Reglering av deoxyribonukleotidsyntesen under DNA replikation och reparation hos eukaryoter

Projektbeskrivning

Vår arvsmassa, DNA, består av hopkopplade byggstenar, deoxyribonukleotider, som cellerna behöver för celldelning och tillverkning av DNA. Cellernas DNA utsätts även hela tiden för skador till följd av t.ex. joniserande eller ultraviolett strålning, kemiska ämnen och fria radikaler, vilket kan leda till mutationer, cancer och celldöd. För att reparera skador behöver cellen tillgång till deoxyribonukleotider.

Nybildningen av deoxyribonukleotider sker uteslutande genom en direkt reduktion av motsvarande ribonukleotider, en reaktion som katalyseras av enzymet ribonukleotidreduktas. Jag har under många år studerat detta enzym, som i däggdjursceller består av två icke-identiska subenheter, protein R1 och protein R2. Det jag anser mest intressant med ribonukleotidreduktas-systemet är att det har en central roll i cellens metabolism och uppvisar en rad olika biologiska regleringsmekanismer. Exempelvis är enzymaktiviteten cellcykelspecifik med maximala värden under den s.k. S-fasen när DNA-syntesen sker. Regleringen sker både på gennivå vid transkriptionen av ribonukleotidreduktasgenerna och senare via kontrollerad nedbrytning av R2-proteinet, reglering av stabiliteten av R2:s mRNA och genom reglering av enzymet. Studier av ribonukleotidreduktas i jäst, ett bra modellsystem för eukaryota celler, har dessutom identifierat en specifik hämmare av R1-proteinet, proteinmolekylen Sml1. Både i jäst och i däggdjursceller induceras speciella former av ribonukleotidreduktas efter DNA-skador och en rad olika signalvägar, s.k. cell cycle checkpoints, fokuseras direkt på ribonukleotidreduktas. Det understryker betydelsen av en balanserad tillgång på deoxyribonukleotider för DNA-syntes och reparation i cellen.

Med mitt forskningsprogram vill jag identifiera de transkriptionsfaktorer som reglerar induktionen av R1- och R2-generna under cellcykeln och efter en DNA-skada. Här är jag också mycket intresserad av regleringen av uttrycket av en ny p53-kontrollerad R2-gen, som verkar induceras specifikt efter DNA-skada. Vi vet att i jäst medför DNA-skador aktivering av en proteinkinas-kaskad (Mec1, Rad 53, Dun1) och det leder bl.a. till induktion av ribonukleotidreduktasgenerna, nedbrytning av Sml1 och höjning av mängden deoxyribonukleotider. Mutationer i denna signalväg medför ofullständig DNA-syntes och celldöd. Jag vill förstå varför höjningen av deoxyribonukleotidmängden är så viktig och försöka klargöra motsvarande signalvägar i däggdjursceller, där proteinkinaserna kallas ATM, ATR och Chk2. För att entydigt kunna förstå den molekylära mekanismen för regleringen av ribonukleotidreduktas behöver vi kristallstrukturen för R1-/R2-komplexet och det räcker då inte med modellbyggen utifrån de individuella R1- och R2-strukturerna. Därför vill jag genom in vitro-mutagenes försöka framställa stabila former av rekombinant R1- och R2-protein hos mus och försöka kristallisera dem.

Slutligen upptäckte vi vid studier av ribonukleotidreduktas och nukleotidmetabolismen i Trypanosoma brucei, den parasit som orsakar afrikansk sömnsjuka, att dessa organismer har ovanligt låga mängder av cytidintrifosfat, en av byggstenarna för RNA. Nukleotiden syntetiseras av cytidintrifosfatsyntetas, och vi kunde både i vävnadsodling av trypanosomer och i försök med trypanosominfekterade möss visa att hämmare till detta enzym effektivt stoppade tillväxten av trypanosomer. Eftersom det föreligger en enorm brist på effektiva läkemedel mot denna dödliga sjukdom försöker vi nu framställa rekombinant trypanosom-cytidintrifosfatsyntetas. Kristallstrukturen hos enzymet skulle vara till stor nytta vid framställning av mer specifika hämmare.