reakcje biochemiczne, nawet te tak złożone, jak replikacja genomu DNA komórek, postępują zgodnie z zasadą, że proces jest regulowany zarówno przez stężenie substratu, jak i przez enzymy pośredniczące w procesie. Trifosforany deoksynukleozydów (dNTPs), substraty enzymów polimeryzujących DNA, od dawna są ograniczone w ich stężeniu w komórkach, ponieważ enzym, który syntetyzuje deoksynukleotydy z rybonukleotydów, reduktaza rybonukleotydowa (RNR), jest syntetyzowany i aktywowany enzymatycznie, gdy komórki wchodzą w fazę S (1, 2). RNR, odkryty przez Petera Reicharda 52 lata temu (3), konwertuje wszystkie cztery difosforany rybonukleotydowe (rndps) do odpowiednich disposphates deoxynucleoside (dNDPs), które następnie są szybko przekształcane do dNTP. Niskie poziomy i aktywność RNR zapewniają wystarczające dNTPs do syntezy mitochondrialnego DNA i do naprawy DNA w komórkach niecyklingowych i podczas fazy G1 cyklu podziału komórki w komórkach proliferujących, ale poziomy i aktywność RNR są znacznie zwiększone, gdy komórki zobowiązują się do replikacji DNA podczas fazy s cyklu podziału komórki lub po rozległej naprawie DNA (4). Rzeczywiście, RNR jest jednym z najbardziej regulowanych enzymów znanych. Enzym ssaków syntetyzuje wszystkie cztery dNDPs w cyklu, jest allosterycznie aktywowany przez dATP, dTTP i dgtp w celu zrównoważenia względnych poziomów czterech dNTPs (dCTP, dTTP, dgtp i dATP) i jest hamowany przez datp, ponieważ dATP jest ostatnim dNTP, który zostanie wykonany w cyklu syntezy wszystkich czterech dNTPs przez pojedynczy enzym RNR (1). Specyficzne białka hamujące (w drożdżach) również kontrolują aktywność RNR, a poziomy podjednostek RNR są regulowane przez zależną od cyklu komórkowego transkrypcję genów kodujących podjednostki i stabilność białek podjednostek (4, 5). Na podstawie tych obserwacji można oczekiwać, że synteza dNTP przez RNR powinna być wystarczająca do kontrolowania sposobu i czasu replikacji DNA genomu, ponieważ RNR jest maksymalnie aktywny tylko w fazie S. Jednak ostatnie badania, w tym te wyłaniające się z dalekich badań, w jaki sposób replikacja HIV jest ograniczona do niektórych typów komórek (6, 7), odkryły nową kontrolę poziomów dNTP, niszczenie dNTP. Sterylny motyw alfa i domena HD zawierająca białko 1 (samhd1) jest trifosfohydrolazą deoksynukleozydową, która rozszczepia dNTPs do odpowiedniego deoksynukleozydu i trifosforanu (8). In PNAS, Franzolin et al. (9) wykazać, że niszczenie dNTP przez SAMHD1 przyczynia się również do kontroli stężenia dNTP podczas cyklu podziału komórek proliferujących, wpływając tym samym zarówno na replikację DNA, jak i progresję cyklu komórkowego.

SAMHD1 zawiera dwie uznane domeny, domenę SAM (sterylny motyw alfa) o nieznanej funkcji i domenę HD, która zawiera katalityczny kwas asparaginowy i reszty histydyny, które tworzą katalityczny rdzeń enzymu (8). SAMHD może hydrolizować dGTP tylko wtedy, gdy każdy dNTP jest dostarczany indywidualnie, ale może hydrolizować dTTP, dctp i dATP, gdy dgtp jest obecny jako kofaktor. dGTP najprawdopodobniej działa jako allosteryczny aktywator enzymu dimerycznego (8), chociaż niedawny raport sugeruje, że enzym może działać jako tetramer (10). Obserwacja, że SAMHD1 może degradować sam dGTP i że ten sam dNTP może allosterycznie aktywować trifosfohydrolazę, może być jednym z mechanizmów równoważenia stężeń wszystkich czterech dNTPs w komórce. Możliwe jest, że poziomy dNTP są określane przez powinowactwo dGTP do allosterycznego miejsca SAMHD1.

Franzolin i in. (9) wykazać, że SAMHD1 jest ściśle zaangażowany w kontrolę poziomów dNTP, nie tylko w komórkach niecyklingowych, w których enzym jest obficie wyrażony, ale także w komórkach cykli. Ich obserwacja kończy poprzedni pogląd, że synteza dNTPs przez RNR była głównym mechanizmem regulującym wewnątrzkomórkowe stężenie dNTPs podczas cyklu komórkowego. SAMHD1 jest obecny w jądrze komórek fazy G1, podczas gdy podjednostki RNR są widoczne w cytoplazmie, zwiększając ich poziom w komórkach fazy s (9). Zmniejszenie stężenia SAMHD1 w komórkach cykli zwiększyło stężenie dNTP w komórkach nie – fazowych S i spowodowało zatrzymanie w fazie G1. Co ciekawe, deregulacja sprzężenia zwrotnego hamującego RNR w komórkach drożdży spowodowała podwyższone poziomy dNTP i zatrzymanie w fazie G1, więc poziomy dNTPs mają bezpośredni wpływ na kontrolę progresji cyklu komórkowego (11). Niekontrolowane i wysokie stężenia dNTP są znane jako mutagenne dla replikacji genomu (12), co najprawdopodobniej powoduje, że komórki dokładają wszelkich starań, aby dokładnie połączyć stężenie wszystkich czterech dntp z syntezą DNA podczas fazy S.

gen kodujący SAMHD1 został odkryty jako gen indukowany IFN-γ w mysich makrofagach otrzewnowych (13). Indukcja SAMHD1 w zróżnicowanych komórkach ma teraz sens, ponieważ tylko niskie poziomy dNTP byłyby wymagane w komórkach nieproliferacyjnych w celu utrzymania mitochondriów i naprawy DNA. Jest prawdopodobne, że wysokie stężenia dNTP mogą powodować problemy z utrzymaniem funkcji mitochondriów, które mogą wystąpić u pacjentów z zespołem AICARDIEGO–Goutières ’ a (AGS), genetycznie dziedziczoną encefalopatią zapalną, która klinicznie przypomina wrodzone zakażenia wirusowe i niektóre rodzaje autoimmunizacji (14). Mutacje AGS w genie SAMHD1 zmniejszają aktywność katalityczną lub allosteryczną przez dgtp, powodując wzrost wewnątrzkomórkowych poziomów dNTP, co może przyczyniać się do wadliwego różnicowania wrodzonych komórek odpornościowych.

interesująca jest obserwacja, że SAMHD1 ogranicza niektóre lentywirusy, w tym HIV1, przed replikacją w niecyklingowych komórkach, ponieważ poziomy dNTP nie są wystarczające dla odwrotnej transkryptazy do skopiowania przychodzącego szablonu RNA. Niektóre lentywirusy, takie jak HIV2 i Małpi wirus niedoboru odporności, zawierają białko zwane Vpx, które powoduje degradację SAMHD1, umożliwiając w ten sposób wzrost dNTPs i kopiowanie genomu RNA do DNA (6, 8, 15). Km dla różnych odwrotnych transkryptaz różnią się i przyczyniają się do swoistości komórek gospodarza dla replikacji wirusa, na co wpływa obecność lub brak SAMHD1 (16). Fenotyp AGS jest zgodny z mutacjami SAMHD1 powodującymi wyższe poziomy dNTP, które z kolei mogą prowadzić do silniejszego zakażenia wirusami, które mają polimerazę DNA z Km, która wymaga zwiększonego poziomu dNTP. Jednak tylko wirusy, które kodują własne enzymy polimeryzujące DNA, replikują się w niecyklingowych komórkach, ponieważ maszyny komórkowe, które replikują DNA gospodarza, nie są aktywne. Po usunięciu silnej aktywności trifofohydrolazy dNTP samhd1, polimeraza wirusa może replikować genom wirusa. Tak więc wirusy DNA, takie jak wirus opryszczki pospolitej typu 1 i wirus krowianki, które kodują własne polimerazy DNA, mogą replikować się w komórkach niecyklingowych, jeśli usuwa się SAMHD1 (17).

uderzająca obserwacja Franzolina i in. (9), że w komórkach rowerowych SAMHD1 nie występuje w fazie s, sugeruje, że jest degradowany przez proteolizę zależną od ubikwityny, gdy komórki przechodzą z fazy G1 do fazy S. Białko SAMHD1 może być fosforylowane przez cyklinę a-CDK2 (18). Kinaza ta jest aktywowana podczas przejścia fazy G1 do S w komórkach ludzkich i jest odpowiedzialna za inicjację rzeczywistej syntezy DNA z przedeplikacyjnych kompleksów, które zostały zmontowane podczas fazy G1 we wszystkich początkach replikacji DNA (19). Jedną z możliwości jest to, że fosforylacja liczb pierwszych SAMHD1-ub-mediuje proteolizę enzymu przy przejściu fazowym G1-do-S (Fig. 1).

ostatnie badania wykazały, że SAMHD1 jest fosforylowany w miejscu CDK, t592 (18, 20). Mutacje, które zmieniają lub naśladują fosforylację tej pozostałości, utraciły zdolność do ograniczania replikacji wirusa HIV. Mutanty te zachowały zdolność hydrolizy TTP w obecności dGTP i nie zmieniały poziomów dNTP w komórkach (20). Na podstawie tych obserwacji podniesiono możliwość, że zdolność SAMHD1 do ograniczania replikacji retrowirusa nie wynika z jego zdolności do degradacji komórkowych dNTPs. Jednak wniosek ten musi być teraz hartowane w świetle ostatnich wyników Franzolin et al. (9), ponieważ poziomy dNTP w komórkach wykazujących ekspresję dzikiego typu w porównaniu ze zmutowanym samhd1 mierzono w komórkach niecyklingowych (stymulowane PMA komórki mieloidalne U937). Natomiast zdolność dzikiego typu i zmutowanych białek do ograniczania replikacji retrowirusów mierzono w komórkach rowerzystów. Być może w komórkach niecyklingowych fosforylacja nie wpływa na aktywność fosfohydrolazy dNTP, ponieważ kinaza jest nieobecna, lub odpowiednia ligaza E3, która pośredniczy w zależnej od UB degradacji SAMHD1, nie ulega ekspresji. Jednak w komórkach cyklicznych zarówno cyklina a-CDK2, jak i ligaza E3 mogą indukować destrukcję SAMHD1, zwiększając poziomy dNTP i umożliwiając replikację wirusa. Oczywiste jest, że potrzebne są przyszłe badania, aby zbadać, w jaki sposób poziomy SAMHD1 są kontrolowane zarówno w komórkach rowerowych, jak i niecyklingowych. Co ważne, obserwacja, że tylko komórki cykli w fazie G1 wyrażają SAMHD1, będzie musiała zostać wzięta pod uwagę przy interpretacji wyników dotyczących tego, w jaki sposób aktywność SAMHD1 wpływa zarówno na replikację DNA genomu, jak i wirusa oraz jak dNTPs mogą wpływać na funkcje komórkowe w odporności wrodzonej. Pomimo 52 y badania metabolizmu dNTP, wydaje się być znacznie więcej do zrobienia!