Mecanismos de regulación de la enzima ribonucleótido reductasa de Saccharomyces cerevisiae en respuesta a la deficiencia de hierro

Resumen

Mecanismos de regulación de la enzima ribonucleótido reductasa de Saccharomyces cerevisiae en respuesta a la deficiencia de hierro. Mantener un balance adecuado en los niveles de desoxirribonucleótidos trifosfato (dNTPs), precursores necesarios para la síntesis del DNA, es fundamental para preservar la estabilidad genómica y la viabilidad celular tanto durante la proliferación celular como en respuesta a daños en el DNA. La enzima ribonucléotido reductasa (RNR), responsable de la conversión de ribonucleótidos en desoxirribonucleótidos, es una de las dianas de regulación principales durante la síntesis de dNTPs, por lo que múltiples mecanismos controlan su actividad durante el progreso del ciclo celular y en respuesta a daños en el DNA. Las RNRs de clase Ia presentes en todas las células eucariotas son enzimas esenciales compuestas por una subunidad grande R1, en la que se encuentra el centro catalítico y los sitios de regulación alostérica, y una subunidad pequeña R2 en la que se sitúa un centro de oxo-dihierro y un radical tirosil esenciales para la actividad enzimática. Dado que la enzima RNR requiere de hierro como cofactor esencial para su función, en este trabajo se planteó utilizar la levadura Saccharomyces cerevisiae como modelo para estudiar los mecanismos moleculares que regulan la actividad RNR en respuesta a condiciones de deficiencia de hierro. En S. cerevisiae, la subunidad catalítica R1 se localiza en condiciones normales en el citoplasma, mientras que la mayor parte de la subunidad pequeña R2 formada por el heterodímero Rnr2-Rnr4 reside en el núcleo de la célula. Una proteína nuclear conocida como Wtm1, que interacciona con la subunidad R2, es la responsable de anclarla al núcleo. Durante la fase S del ciclo celular y en respuesta a daños en el DNA, la ruta de integridad del DNA formada por las quinasas Mec1-Rad53-Dun1 se activa y promueve la rotura de la interacción entre la subunidad R2 y Wtm1. Como consecuencia la subunidad R2 se relocaliza desde el núcleo hasta el citoplasma, donde se ensambla en un complejo RNR activo y permite la síntesis de dNTPs. En este trabajo hemos observado que en respuesta a la falta de hierro se produce la salida de la subunidad R2 del núcleo al citoplasma de una forma totalmente independiente de las quinasas Mec1 y Rad53, sugiriendo la existencia de un nuevo mecanismo de regulación de la actividad RNR en condiciones de deficiencia de hierro. Estudios previos han demostrado que la deficiencia de hierro induce la expresión de dos proteínas de unión a RNA denominadas Cth1 y Cth2. Estas proteínas desempeñan un papel clave en la remodelación del metabolismo dependiente de hierro mediante la unión y degradación selectiva de un gran número de mRNAs que codifican proteínas que contienen hierro o que participan en procesos dependientes de hierro. Una de las dianas principales de Cth1 y Cth2 es la respiración mitocondrial, que resulta reprimida en respuesta a la escasez de hierro. En este trabajo hemos podido demostrar que Cth1 y Cth2 controlan la localización subcelular de la subunidad R2 en condiciones de déficit de hierro mediante la degradación específica del mRNA WTM1. La consecuente bajada en los niveles de proteína Wtm1 permiten la relocalización de la subunidad R2 al citoplasma y la activación de la enzima RNR. Además, hemos descrito que, en condiciones de limitación de hierro, la quinasa Dun1 participa en la regulación de RNR. Por un lado, hemos observado que Dun1 promueve la relocalización al citoplasma de la subunidad pequeña R2, mecanismo que depende de su dominio quinasa, mientras que su domino FHA (del inglés, forkhead-associated) no es necesario. Por otro lado, nuestros resultados sugieren que cuando los niveles de hierro son bajos, Dun1 regula los niveles de proteína Sml1, inhibidor de la subunidad grande R1, a través de un mecanismo independiente de las quinasas Mec1 y Rad53. Análisis de la estructura de la proteína Dun1 muestran que tanto su dominio quinasa y como su dominio FHA se requieren para inducir la degradación de Sml1 en condiciones de escasez de hierro, mientras que el residuo T380, que es fosforilad pot la quinasa Rad53 en respuesta a daños en el DNA, no es necesario. Nuestros resultados indican que, en condiciones de deficiencia de hierro, el descenso de los niveles de Sml1 es mediado por el complejo de ubiquitín-ligasas Rad6-Urb2-Mub1 a través del proteasoma 26S y por la ruta vacuolar proteolítica. Estos resultados revelan un nuevo papel para la quinasa Dun1 en la degradación de Sml1 y en la relocalización de la subunidad pequeña R2 bajo condiciones de deficiencia de hierro. Así pues, los resultados obtenidos en este trabajo sugieren que, en respuesta a la falta de hierro, S. cerevisiae reorganiza el metabolismo celular priorizando procesos esenciales dependientes de hierro como la síntesis de dNTPs sobre vías metabólicas que consumen gran cantidad de hierro y que no esenciales para la levadura como la respiración mitocondrial.