Implicación de la nucleotidohidrolasa DCTPP1 en la regulación del pool de nucleótidos y el mantenimiento de la integridad genómica

Resumen

La precisión con la que la célula lleva a cabo la replicación de su material genético es esencial para su supervivencia y un factor clave en la fidelidad de dicha replicación es la concentración absoluta y relativa de cada uno de los cuatro desoxirribonucleótidos trifosfato (dNTPs) (Mathews, 2006). Así, desequilibrios en el pool de dNTPs pueden promover errores durante la replicación (Davidson et al., 2012). Más aún, la falta de alguno de los precursores del DNA provoca una severa inestabilidad mitocondrial y cromosómica en células eucariotas, especialmente después de producirse daños en el genoma, ya que los mecanismos de reparación requieren nucleótidos para la síntesis de DNA. Por tanto, es necesario un control estricto de las rutas de síntesis y de catabolismo de dNTPs ya que cualquier defecto en su regulación causa fenómenos de estrés replicacional y compromete la estabilidad del genoma (Mathews, 2014; Lee et al., 2017). Las enzimas implicadas en metabolismo de nucleótidos desempeñan un papel fundamental en la regulación y control del pool de nucleótidos, tanto en situaciones fisiológicas normales como patogénicas. Estas enzimas pueden además jugar un papel relevante en la activación y/o degradación de fármacos. Todo ello confiere especial interés al estudio y caracterización de nuevas enzimas implicadas en estas rutas metabólicas y su regulación a nivel bioquímico y celular. Es el caso de la nucleotidohidrolasa humana DCTPP1, que hidroliza dCTP dando lugar a dCMP y pirofosfato, controlando de esta manera los niveles intracelulares de dCTP (Requena et al., 2014). Además presenta una alta afinidad por derivados de desoxicitidina modificados en posición 5 de la base como el 5-formil-dCTP, 5-yodo-dCTP o el 5-metil-dCTP. En correlación con su actividad bioquímica, las células deficientes en esta nucleotidohidrolasa presentan altos niveles de dCTP y son hipersensibles a la exposición a los análogos 5-yodo-2’-desoxicitidina y 5-metil-2’-desoxicitidina. En este trabajo se ha confirmado el papel de DCTPP1 en la homeostasis de dCTP, pero además se ha descrito una nueva función en el mantenimiento de los niveles de dTTP. En ausencia de DCTPP1, las células presentan un pool de dCTP elevado, una disminución del pool de dTTP y la aparición de un pool de dUTP, cuya incorporación al DNA es potencialmente genotóxica. Como consecuencia del aumento del ratio dUTP/dTTP, las células deficientes en DCTPP1 acumulan uracilo en el DNA y muestran una activación de la respuesta a daños en el DNA, alteraciones en el ciclo celular y un fenotipo hipermutador que afecta tanto al DNA nuclear como al mitocondrial. Asimismo, en ausencia de DCTPP1, las células son altamente dependientes del salvamento de nucleósidos para el mantenimiento de los niveles de dTTP. Nuestros resultados indican un papel prominente de DCTPP1 en la provisión de dTTP vía la síntesis de novo y en el equilibrio del pool de nucleótidos pirimidínicos, una función que está intrínsecamente relacionada con la preservación de la integridad genética. Nuestro estudio identifica a la enzima DCTPP1 como un factor fundamental a tener en cuenta a la hora de analizar las causas moleculares que subyacen a patologías humanas causadas por desbalances del pool de dNTPs. Además, dado que la modulación de la actividad de DCTPP1 permite alterar la síntesis de novo y la homeostasis de nucleótidos pirimidínicos, puede ser una herramienta terapéutica en células tumorales donde existe una alta demanda de nucleótidos asociada a su elevada capacidad replicativa. Por otra parte se ha establecido un modelo de quiescencia para el estudio del metabolismo de dNTPs en células no replicativas. En tejidos diferenciados, donde no hay replicación del DNA nuclear y por tanto la síntesis de novo y la vía de recuperación citosólica no son funcionales, la integridad y replicación del DNA mitocondrial depende en gran medida de la ruta de salvamento mitocondrial de nucleótidos (Hakansson et al., 2006; Saada, 2009). DCTPP1 presenta una localización ubicua en núcleo, citosol y mitocondria (Requena et al., 2014). En células no replicativas la expresión de DCTPP1 en núcleo y citosol desaparece y solo se detecta la proteína en mitocondria. Este modelo permitirá profundizar en el papel de DCTPP1 en el mantenimiento del pool mitocondrial de dNTPs, su posible implicación en el desarrollo de los síndromes de depleción mitocondrial y su utilidad en terapias que modulen la provisión y el equilibrio del pool de nucleótidos en este orgánulo. Referencias: Davidson, MB, Katou, Y, Keszthelyi, A, Sing, TL, Xia, T, Ou, J, Vaisica, JA, Thevakumaran, N, Marjavaara, L, Myers, CL, Chabes, A, Shirahige, K, & Brown, GW. (2012). Endogenous DNA replication stress results in expansion of dNTP pools and a mutator phenotype. EMBO J, 31(4), 895-907. Hakansson, P, Hofer, A, & Thelander, L. (2006). Regulation of mammalian ribonucleotide reduction and dNTP pools after DNA damage and in resting cells. J Biol Chem, 281(12), 7834-7841. Lee, EJ, Seo, JH, Park, JH, Vo, TTL, An, S, Bae, SJ, Le, H, Lee, HS, Wee, HJ, Lee, D, Chung, YH, Kim, JA, Jang, MK, Ryu, SH, Yu, E, Jang, SH, Park, ZY, & Kim, KW. (2017). SAMHD1 acetylation enhances its deoxynucleotide triphosphohydrolase activity and promotes cancer cell proliferation. Oncotarget, 8(40), 68517-68529. Mathews, CK. (2006). DNA precursor metabolism and genomic stability. FASEB J, 20(9), 1300-1314. Mathews, CK. (2014). Deoxyribonucleotides as genetic and metabolic regulators. FASEB J, 28(9), 3832-3840. Requena, CE, Perez-Moreno, G, Ruiz-Perez, LM, Vidal, AE, & Gonzalez-Pacanowska, D. (2014). The NTP pyrophosphatase DCTPP1 contributes to the homoeostasis and cleansing of the dNTP pool in human cells. Biochem J, 459(1), 171-180. Saada, A. (2009). Fishing in the (deoxyribonucleotide) pool. Biochem J, 422(3), e3-6.