biokemiska reaktioner, även de som är så komplexa som att replikera DNA-genomet hos celler, följer principen att processen regleras av både substratkoncentrationen och av enzymerna som förmedlar processen. Deoxynukleosidtrifosfater (dNTPs), substraten för DNA-polymeriserande enzymer, har länge varit kända för att vara begränsade i sin koncentration i celler eftersom enzymet som syntetiserar deoxynukleotider från ribonukleotider, ribonukleotidreduktas (RNR), syntetiseras och enzymatiskt aktiveras när celler går in i S-fasen (1, 2). RNR, upptäckt av Peter Reichard för 52 år sedan (3), omvandlar alla fyra ribonukleotiddifosfater (rNDPs) till respektive deoxynukleosiddifosfater (dNDPs), som sedan snabbt omvandlas till dNTP. Låga nivåer och aktivitet av RNR ger tillräckliga dNTPs för mitokondriell DNA-syntes och för DNA-reparation i icke-cyklande celler och under G1-fasen av celldelningscykeln i prolifererande celler, men RNR-nivåer och aktivitet ökas enormt när celler åtar sig att replikera DNA under S-fasen av celldelningscykeln eller efter omfattande DNA-reparation (4). RNR är faktiskt ett av de mest reglerade enzymerna som är kända. Däggdjursenzymet syntetiserar alla fyra dNDPs i en cykel, aktiveras allosteriskt av dATP, dTTP och dGTP för att balansera de relativa nivåerna av de fyra dNTP: erna (dCTP, dTTP, dGTP och dATP) och återkopplas av dATP, eftersom dATP är den sista dNTP som ska göras i cykeln för att syntetisera alla fyra dNTPs med ett enda RNR-enzym (1). Specifika hämmande proteiner (i jäst) kontrollerar också RNR-aktivitet och RNR-subenhetsnivåer regleras av cellcykelberoende transkription av generna som kodar för subenheterna och genom subenhetsproteinstabilitet (4, 5). På grundval av dessa observationer kan man förvänta sig att dNTP-syntes av RNR bör vara tillräcklig för att kontrollera hur och när genom-DNA-replikation sker eftersom RNR endast är maximalt aktiv under S-fasen. Nya studier, inklusive de som kommer från avlägsna studier av hur HIV-replikation är begränsad till vissa celltyper (6, 7), har dock upptäckt en ny kontroll av dNTP-nivåer, dNTP-förstörelse. Det sterila alfasmotivet och HD-domäninnehållande protein 1 (SAMHD1) – proteinet är ett deoxynukleosidtrifosfohydrolas som klyver dNTPs till respektive deoxynukleosid och ett trifosfat (8). I PNAS, Franzolin et al. (9) visa att dNTP-destruktion genom SAMHD1 också bidrar till dNTP-koncentrationskontroll under celldelningscykeln för prolifererande celler, vilket påverkar både DNA-replikation och cellcykelprogression.

SAMHD1 innehåller två erkända domäner, En SAM (steril alfa-motiv) domän med okänd funktion och en HD-domän som innehåller katalytisk asparaginsyra och histidinrester som bildar enzymets katalytiska kärna (8). SAMHD kan bara hydrolysera dGTP när varje dNTP tillhandahålls individuellt, men det kan hydrolysera dTTP, dCTP och dATP när dGTP är närvarande som en kofaktor. dGTP fungerar troligen som en allosterisk aktivator av det dimera enzymet (8), även om en ny rapport tyder på att enzymet kan fungera som en tetramer (10). Observationen att SAMHD1 kan försämra dGTP ensam och att samma dNTP kan allosteriskt aktivera trifosfohydrolas kan vara en mekanism för att balansera koncentrationerna av alla fyra dNTPs i cellen. Det är möjligt att nivåerna av dNTP bestäms av dgtp: s affinitet till den allosteriska platsen för SAMHD1.

Franzolin et al. (9) visa att SAMHD1 är intimt involverad i kontrollen av dNTP-nivåer, inte bara i icke-cyklande celler där enzymet uttrycks rikligt, utan också i cykelceller. Deras observation avslutar den tidigare uppfattningen att syntesen av dNTPs av RNR var den huvudsakliga mekanismen som reglerade den intracellulära koncentrationen av dNTPs under cellcykeln. SAMHD1 är närvarande i kärnan i G1-fasceller, medan RNR-subenheter är framträdande i cytoplasman, vilket ökar deras nivåer i s-fasceller (9). Utarmning av SAMHD1-nivåer i cykelceller ökade dNTP-koncentrationen i icke-s-fasceller och orsakade en arrestering i G1-fasen. Intressant är att avreglering av återkopplingshämningen av RNR i jästceller orsakade förhöjda dNTP-nivåer och en arrestering i G1-fasen, så dntps-nivåer har en direkt effekt på kontrollen av cellcykelprogression (11). Okontrollerade och höga dNTP-koncentrationer är kända för att vara Mutagena för genomreplikation (12), vilket är mest sannolikt varför celler går i stor utsträckning för att koppla intimt koncentrationen av alla fyra dNTPs till DNA-syntes under S-fasen.

genen som kodar för SAMHD1 upptäcktes som en IFN-Macau–inducerad gen i peritoneala makrofager i mus (13). Induktion av SAMHD1 i differentierade celler är nu meningsfullt eftersom endast låga nivåer av dNTP skulle krävas i icke-spridande celler för att upprätthålla mitokondrier och för DNA-reparation. Det är troligt att höga dNTP-nivåer kan orsaka problem med upprätthållandet av mitokondriell funktion, vilket kan förekomma hos patienter med Aicardi-Gouti Aucrires syndrom (AGS), en genetiskt ärftlig inflammatorisk encefalopati som kliniskt liknar medfödda virusinfektioner och vissa typer av autoimmunitet (14). AGS-mutationer i SAMHD1-genen minskar antingen katalytisk aktivitet eller allosterisk aktivering med dGTP, båda orsakar en ökning av intracellulära dNTP-nivåer, vilket kan bidra till defekt differentiering av medfödda immunceller.

av intresse är observationen att SAMHD1 begränsar vissa lentivirus, inklusive HIV1, från att replikera i icke-cyklande celler eftersom nivåerna av dNTP inte är tillräckliga för omvänd transkriptas för att kopiera den inkommande RNA-mallen. Vissa lentivirus, såsom HIV2 och Simian immunbristvirus, bär i ett protein som kallas Vpx som orsakar nedbrytning av SAMHD1, vilket möjliggör en ökning av dNTPs och kopiering av RNA-genomet till DNA (6, 8, 15). Km för olika omvända transkriptaser varierar och bidrar till värdcellspecificiteten för virusreplikation, en process som påverkas av närvaron eller frånvaron av SAMHD1 (16). Fenotypen av AGS överensstämmer med SAMHD1-mutationer som orsakar högre dNTP-nivåer som i sin tur kan leda till mer robust virusinfektion för virus som har ett DNA-polymeras med en Km som kräver ökade dNTP-nivåer. Men bara virus som kodar för sina egna DNA-polymeriserande enzymer kommer att replikera i icke-cyklande celler, eftersom det cellulära maskineriet som replikerar värd-DNA inte är aktivt. När den potenta dNTP-trifohydrolasaktiviteten hos SAMHD1 har tagits bort kan viruspolymeras replikera virusgenomet. Således kan DNA-virus, såsom herpes simplexvirus typ 1 och vacciniavirus, som kodar för sina egna DNA-polymeraser, replikera i icke-cyklande celler om SAMHD1 avlägsnas (17).

den slående observationen av Franzolin et al. (9), att i cykelceller SAMHD1 inte är närvarande i S-fasen, antyder att den bryts ned av ubiquitinberoende proteolys när celler passerar från G1-fasen till S-fasen. SAMHD1-proteinet kan fosforyleras med cyklin A-CDK2 (18). Detta Kinas aktiveras vid G1-till-s-fasövergången i humana celler och är ansvarig för initiering av faktisk DNA-syntes från prereplicativa komplex som har monterats under G1-fasen vid alla ursprung av DNA-replikation (19). En möjlighet är att fosforylering av SAMHD1 primerar Ub-medierad proteolys av enzymet vid G1-till-s-fasövergången (Fig. 1).

nya studier har visat att SAMHD1 fosforyleras vid ett CDK-ställe, T592 (18, 20). Mutationer som förändrar eller efterliknar fosforylering vid denna Rest förlorade sin förmåga att begränsa HIV-replikation. Dessa mutanter behöll sin förmåga att hydrolysera TTP i närvaro av dGTP och förändrade inte dNTP-nivåer i celler (20). Baserat på dessa observationer höjdes möjligheten att samhd1s förmåga att begränsa retrovirusreplikation inte berodde på dess förmåga att försämra cellulära dNTPs. Denna slutsats måste dock nu tempereras mot bakgrund av de senaste resultaten från Franzolin et al. (9), eftersom dNTP-nivåerna i celler som uttrycker vildtyp kontra mutant SAMHD1 mättes i icke-cyklande celler (PMA-stimulerade u937 myeloida celler). Däremot mättes förmågan hos vildtyp och mutanta proteiner att begränsa retroviral replikation i cykelceller. Kanske i de icke-cyklande cellerna påverkas inte dNTP-fosfohydrolasaktiviteten av fosforylering eftersom kinaset är frånvarande, eller det relevanta E3-ligaset som medierad Ub-beroende nedbrytning av SAMHD1 uttrycks inte. I cykelceller kan emellertid både cyklin A-CDK2 och E3-ligas inducera förstörelse av SAMHD1, vilket ökar dNTP-nivåerna och möjliggör virusreplikation. Det är uppenbart att framtida studier behövs för att undersöka hur SAMHD1-nivåer kontrolleras i både cykel-och icke-cyklande celler. Viktigt är att observationen att endast G1-fascykelceller uttrycker SAMHD1 måste beaktas vid tolkning av resultat på hur SAMHD1-aktivitet påverkar både genom och virus DNA-replikation och hur dNTPs kan påverka cellulär funktion i medfödd immunitet. Trots 52 y för att undersöka dNTP-metabolism verkar det finnas mycket mer att göra!