die Retrovirus-Replikation einzuschränken, nicht auf seine Fähigkeit zurückzuführen ist, zelluläre dNTPs abzubauen. Diese Schlussfolgerung muss nun jedoch angesichts der jüngsten Ergebnisse von Franzolin et al. (9), da die dNTP-Spiegel in Zellen, die Wildtyp-versus-Mutante SAMHD1 exprimieren, in nicht zyklischen Zellen (PMA-stimulierte myeloische U937-Zellen) gemessen wurden. Im Gegensatz dazu wurde die Fähigkeit der Wildtyp- und Mutantenproteine, die retrovirale Replikation einzuschränken, in Cycling-Zellen gemessen. Möglicherweise wird in den Noncycling-Zellen die dNTP-Phosphohydrolase-Aktivität nicht durch Phosphorylierung beeinflusst, da die Kinase fehlt oder die relevante E3-Ligase, die den Ub-abhängigen Abbau von SAMHD1 vermittelt, nicht exprimiert wird. In Cycling-Zellen könnten jedoch sowohl Cyclin A-CDK2 als auch die E3-Ligase die Zerstörung von SAMHD1 induzieren, die dNTP-Spiegel erhöhen und die Virusreplikation ermöglichen. Es ist klar, dass zukünftige Studien erforderlich sind, um zu untersuchen, wie die SAMHD1-Spiegel sowohl in zyklischen als auch in nicht zyklischen Zellen kontrolliert werden. Wichtig ist die Beobachtung, dass nur G1-Phase-Cycling-Zellen exprimieren SAMHD1 muss bei der Interpretation der Ergebnisse berücksichtigt werden, wie sich die SAMHD1-Aktivität sowohl auf die Genom- als auch auf die Virus-DNA-Replikation auswirkt und wie dNTPs die Zellfunktion in der angeborenen Immunität beeinflussen können. Trotz 52 Jahren der Untersuchung des dNTP-Stoffwechsels scheint es noch viel mehr zu tun zu geben!