Las reacciones bioquímicas, incluso las tan complejas como la replicación del genoma del ADN de las células, siguen el principio de que el proceso está regulado tanto por la concentración del sustrato como por las enzimas que median el proceso. Los trifosfatos de desoxinucleósidos (dNTPs), los sustratos para las enzimas polimerizadoras de ADN, se sabe desde hace tiempo que su concentración en las células es limitada porque la enzima que sintetiza desoxinucleótidos a partir de ribonucleótidos, la ribonucleótido reductasa (RNR), se sintetiza y se activa enzimáticamente cuando las células entran en la fase S (1, 2). El RNR, descubierto por Peter Reichard hace 52 años (3), convierte los cuatro difosfatos de ribonucleótidos (rNDPs) en los respectivos disposfatos de desoxinucleósidos (dNDPs), que luego se convierten rápidamente en dNTP. Los niveles bajos y la actividad de RNR proporcionan suficientes dNTPs para la síntesis de ADN mitocondrial y para la reparación de ADN en células no cíclicas y durante la fase G1 del ciclo de división celular en células en proliferación, pero los niveles y la actividad de RNR aumentan enormemente a medida que las células se comprometen a replicar el ADN durante la fase S del ciclo de división celular o después de una reparación extensa del ADN (4). De hecho, el RNR es una de las enzimas más reguladas conocidas. La enzima de mamíferos sintetiza los cuatro dNPPs en un ciclo, es activada alostéricamente por dATP, dTTP y dGTP para equilibrar los niveles relativos de los cuatro dNTPs (dCTP, dTTP, dGTP y dATP), y es inhibida por dATP, porque dATP es el último dNTP que se hace en el ciclo de síntesis de los cuatro dNTPs por una sola enzima RNR (1). Las proteínas inhibidoras específicas (en levaduras) también controlan la actividad de RNR y los niveles de subunidades de RNR están regulados por la transcripción dependiente del ciclo celular de los genes que codifican las subunidades y por la estabilidad de la proteína de la subunidad (4, 5). Sobre la base de estas observaciones, uno podría esperar que la síntesis de dNTP por RNR debería ser suficiente para controlar cómo y cuándo se produce la replicación del ADN del genoma, ya que RNR solo es máximo activo durante la fase S. Sin embargo, estudios recientes, incluidos los que surgen de estudios lejanos sobre cómo la replicación del VIH se restringe a ciertos tipos de células (6, 7), han descubierto un nuevo control de los niveles de dNTP, la destrucción de dNTP. El motivo alfa estéril y el dominio HD que contiene la proteína 1 (SAMHD1) es una trifosfohidrolasa desoxinucleósido que escinde dNTPs al desoxinucleósido respectivo y a un trifosfato (8). En PNAS, Franzolin et al. (9) demostrar que la destrucción de dNTP por SAMHD1 también contribuye al control de la concentración de dNTP durante el ciclo de división celular de las células en proliferación, afectando tanto a la replicación del ADN como a la progresión del ciclo celular.

SAMHD1 contiene dos dominios reconocidos, un dominio SAM (motivo alfa estéril) de función desconocida, y un dominio HD que contiene ácido aspártico catalítico y residuos de histidina que forman el núcleo catalítico de la enzima (8). SAMHD solo puede hidrolizar dGTP cuando cada dNTP se proporciona individualmente, pero puede hidrolizar dTTP, dCTP y dATP cuando dGTP está presente como cofactor. Lo más probable es que el dGTP actúe como un activador alostérico de la enzima dimérica (8), aunque un informe reciente sugiere que la enzima puede funcionar como un tetrámero (10). La observación de que SAMHD1 puede degradar dGTP solo y que el mismo dNTP puede activar alostéricamente la trifosfohidrolasa puede ser un mecanismo para equilibrar las concentraciones de los cuatro dNTPs en la célula. Es posible que los niveles de dNTP estén determinados por la afinidad de dGTP con el sitio alostérico de SAMHD1.

Franzolin et al. (9) demostrar que SAMHD1 está íntimamente involucrado en el control de los niveles de dNTP, no solo en células no cíclicas donde la enzima se expresa en abundancia, sino también en células cíclicas. Su observación pone fin a la noción anterior de que la síntesis de dNTPs por RNR era el mecanismo principal que regulaba la concentración intracelular de dNTPs durante el ciclo celular. La SAMHD1 está presente en el núcleo de las células de la fase G1, mientras que las subunidades RNR son prominentes en el citoplasma, aumentando sus niveles en las células de la fase S (9). El agotamiento de los niveles de SAMHD1 en células cíclicas aumentó la concentración de dNTP en células no en fase S y causó un paro en la fase G1. Curiosamente, la desregulación de la inhibición de retroalimentación de RNR en células de levadura causó niveles elevados de dNTP y una detención en la fase G1, por lo que los niveles de dNTPs tienen un efecto directo en el control de la progresión del ciclo celular (11). Se sabe que las altas concentraciones incontroladas de dNTP son mutagénicas para la replicación del genoma (12), lo que probablemente es la razón por la que las células hacen grandes esfuerzos para acoplar íntimamente la concentración de los cuatro dNTPs a la síntesis de ADN durante la fase S.

El gen que codifica SAMHD1 se descubrió como un gen inducido por IFN-γ en macrófagos peritoneales de ratón (13). La inducción de SAMHD1 en células diferenciadas ahora tiene sentido porque solo se requerirían niveles bajos de dNTP en células no proliferantes para mantener las mitocondrias y reparar el ADN. Es probable que los niveles altos de dNTP puedan causar problemas de mantenimiento de la función mitocondrial, lo que podría ocurrir en pacientes con Síndrome de Aicardi–Goutières (AGS), una encefalopatía inflamatoria hereditaria genéticamente que se asemeja clínicamente a infecciones virales congénitas y a ciertos tipos de autoinmunidad (14). Las mutaciones de AGS en el gen SAMHD1 reducen la actividad catalítica o la activación alostérica por dGTP, lo que causa un aumento en los niveles intracelulares de dNTP, lo que puede contribuir a la diferenciación defectuosa de las células inmunitarias innatas.

De interés es la observación de que SAMHD1 restringe ciertos lentivirus, incluido el HIV1, de replicarse en células no cíclicas porque los niveles de dNTP no son suficientes para que la transcriptasa inversa copie la plantilla de ARN entrante. Algunos lentivirus, como el HIV2 y el Virus de Inmunodeficiencia de los Simios, transportan una proteína llamada Vpx que causa la degradación de SAMHD1, lo que permite un aumento de dNTPs y la copia del genoma del ARN en el ADN (6, 8, 15). La Km para diferentes transcriptasas inversas varía y contribuye a la especificidad de la célula huésped para la replicación del virus, un proceso influenciado por la presencia o ausencia de SAMHD1 (16). El fenotipo de AGS es consistente con mutaciones SAMHD1 que causan niveles más altos de dNTP que, a su vez, podrían conducir a una infección viral más robusta para virus que tienen una polimerasa de ADN con un Km que requiere niveles más altos de dNTP. Sin embargo, solo los virus que codifican sus propias enzimas polimerizadoras de ADN se replicarán en células no cíclicas, porque la maquinaria celular que replica el ADN del huésped no está activa. Una vez que se elimina la potente actividad de la trifofohidrolasa dNTP de SAMHD1, la polimerasa del virus puede replicar el genoma del virus. Por lo tanto, los virus de ADN, como el virus del herpes simple tipo 1 y el virus vaccinia, que codifican sus propias polimerasas de ADN, pueden replicarse en células no cíclicas si se elimina SAMHD1 (17).

La sorprendente observación de Franzolin et al. (9), que en las células cíclicas SAMHD1 no está presente en la fase S, sugiere que se degrada por proteólisis dependiente de ubiquitina a medida que las células transitan de la fase G1 a la fase S. La proteína SAMHD1 puede ser fosforilada por la ciclina A-CDK2 (18). Esta quinasa se activa en la transición de fase G1 a S en las células humanas y es responsable de la iniciación de la síntesis de ADN real a partir de complejos prerreplicativos que se han ensamblado durante la fase G1 en todos los orígenes de la replicación del ADN (19). Una posibilidad es que la fosforilación de SAMHD1 primos proteólisis mediada por Ub de la enzima en la transición de fase G1 a S (Fig. 1).

Estudios recientes han demostrado que SAMHD1 está fosforilado en un sitio CDK, T592 (18, 20). Las mutaciones que alteran o imitan la fosforilación en este residuo perdieron su capacidad de restringir la replicación del VIH. Estos mutantes conservaron su capacidad de hidrolizar PTT en presencia de dGTP y no alteraron los niveles de dNTP en las células (20). Sobre la base de estas observaciones, se planteó la posibilidad de que la capacidad de SAMHD1 para restringir la replicación de retrovirus no se debía a su capacidad para degradar dNTPs celulares. Sin embargo, esta conclusión debe ser atenuada a la luz de los resultados recientes de Franzolin et al. (9), porque los niveles de dNTP en células que expresaban SAMHD1 mutante versus de tipo salvaje se midieron en células no cíclicas (células mieloides U937 estimuladas por PMA). En contraste, la capacidad de las proteínas mutantes y de tipo salvaje para restringir la replicación retroviral se midió en células cíclicas. Tal vez en las células no cíclicas, la actividad de la fosfohidrolasa dNTP no se ve afectada por la fosforilación porque la quinasa está ausente, o la ligasa E3 relevante que mediaba la degradación dependiente de Ub de SAMHD1 no se expresa. En las células cíclicas, sin embargo, tanto la ciclina A-CDK2 como la E3-ligasa podrían inducir la destrucción de SAMHD1, aumentando los niveles de dNTP y permitiendo la replicación del virus. Claramente, se necesitan estudios futuros para explorar cómo se controlan los niveles de SAMHD1 en células tanto cíclicas como no cíclicas. Es importante destacar que la observación de que solo las células cíclicas de fase G1 expresan SAMHD1 tendrá que tenerse en cuenta al interpretar los resultados sobre cómo la actividad de SAMHD1 afecta la replicación del ADN del genoma y del virus y cómo los dNTPs pueden afectar la función celular en la inmunidad innata. A pesar de 52 años de investigar el metabolismo del dNTP, ¡parece que hay mucho más por hacer!