biochemische reacties, zelfs die zo complex zijn als de replicatie van het DNA-genoom van cellen, volgen het principe dat het proces wordt gereguleerd door zowel de substraatconcentratie als door de enzymen die het proces bemiddelen. Deoxynucleoside trifosfaten( dNTPs), de substraten voor de polymeriserende enzymen van DNA, zijn al lang gekend om in hun concentratie in cellen worden beperkt omdat het enzym dat deoxynucleotides van ribonucleotides, ribonucleotidereductase (RNR) synthetiseert en enzymatisch geactiveerd aangezien cellen de S-fase (1, 2) ingaan. RNR, ontdekt door Peter Reichard 52 jaar geleden (3), Zet alle vier ribonucleotide difosfaten (rndp ‘s) aan de respectieve deoxynucleoside disposhates (dndp’ s), die dan snel worden omgezet in dNTP. Lage niveaus en activiteit van RNR bieden voldoende dNTPs voor mitochondriale DNA-synthese en voor DNA-reparatie in niet-cyclende cellen en tijdens de G1-fase van de cel-delingscyclus in prolifererende cellen, maar RNR-niveaus en-activiteit worden enorm verhoogd als cellen zich verbinden om DNA te repliceren tijdens de S-fase van de cel-delingscyclus of na uitgebreide DNA-reparatie (4). Inderdaad, RNR is een van de hoogst gereguleerde enzymen bekend. De zoogdieren enzym synthetiseert alle vier dNDPs in een cyclus, is allosterically geactiveerd door dATP, dTTP, en dGTP om de balans van de relatieve niveaus van de vier dNTPs (dCTP, dTTP, dGTP en dATP), en is de feed-back–geremd door dATP, omdat dATP is de laatste dNTP te worden gemaakt in de cyclus van de synthese van alle vier de dNTPs door een enkele RNR-enzym (1). Specifieke remmende eiwitten (in gisten) controleren ook RNR-activiteit en RNR-subeenheden worden gereguleerd door celcyclus-afhankelijke transcriptie van de genen die coderen voor de subeenheden en door subeenheid eiwitstabiliteit (4, 5). Op basis van deze waarnemingen, zou men kunnen verwachten dat dntp synthese door RNR voldoende zou moeten zijn om te controleren hoe en wanneer de replicatie van genoomdna plaatsvindt omdat RNR slechts maximaal actief is tijdens de S-fase. Echter, recente studies, met inbegrip van die die voortkomen uit verre studies van hoe HIV replicatie is beperkt tot bepaalde celtypes (6, 7), hebben een nieuwe controle van dntp niveaus, dntp vernietiging blootgelegd. Het steriele alfamotief en HD-domein dat proteïne 1 (SAMHD1) bevat, is een deoxynucleoside-trifosfohydrolase dat dNTPs splijt aan de respectieve deoxynucleoside en een trifosfaat (8). In PNAS, Franzolin et al. (9) tonen aan dat dntp vernietiging door SAMHD1 ook bijdraagt aan dntp concentratiecontrole tijdens de cel-delingscyclus van prolifererende cellen, waardoor zowel de DNA-replicatie als de cel-cyclusprogressie worden beïnvloed.

SAMHD1 bevat twee erkende domeinen, een Sam (steriel alfamotief) domein met onbekende functie, en een HD domein dat katalytisch asparaginezuur en histidineresiduen bevat die de katalytische kern van het enzym vormen (8). SAMHD kan dGTP alleen hydrolyseren als elke dNTP afzonderlijk wordt geleverd, maar het kan dttp, dCTP en dATP hydrolyseren als dGTP aanwezig is als cofactor. dGTP werkt hoogstwaarschijnlijk als een allosterische activator van het dimere enzym (8), hoewel een recent rapport suggereert dat het enzym kan functioneren als een tetramer (10). De observatie dat SAMHD1 dGTP alleen kan degraderen en dat dezelfde dNTP allosterisch de trifosfohydrolase kan activeren kan één mechanisme zijn om de concentraties van alle vier dNTPs in de cel in evenwicht te brengen. Het is mogelijk dat de niveaus van DNTP door de affiniteit van dGTP aan de allosteric plaats van SAMHD1 worden bepaald.

Franzolin et al. (9) aantonen dat SAMHD1 nauw betrokken is bij de controle van dNTP-niveaus, niet alleen in niet-cyclende cellen waar het enzym overvloedig tot expressie komt, maar ook in cyclische cellen. Hun observatie eindigt het vorige begrip dat de synthese van dNTPs door RNR het belangrijkste mechanisme was dat de intracellular concentratie van dNTPs tijdens de celcyclus regelde. SAMHD1 is aanwezig in de kern van G1-fase cellen, terwijl RNR subeenheden prominent in het cytoplasma zijn, het verhogen van hun niveaus in S-fase cellen (9). Uitputting van SAMHD1 niveaus in cycling cellen verhoogde de dntp concentratie in niet-s-fase cellen en veroorzaakte een arrestatie in de G1 fase. Interessant, deregulering van de feedback remming van RNR in gistcellen veroorzaakt verhoogde dntp niveaus en een arrestatie in de G1 fase, zodat dNTPs niveaus hebben een direct effect op de controle van de cel-cyclus progressie (11). De ongecontroleerde en hoge concentraties van dNTP zijn gekend om voor genoomreplicatie (12) mutageen te zijn, dat is hoogstwaarschijnlijk waarom cellen tot grote moeite gaan om de concentratie van alle vier dNTPs intiem aan de synthese van DNA tijdens de S-fase te koppelen.

het gen dat SAMHD1 codeert werd ontdekt als een IFN-γ-geïnduceerd gen in peritoneale macrofagen van muizen (13). Inductie van SAMHD1 in gedifferentieerde cellen is nu zinvol omdat slechts lage niveaus van dNTP in niet-prolifererende cellen zouden worden vereist om mitochondria en voor de reparatie van DNA te handhaven. Het is waarschijnlijk dat hoge dntp–waarden problemen kunnen veroorzaken met het behoud van de mitochondriale functie, die kunnen optreden bij patiënten met het syndroom van Aicardi-Goutières (AGS), een genetisch erfelijke inflammatoire encefalopathie die klinisch lijkt op aangeboren virusinfecties en bepaalde soorten auto-immuniteit (14). AGS-mutaties in het SAMHD1-gen verminderen ofwel de katalytische activiteit ofwel de allosterische activering door dGTP, beide veroorzakend een verhoging van intracellulaire dntp-niveaus, die tot gebrekkige differentiatie van aangeboren immuuncellen kunnen bijdragen.

van belang is de constatering dat SAMHD1 bepaalde lentivirussen, waaronder HIV1, beperkt tot replicatie in niet-cyclende cellen omdat de dntp-niveaus niet voldoende zijn voor de reverse transcriptase om de inkomende RNA-sjabloon te kopiëren. Sommige lentivirussen, zoals HIV2 en het Simian Immunodeficiency Virus, dragen in een proteã ne genoemd Vpx die de degradatie van SAMHD1 veroorzaakt, waardoor een verhoging van dNTPs en het kopiëren van het genoom van RNA in DNA (6, 8, 15) wordt toegestaan. De Km voor verschillende reverse transcriptases variëren en dragen bij tot de gastheercelspecificiteit voor virusreplicatie, een proces dat wordt beïnvloed door de aanwezigheid of afwezigheid van SAMHD1 (16). Het fenotype van AGS is consistent met SAMHD1-mutaties die hogere dNTP-niveaus veroorzaken, wat op zijn beurt kan leiden tot een robuustere virusinfectie voor virussen met een DNA-polymerase met een Km die verhoogde dntp-niveaus vereist. Nochtans, zullen slechts virussen die hun eigen polymerizing enzymen van DNA coderen zich in niet Cycling cellen herhalen, omdat de cellulaire machines die gastheerdna herhalen niet actief is. Zodra de machtige dntp-trifophohydrolaseactiviteit van SAMHD1 wordt verwijderd, kan de viruspolymerase het virusgenoom herhalen. Zo kunnen DNA-virussen, zoals herpes simplexvirus type 1 en vacciniavirus, die hun eigen DNA-polymerasen coderen, repliceren in niet-cyclende cellen als SAMHD1 wordt verwijderd (17).

De opvallende waarneming door Franzolin et al. (9), dat in het cirkelen cellen SAMHD1 niet in de S fase aanwezig is, stelt voor dat het door ubiquitin-afhankelijke proteolyse wordt afgebroken aangezien cellen van de G1 fase in de S fase overgaan. De samhd1-proteã ne kan door cyclin a-CDK2 (18) worden phosphorylated. Dit kinase wordt geactiveerd bij de G1-aan-s faseovergang in menselijke cellen en is de oorzaak van initiatie van daadwerkelijke synthese van DNA van prereplicative complexen die tijdens de G1 fase bij alle oorsprong van de replicatie van DNA zijn geassembleerd (19). Een mogelijkheid is dat fosforylering van SAMHD1 Ub-gemedieerde proteolyse van het enzym priemt bij de G1-naar-S faseovergang (Fig. 1).

recente studies hebben aangetoond dat SAMHD1 gefosforyleerd is op een CDK-locatie, T592 (18, 20). De veranderingen die phosphorylation bij dit residu veranderen of nabootsen verloren hun capaciteit om HIV replicatie te beperken. Deze mutanten behielden hun vermogen om TTP te hydrolyseren in aanwezigheid van dGTP en veranderden de dntp-niveaus in cellen niet (20). Gebaseerd op deze waarnemingen, werd de mogelijkheid opgeheven dat de capaciteit van SAMHD1 om retrovirus replicatie te beperken niet wegens zijn capaciteit was om cellulaire dNTPs te degraderen. Deze conclusie moet nu echter worden getemperd in het licht van de recente resultaten van Franzolin et al. (9), omdat de dntp-niveaus in cellen die wild-type versus mutant SAMHD1 uitdrukken werden gemeten in niet-Cycling cellen (PMA-gestimuleerde u937 myeloïde cellen). In tegenstelling, werd de capaciteit van de wild-type en mutant proteã nen om retroviral replicatie te beperken gemeten in het cirkelen cellen. Misschien in de noncycling cellen wordt de dntp fosfohydrolase activiteit niet beïnvloed door phosphorylation omdat het kinase afwezig is, of de relevante E3-ligase die Ub-afhankelijke degradatie van SAMHD1 bemiddelde niet wordt uitgedrukt. In het cirkelen cellen, nochtans, konden zowel cyclin a-CDK2 als E3-ligase vernietiging van SAMHD1 veroorzaken, verhogend dntp niveaus en toestaand virusreplicatie. Het is duidelijk dat toekomstige studies nodig zijn om te onderzoeken hoe SAMHD1 niveaus worden gecontroleerd in zowel cycling als noncycling cellen. Belangrijk is dat de observatie dat alleen G1-fase cycling cellen express SAMHD1 zal moeten worden in aanmerking genomen bij het interpreteren van resultaten over hoe SAMHD1 activiteit beà nvloedt zowel genoom en virus DNA replicatie en hoe dNTPs kan invloed hebben op de cellulaire functie in aangeboren immuniteit. Ondanks 52 jaar onderzoek dntp metabolisme, lijkt er veel meer te doen!