Les réactions biochimiques, même si elles sont aussi complexes que la réplication du génome de l’ADN des cellules, suivent le principe selon lequel le processus est régulé à la fois par la concentration du substrat et par les enzymes qui interviennent dans le processus. On sait depuis longtemps que les désoxynucléosides triphosphates (DNTP), substrats des enzymes polymérisant l’ADN, sont limités dans leur concentration dans les cellules car l’enzyme qui synthétise les désoxynucléotides à partir de ribonucléotides, la ribonucléotide réductase (RNR), est synthétisée et activée par voie enzymatique lorsque les cellules entrent dans la phase S (1, 2). Le RNR, découvert par Peter Reichard il y a 52 ans (3), convertit les quatre diphosphates de ribonucléotides (RNDP) en disposphates de désoxynucléoside respectifs (DNDP), qui sont ensuite rapidement convertis en dNTP. Des niveaux et une activité faibles de RNR fournissent suffisamment de DNTP pour la synthèse de l’ADN mitochondrial et pour la réparation de l’ADN dans les cellules non cycliques et pendant la phase G1 du cycle de division cellulaire dans les cellules proliférantes, mais les niveaux et l’activité de RNR augmentent considérablement lorsque les cellules s’engagent à répliquer l’ADN pendant la phase S du cycle de division cellulaire ou après une réparation étendue de l’ADN (4). En effet, la RNR est l’une des enzymes les plus régulées connues. L’enzyme mammifère synthétise les quatre DNTP dans un cycle, est activée allostériquement par le dATP, le dTTP et le dGTP pour équilibrer les niveaux relatifs des quatre DNTP (dCTP, dTTP, dGTP et dATP), et est inhibée par le feed-back par le dATP, car le dATP est le dernier dNTP à être fabriqué dans le cycle de synthèse des quatre DNTP par une seule enzyme RNR (1). Des protéines inhibitrices spécifiques (dans les levures) contrôlent également l’activité RNR et les niveaux de sous-unités RNR sont régulés par la transcription dépendante du cycle cellulaire des gènes codant les sous-unités et par la stabilité des protéines des sous-unités (4, 5). Sur la base de ces observations, on pourrait s’attendre à ce que la synthèse de dNTP par RNR soit suffisante pour contrôler comment et quand se produit la réplication de l’ADN génomique, car le RNR n’est actif au maximum que pendant la phase S. Cependant, des études récentes, y compris celles issues d’études lointaines sur la façon dont la réplication du VIH est limitée à certains types de cellules (6, 7), ont mis au jour un nouveau contrôle des niveaux de dNTP, la destruction du dNTP. La protéine à motif alpha stérile et à domaine HD contenant la protéine 1 (SAMHD1) est une désoxynucléoside triphosphohydrolase qui clive les DNTP en désoxynucléoside et en triphosphate respectifs (8). Dans PNAS, Franzolin et al. (9) montrent que la destruction du dNTP par SAMHD1 contribue également au contrôle de la concentration de dNTP pendant le cycle de division cellulaire des cellules en prolifération, affectant ainsi à la fois la réplication de l’ADN et la progression du cycle cellulaire.

SAMHD1 contient deux domaines reconnus, un domaine SAM (motif alpha stérile) de fonction inconnue, et un domaine HD qui contient des résidus catalytiques d’acide aspartique et d’histidine qui forment le noyau catalytique de l’enzyme (8). SAMHD ne peut hydrolyser le dGTP que lorsque chaque dNTP est fourni individuellement, mais il peut hydrolyser le dTTP, le dCTP et le dATP lorsque le dGTP est présent en tant que cofacteur. Le dGTP agit très probablement comme un activateur allostérique de l’enzyme dimérique (8), bien qu’un rapport récent suggère que l’enzyme pourrait fonctionner comme un tétramère (10). L’observation que SAMHD1 peut dégrader le dGTP seul et que le même dNTP peut activer allostériquement la triphosphohydrolase peut être un mécanisme pour équilibrer les concentrations des quatre DNTP dans la cellule. Il est possible que les niveaux de dNTP soient déterminés par l’affinité de dGTP avec le site allostérique de SAMHD1.

Franzolin et coll. (9) démontrer que SAMHD1 est intimement impliqué dans le contrôle des niveaux de dNTP, non seulement dans les cellules non cycliques où l’enzyme est abondamment exprimée, mais également dans les cellules cycliques. Leur observation met fin à l’idée précédente selon laquelle la synthèse de DNTP par RNR était le principal mécanisme qui régulait la concentration intracellulaire de DNTP au cours du cycle cellulaire. SAMHD1 est présent dans le noyau des cellules en phase G1, tandis que les sous-unités RNR sont importantes dans le cytoplasme, augmentant leurs niveaux dans les cellules en phase S (9). L’épuisement des niveaux de SAMHD1 dans les cellules cycliques a augmenté la concentration de dNTP dans les cellules non en phase S et a provoqué un arrêt dans la phase G1. Il est intéressant de noter que la dérégulation de l’inhibition de rétroaction de la RNR dans les cellules de levure a provoqué des niveaux élevés de dNTP et un arrêt dans la phase G1, de sorte que les niveaux de DNTP ont un effet direct sur le contrôle de la progression du cycle cellulaire (11). Des concentrations incontrôlées et élevées de dNTP sont connues pour être mutagènes pour la réplication du génome (12), ce qui explique probablement pourquoi les cellules s’efforcent de coupler intimement la concentration des quatre DNTP à la synthèse de l’ADN pendant la phase S.

Le gène codant pour SAMHD1 a été découvert en tant que gène induit par l’IFN-γ dans les macrophages péritonéaux de souris (13). L’induction de SAMHD1 dans les cellules différenciées est maintenant logique car seuls de faibles niveaux de dNTP seraient nécessaires dans les cellules non proliférantes pour maintenir les mitochondries et pour la réparation de l’ADN. Il est probable que des taux élevés de dNTP peuvent entraîner des problèmes de maintien de la fonction mitochondriale, qui pourraient survenir chez les patients atteints du syndrome d’Aicardi–Goutières (AGS), une encéphalopathie inflammatoire génétiquement héréditaire qui ressemble cliniquement à des infections virales congénitales et à certains types d’auto-immunité (14). Les mutations AGS dans le gène SAMHD1 réduisent soit l’activité catalytique, soit l’activation allostérique par dGTP, provoquant toutes deux une augmentation des taux intracellulaires de dNTP, ce qui peut contribuer à une différenciation défectueuse des cellules immunitaires innées.

L’observation que SAMHD1 empêche certains lentivirus, y compris HIV1, de se répliquer dans des cellules non cycliques, car les niveaux de dNTP ne sont pas suffisants pour que la transcriptase inverse copie le modèle d’ARN entrant. Certains lentivirus, tels que HIV2 et le Virus de l’immunodéficience Simienne, transportent une protéine appelée Vpx qui provoque la dégradation de SAMHD1, permettant ainsi une augmentation des DNTP et une copie du génome de l’ARN en ADN (6, 8, 15). Le Km pour différentes transcriptases inverses varie et contribue à la spécificité de la cellule hôte pour la réplication du virus, un processus influencé par la présence ou l’absence de SAMHD1 (16). Le phénotype de l’AGS est compatible avec les mutations de SAMHD1 provoquant des niveaux plus élevés de dNTP qui, à leur tour, pourraient conduire à une infection virale plus robuste pour les virus qui ont une ADN polymérase avec un Km qui nécessite des niveaux accrus de dNTP. Cependant, seuls les virus qui codent leurs propres enzymes de polymérisation de l’ADN se répliqueront dans les cellules non recyclantes, car la machinerie cellulaire qui réplique l’ADN de l’hôte n’est pas active. Une fois que la puissante activité triphophohydrolase dNTP de SAMHD1 est éliminée, la polymérase virale peut répliquer le génome du virus. Ainsi, les virus à ADN, tels que le virus de l’herpès simplex de type 1 et le virus de la vaccine, qui codent leurs propres ADN polymérases, peuvent se répliquer dans les cellules non recyclables si SAMHD1 est éliminé (17).

L’observation frappante de Franzolin et al. (9), que dans les cellules cycliques, SAMHD1 n’est pas présent dans la phase S, suggère qu’il est dégradé par protéolyse dépendante de l’ubiquitine lorsque les cellules transitent de la phase G1 vers la phase S. La protéine SAMHD1 peut être phosphorylée par la cycline A-CDK2 (18). Cette kinase est activée lors de la transition de phase G1 à S dans les cellules humaines et est responsable de l’initiation de la synthèse réelle de l’ADN à partir de complexes pré-reproductifs qui ont été assemblés au cours de la phase G1 à toutes les origines de la réplication de l’ADN (19). Une possibilité est que la phosphorylation de SAMHD1 amorce la protéolyse médiée par Ub de l’enzyme lors de la transition de phase G1 à S (Fig. 1).

Des études récentes ont montré que SAMHD1 est phosphorylé au site CDK, T592 (18, 20). Les mutations qui modifient ou imitent la phosphorylation de ce résidu ont perdu leur capacité à restreindre la réplication du VIH. Ces mutants ont conservé leur capacité à hydrolyser le TTP en présence de dGTP et n’ont pas modifié les taux de dNTP dans les cellules (20). Sur la base de ces observations, la possibilité a été soulevée que la capacité de SAMHD1 à restreindre la réplication du rétrovirus n’était pas due à sa capacité à dégrader les DNTP cellulaires. Cependant, cette conclusion doit maintenant être tempérée à la lumière des récents résultats de Franzolin et al. (9), parce que les niveaux de dNTP dans les cellules exprimant le SAMHD1 de type sauvage par rapport au mutant ont été mesurés dans des cellules non cycliques (cellules myéloïdes U937 stimulées par la PMA). En revanche, la capacité des protéines de type sauvage et mutantes à restreindre la réplication rétrovirale a été mesurée dans les cellules cycliques. Peut-être que dans les cellules non recyclantes, l’activité de la phosphohydrolase dNTP n’est pas affectée par la phosphorylation car la kinase est absente, ou la ligase E3 pertinente qui a médié la dégradation dépendante de l’Ub de SAMHD1 n’est pas exprimée. Dans les cellules cycliques, cependant, la cycline A-CDK2 et la ligase E3 pourraient induire la destruction de SAMHD1, augmentant les niveaux de dNTP et permettant la réplication du virus. De toute évidence, des études futures sont nécessaires pour explorer comment les niveaux de SAMHD1 sont contrôlés dans les cellules cyclables et non cyclables. Fait important, l’observation selon laquelle seules les cellules cycliques de la phase G1 expriment SAMHD1 devra être prise en compte dans l’interprétation des résultats sur la façon dont l’activité de SAMHD1 affecte à la fois la réplication de l’ADN du génome et du virus et comment les DNTP peuvent affecter la fonction cellulaire dans l’immunité innée. Malgré 52 ans d’enquête sur le métabolisme du dNTP, il semble y avoir beaucoup plus à faire!