Role of ribonuclease SAMHD1 in HIV-1 restriction

Abstract

AGS는 유전적인 질병으로 환자에게서 핵산매개면역반응에 의한 자가면역질환 증상이 나타난다. AGS와 관련된 돌연변이 유전자 중에는 SAMHD1이 있다. SAMHD1은 HIV-1 억제인자로 작용하여 세포분열이 일어나지 않는 대식세포, 수지상 세포, 휴지상태의 CD4+ T 세포에서 HIV-1의 역전사 과정을 방해한다. SAMHD1은 dNTP를 분해하는 효소 활성을 가지고 있으며 dGTP가 다른 자리 조절자로써 dNTPase 효소 활성을 갖도록 한다. 따라서 SAMHD1은 세포내 dNTP의 양을 줄임으로써 HIV-1의 복제를 저해한다고 연구되었다. 그러나 최근 보고에 따르면, SAMHD1의 dNTPase 활성과 관계없이 SAMHD1 단백질 인산화 여부에 따라 HIV-1의 복제를 억제하는 능력이 조절되는데, 이는 SAMHD1의 또 다른 역할이 있음을 시사한다. 본 연구에서는 SAMHD1이 RNA 분해효소 기능을 가지고 있음을 밝혔으며 이 효소 기능이 HIV-1을 억제하는데 필수적임을 보였다. AGS 질병과 관련된 SAMHD1의 돌연변이와 dGTP가 결합하지 못하는 돌연변이 SAMHD1을 이용하여 2가지 효소 작용 중에 어떤 것이 HIV-1 억제에 중요한지에 대해서 확인하였다. RNA 분해효소 활성만 가지고 있는 SAMHD1D137N의 경우는 HIV-1를 억제할 수 있었으나 dNTPase 활성만 가지는 SAMHD1Q548A는 HIV-1 복제를 막을 수 없었다. 이는 SAMHD1의 RNA 분해효소 활성이 HIV-1 억제 기작의 핵심이라는 것을 의미한다. 실제 SAMHD1은 HIV-1 감염초기에 직접 HIV-1 유전체 RNA에 결합하여 분해함으로써 HIV-1 생활사에 타격을 입히는 것으로 확인되었다. 인간의 대식세포나 CD4+ T 세포에 SAMHD1의 발현을 감소시켰을 때, HIV-1 유전체 RNA가 안정화 되는 실험적 결과를 이를 뒷받침한다. 또한 592번째 아미노산인 트레오닌의 인산화에 의한 HIV-1의 억제 기능 조절은 SAMHD1의 HIV-1 유전체 RNA 분해 작용에 대한 조절로 이루어짐을 보였다. 여러 실험 결과들을 통해 나는 SAMHD1이 가지는 두 가지 효소 활성 중에서 dNTPase가 아닌 RNase 효소 활성이 HIV-1를 억제하는데 중요하다는 것을 밝혔다.

Sterile alpha motif (SAM) domain and HD domain-containing protein 1 (SAMHD1) is a host cell restriction factor that inhibits HIV-1 replication by impairing reverse transcription in non-cycling cells such as macrophages, dendritic cells and resting CD4+ T cells. SAMHD1 has a dGTP-induced dNTPase activity, and therefore was initially proposed to deplete intracellular dNTP level below the levels required for reverse transcription of HIV-1. However, the phosphorylation of SAMHD1 at position T592 regulates its ability to restrict HIV-1 without decreasing cellular dNTP levels, which is not consistent with a role for SAMHD1 dNTPase activity in HIV-1 restriction. Here, I show that SAMHD1 possesses RNase activity and that the RNase but not the dNTPase function is essential for HIV-1 restriction. By enzymatically characterizing Aicardi-Goutières syndrome (AGS)-associated SAMHD1 mutations and mutations in the allosteric dGTP-binding site of SAMHD1 for defects in RNase or dNTPase activity, I identify SAMHD1 point mutants that cause loss of one or both functions. The RNase-positive and dNTPase-negative SAMHD1D137N mutant is able to restrict HIV-1 infection, whereas the RNase-negative and dNTPase-positive SAMHD1Q548A mutant is defective for HIV-1 restriction. SAMHD1 associates with HIV-1 RNA and degrades it during the early phases of cell infection. SAMHD1 silencing in macrophages and CD4+ T cells from healthy donors increases HIV-1 RNA stability, rendering the cells permissive for HIV-1 infection. Furthermore, the phosphorylation of SAMHD1 at T592 negatively regulates its RNase activity in cells and consequently the ability of SAMHD1 to restrict HIV-1 infection. My results reveal that the RNase activity of SAMHD1 is responsible for preventing HIV-1 infection by directly binding and degrading the HIV-1 RNA.