Resting CD4+ T cells are resistant to HIV-1 infection, but the underlying reasons for this lack of permissiveness have not been clear. Oliver Fackler and colleagues now report that SAMHD1, the deoxynucleoside triphosphate triphosphohydrolase responsible for restriction of HIV-1 infection in myeloid cells, also restricts infection of resting CD4+ T cells. The findings shed new light on the mechanisms of cellular and molecular regulation of HIV-1 infection. Unlike activated CD4+ T cells, resting CD4+ T cells are highly resistant to productive HIV-1 infection1,2,3,4,5,6,7,8. Early after HIV-1 entry, a major block limits reverse transcription of incoming viral genomes. Here we show that the deoxynucleoside triphosphate triphosphohydrolase SAMHD1 prevents reverse transcription of HIV-1 RNA in resting CD4+ T cells. SAMHD1 is abundantly expressed in resting CD4+ T cells circulating in peripheral blood and residing in lymphoid organs. The early restriction to infection in unstimulated CD4+ T cells is overcome by HIV-1 or HIV-2 virions into which viral Vpx is artificially or naturally packaged, respectively, or by addition of exogenous deoxynucleosides. Vpx-mediated proteasomal degradation of SAMHD1 and elevation of intracellular deoxynucleotide pools precede successful infection by Vpx-carrying HIV. Resting CD4+ T cells from healthy donors following SAMHD1 silencing or from a patient with Aicardi-Goutières syndrome homozygous for a nonsense mutation in SAMHD1 were permissive for HIV-1 infection. Thus, SAMHD1 imposes an effective restriction to HIV-1 infection in the large pool of noncycling CD4+ T cells in vivo. Bypassing SAMHD1 was insufficient for the release of viral progeny, implicating other barriers at later stages of HIV replication. Together, these findings may unveil new ways to interfere with the immune evasion and T cell immunopathology of pandemic HIV-1.

T-705 (Favipiravir) is a broad-spectrum antiviral molecule currently in late stage clinical development for the treatment of influenza virus infection. Although it is believed that T-705 potency is mediated by its ribofuranosyl triphosphate (T-705 RTP) metabolite that could be mutagenic, the exact molecular interaction with the polymerase of influenza A virus (IAVpol) has not been elucidated. Here, we developed a biochemical assay to measure the kinetics of nucleotide incorporation by IAVpol in the elongation mode. In this assay, T-705 RTP was recognized by IAVpol as an efficient substrate for incorporation to the RNA both as a guanosine and an adenosine analog. Compared to natural GTP and ATP, the discrimination of T-705 RTP was about 19- and 30-fold, respectively. Although the single incorporation of the ribonucleotide monophosphate form of T-705 did not efficiently block RNA synthesis, two consecutive incorporation events prevented further primer extension. In comparison, 3′-deoxy GTP caused immediate chain termination but was incorporated less efficiently by the enzyme, with a discrimination of 4,900-fold relative to natural GTP. Collectively, these results provide the first detailed biochemical characterization to evaluate the substrate efficiency and the inhibition potency of nucleotide analogs against influenza virus polymerase. The combination of ambiguous base-pairing with low discrimination of T-705 RTP provides a mechanistic basis for the in vitro mutagenic effect of T-705 towards influenza virus.

Abstract SAMHD1 is a cellular triphosphohydrolase (dNTPase) proposed to inhibit HIV-1 reverse transcription in non-cycling immune cells by limiting the supply of the dNTP substrates. Yet, phosphorylation of T592 downregulates SAMHD1 antiviral activity, but not its dNTPase function, implying that additional mechanisms contribute to viral restriction. Here, we show that SAMHD1 is SUMOylated on residue K595, a modification that relies on the presence of a proximal SUMO-interacting motif (SIM). Loss of K595 SUMOylation suppresses the restriction activity of SAMHD1, even in the context of the constitutively active phospho-ablative T592A mutant but has no impact on dNTP depletion. Conversely, the artificial fusion of SUMO to a non-SUMOylatable inactive SAMHD1 variant restores its antiviral function. These observations clearly establish that the absence of T592 phosphorylation cannot fully account for the restriction activity of SAMHD1. We find that concomitant SUMOylation of K595 is required to stimulate a dNTPase-independent antiviral activity.

Abstract Sterile α motif (SAM) and HD domain-containing protein 1 (SAMHD1) is a potent restriction factor for immunodeficiency virus 1 (HIV-1), active in myeloid and resting CD4 + T cells. As a dNTP triphosphate triphosphohydrolase (dNTPase), SAMHD1 is proposed to limit cellular dNTP levels correlating with inhibition of HIV-1 reverse transcription. The anti-viral activity of SAMHD1 is regulated by dephosphorylation of the residue T592. However, the impact of T592 phosphorylation on dNTPase activity is still under debate. Whether additional cellular functions of SAMHD1 impact anti-viral restriction is also not completely understood. We use BlaER1 cells as a novel human macrophage transdifferentiation model combined with CRISPR/Cas9 knock-in (KI) to study SAMHD1 mutations in a physiological context. Transdifferentiated BlaER1 cells, resembling primary human macrophages, harbor active dephosphorylated SAMHD1 that blocks HIV-1 reporter virus infection. Co-delivery of Vpx or CRISPR/Cas9-mediated SAMHD1 knock-out relieves the block to HIV-1. Using CRISPR/Cas9-mediated homologous recombination, we introduced specific mutations into the genomic SAMHD1 locus. Homozygous T592E mutation, but not T592A, leads to loss of HIV-1 restriction, confirming the role of T592 dephosphorylation in the regulation of anti-viral activity. However, T592E KI cells retain wild type dNTP levels, suggesting the antiviral state might not only rely on dNTP depletion. In conclusion, the role of the T592 phospho-site for anti-viral restriction was confirmed in an endogenous physiological context. Importantly, loss of restriction in T592E mutant cells does not correlate with increased dNTP levels, indicating that the regulation of anti-viral and dNTPase activity of SAMHD1 might be uncoupled. Importance Sterile α motif (SAM) and HD domain-containing protein 1 (SAMHD1) is a potent anti-viral restriction factor, active against a broad range of DNA viruses and retroviruses. In myeloid and resting CD4 + T cells, SAMHD1 blocks reverse transcription of immunodeficiency virus 1 (HIV-1), not only inhibiting viral replication in these cell types, but also limiting the availability of reverse transcription products for innate sensing of HIV-1. Manipulating SAMHD1 activity could be an attractive approach to improve HIV-1 therapy or vaccination strategies. Anti-viral activity is strictly dependent on dephosphorylation of SAMHD1 residue T592, however the mechanistic consequence of T592 phosphorylation is still unclear. Here, we use BlaER1 cells as an alternative myeloid cell model in combination with CRISPR/Cas9-mediated KI to study the influence of SAMHD1 T592 phosphorylation on anti-viral restriction and control of cellular dNTP levels in an endogenous context. By using this novel approach, we were able to genetically uncouple SAMHD1’s anti-viral and dNTPase activity with regard to regulation by T592 phosphorylation. This suggests that SAMHD1 dNTPase activity may not exclusively be responsible for the anti-lentiviral activity of SAMHD1 in myeloid cells. In addition, our toolkit may inspire further genetic analysis and investigation of SAMHD1-mediated restriction, as wells as its cellular function and regulation, leading to a deeper understanding of SAMHD1 and HIV-1 biology.

Checkpoint kinase 1 (CHK1) is critical for cell survival under replication stress (RS). CHK1 inhibitors (CHK1i's) in combination with chemotherapy have shown promising results in preclinical studies but have displayed minimal efficacy with substantial toxicity in clinical trials. To explore combinatorial strategies that can overcome these limitations, we perform an unbiased high-throughput screen in a non-small cell lung cancer (NSCLC) cell line and identify thioredoxin1 (Trx1), a major component of the mammalian antioxidant-system, as a determinant of CHK1i sensitivity. We establish a role for redox recycling of RRM1, the larger subunit of ribonucleotide reductase (RNR), and a depletion of the deoxynucleotide pool in this Trx1-mediated CHK1i sensitivity. Further, the TrxR inhibitor auranofin, an approved anti-rheumatoid arthritis drug, shows a synergistic interaction with CHK1i via interruption of the deoxynucleotide pool. Together, we show a pharmacological combination to treat NSCLC that relies on a redox regulatory link between the Trx system and mammalian RNR activity.

Summary Ribonucleoside monophosphates (rNMPs) represent the most common non-standard nucleotides found in the genomic DNA of cells. The distribution of rNMPs in DNA has been studied only in limited genomes, such as yeast nuclear and mitochondrial DNA, as well as human mitochondrial DNA. In this study, we used the ribose-seq protocol and the Ribose-Map bioinformatics toolkit to reveal the distribution of rNMPs incorporated into the whole genome of a photosynthetic unicellular green alga, Chlamydomonas reinhardtii . The study presents the discovery of a disproportionate incorporation of adenosine in the mitochondrial and chloroplast DNA, in contrast to the nuclear DNA, relative to the nucleotide content of these C. reinhardtii genomes. Our results demonstrate that the rNMP content in the DNA of the algal organelles reflects an elevated ATP level present in the algal cells. In addition, we reveal specific rNMP biases and patterns in the mitochondrial, chloroplast and nuclear DNA of C. reinhardtii .

Abstract Triple negative breast cancer (TNBC) is challenging to treat successfully because targeted therapies do not exist. Instead, systemic therapy is typically restricted to cytotoxic chemotherapy, which fails more often in patients with elevated circulating cholesterol. Liver x receptors are ligand-dependent transcription factors that are homeostatic regulators of cholesterol, and are linked to regulation of broad-affinity xenobiotic transporter activity in non-tumor tissues. We show that LXR ligands confer chemotherapy resistance in TNBC cell lines and xenografts, and that LXRalpha is necessary and sufficient to mediate this resistance. Furthermore, in TNBC patients who had cancer recurrences, LXRalpha and ligands were independent markers of poor prognosis and correlated with P-glycoprotein expression. However, in patients who survived their disease, LXRalpha signaling and P-glycoprotein were decoupled. These data reveal a novel chemotherapy resistance mechanism in this poor prognosis subtype of breast cancer. We conclude that systemic chemotherapy failure in some TNBC patients is caused by co-opting the LXRalpha:P-glycoprotein axis, a pathway highly targetable by therapies that are already used for prevention and treatment of other diseases.

The ATR kinase, which coordinates cellular responses to DNA replication stress, is also essential for the proliferation of normal unstressed cells. Although its role in the replication stress response is well defined, the mechanisms by which ATR supports normal cell proliferation remain elusive. Here, we show that ATR is dispensable for the viability of G0-arrested naïve B cells. However, upon cytokine-induced proliferation, Atr-deficient B cells initiate DNA replication efficiently in early S phase, but by mid-S phase they display dNTP depletion, fork stalling, and replication failure. Nonetheless, productive DNA replication can be restored in Atr-deficient cells by pathways that suppress origin firing, such as downregulation of CDC7 and CDK1 kinase activities. Together, these findings indicate that ATR supports the proliferation of normal unstressed cells by tempering the pace of origin firing during the early S phase to avoid exhaustion of dNTPs and other replication factors.