Mechanisms of mono- and poly-ubiquitination : ubiquitination specificity depends on compatibility between the E2 catalytic core and amino acid residues proximal to the lysine

Ubiquitination involves the attachment of ubiquitin to lysine residues on substrate proteins or itself, which can result in protein monoubiquitination or polyubiquitination. Ubiquitin attachment to different lysine residues can generate diverse substrate-ubiquitin structures, targeting proteins to different fates. The mechanisms of lysine selection are not well understood. Ubiquitination by the largest group of E3 ligases, the RING-family E3 s, is catalyzed through co-operation between the non-catalytic ubiquitin-ligase (E3) and the ubiquitin-conjugating enzyme (E2), where the RING E3 binds the substrate and the E2 catalyzes ubiquitin transfer. Previous studies suggest that ubiquitination sites are selected by E3-mediated positioning of the lysine toward the E2 active site. Ultimately, at a catalytic level, ubiquitination of lysine residues within the substrate or ubiquitin occurs by nucleophilic attack of the lysine residue on the thioester bond linking the E2 catalytic cysteine to ubiquitin. One of the best studied RING E3/ E2 complexes is the Skp1/Cul1/F box protein complex, SCFCdc4, and its cognate E2, Cdc34, which target the CDK inhibitor Sic1 for K48-linked polyubiquitination, leading to its proteasomal degradation. Our recent studies of this model system demonstrated that residues surrounding Sic1 lysines or lysine 48 in ubiquitin are critical for ubiquitination. This sequence-dependence is linked to evolutionarily conserved key residues in the catalytic region of Cdc34 and can determine if Sic1 is mono- or poly-ubiquitinated. Our studies indicate that amino acid determinants in the Cdc34 catalytic region and their compatibility to those surrounding acceptor lysine residues play important roles in lysine selection. This may represent a general mechanism in directing the mode of ubiquitination in E2 s.

RNF220, an E3 ubiquitin ligase that targets Sin3B for ubiquitination

Modification of proteins by ubiquitination plays important roles in various cellular processes. During this process, the target specificity is determined by ubiquitin ligases. Here we identify RNF220 (RING finger protein 220) as a novel ubiquitin ligase for Sin3B. As a conserved RING protein, RNF220 can bind E2 and mediate auto-ubiquitination of itself. Through a yeast two-hybrid screen, we isolated Sin3B as one of its targets, which is a scaffold protein of the Sin3/HDAC (histone deacetylase) corepressor complex. RNF220 specifically interacts with Sin3B both in vitro and in vivo. Sin3B can be regulated by the ubiquitin-proteasome system. Co-expression of RNF220 promotes the ubiquitination and proteasomal degradation of Sin3B. Taken together, these results reveal a new mechanism for regulating the Sin3/HDAC complex. (C) 2010 Elsevier Inc. All rights reserved.

Characterization of TRAF6 mediated ubiquitination of presenilins and γ-secretase substrates

Post-translational modification of the γ-secretase protease complexes and their substrates has an important role in controlling receptor-initiated signalling events, which are critically important in the pathogenesis of cancer, inflammatory and Alzheimer’s disease. Our lab has previously characterised an interaction between TRAF6 and presenilin-1, which lead to the identification of interleukin-1 (IL-1) receptor type 1 (IL-1R1) and Toll-like receptor-4 (TLR4) as novel γ-secretase substrates. Subsequently our group showed that TRAF6 promoted ubiquitination and γ-secretase cleavage of IL-1R1. The aim of this project is to study the association between TRAF6 and the presenilins, the critical γ-secretase complex components, and to determine the functional importance of TRAF6-mediated ubiquitination of γ-secretase substrates. Firstly, we show that the full-length presenilins are novel substrates of TRAF6-mediated Lysine-63-linked polyubiquitination. Secondly, we show that co-expression of TRAF6 and the presenilins increases the stability and alters the turnover of the presenilins. Thirdly, we reveal that TRAF6-mediated ubiquitination of presenilin does not affect γ-secretase enzyme activity, but may regulate the full-length presenilin functions such as ER Ca2+ signalling. Previously, we have reported IL-1R1 as a novel substrate of TRAF6-mediated ubiquitination. In this study, we identified five lysine residues in the IL-1R1 intracellular domain targeted by TRAF6-mediated polyubiquitination. Furthermore, mutagenesis of these five lysine residues led to decreased IL-1R1 cell surface expression, precluded the ectodomain shedding and attenuated the responsiveness to IL-1β stimulation, demonstrating the critical role of TRAF6 in IL-1R1 trafficking.

beta-arrestin-1 competitively inhibits insulin-induced ubiquitination and degradation of insulin receptor substrate 1.

beta-arrestin-1 is an adaptor protein that mediates agonist-dependent internalization and desensitization of G-protein-coupled receptors (GPCRs) and also participates in the process of heterologous desensitization between receptor tyrosine kinases and GPCR signaling. In the present study, we determined whether beta-arrestin-1 is involved in insulin-induced insulin receptor substrate 1 (IRS-1) degradation. Overexpression of wild-type (WT) beta-arrestin-1 attenuated insulin-induced degradation of IRS-1, leading to increased insulin signaling downstream of IRS-1. When endogenous beta-arrestin-1 was knocked down by transfection of beta-arrestin-1 small interfering RNA, insulin-induced IRS-1 degradation was enhanced. Insulin stimulated the association of IRS-1 and Mdm2, an E3 ubiquitin ligase, and this association was inhibited to overexpression of WT beta-arrestin-1, which led by decreased ubiquitin content of IRS-1, suggesting that both beta-arrestin-1 and IRS-1 competitively bind to Mdm2. In summary, we have found the following: (i) beta-arrestin-1 can alter insulin signaling by inhibiting insulin-induced proteasomal degradation of IRS-1; (ii) beta-arrestin-1 decreases the rate of ubiquitination of IRS-1 by competitively binding to endogenous Mdm2, an E3 ligase that can ubiquitinate IRS-1; (iii) dephosphorylation of S412 on beta-arrestin and the amino terminus of beta-arrestin-1 are required for this effect of beta-arrestin on IRS-1 degradation; and (iv) inhibition of beta-arrestin-1 leads to enhanced IRS-1 degradation and accentuated cellular insulin resistance.

Fgr but not Syk tyrosine kinase is a target for beta2 integrin-induced c-Cbl-mediated ubiquitination in adherent human neutrophils

An early and critical event in beta2 integrin signalling during neutrophil adhesion is activation of Src tyrosine kinases and Syk. In the present study, we report Src kinase-dependent beta2 integrin-induced tyrosine phosphorylation of Cbl occurring in parallel with increased Cbl-associated tyrosine kinase activity. These events concurred with activation of Fgr and, surprisingly, also with dissociation of this Src tyrosine kinase from Cbl. Moreover, the presence of the Src kinase inhibitor PP1 in an in vitro assay had only a limited effect on the Cbl-associated kinase activity. These results suggest that an additional active Src-dependent tyrosine kinase associates with Cbl. The following observations imply that Syk is such a kinase: (i) beta2 integrins activated Syk in a Src-dependent manner, (ii) Syk was associated with Cbl much longer than Fgr was, and (iii) the Syk inhibitor piceatannol (3,4,3´,5´-tetrahydroxy-trans-stilbene) abolished the Cbl-associated kinase activity in an in vitro assay. Effects of the mentioned interactions between these two kinases and Cbl may be related to the finding that Cbl is a ubiquitin E3 ligase. Indeed, we detected beta2 integrin-induced ubiquitination of Fgr that, similar to the phosphorylation of Cbl, was abolished in cells pretreated with PP1. However, the ubiquitination of Fgr did not cause any apparent degradation of the protein. In contrast with Fgr, Syk was not modified by the E3 ligase. Thus Cbl appears to be essential in beta2 integrin signalling, first by serving as a matrix for a subsequent agonist-induced signalling interaction between Fgr and Syk, and then by mediating ubiquitination of Fgr which possibly affects its interaction with Cbl.

Secretory leucoprotease inhibitor prevents lipopolysaccharide-induced Ikappa Balpha degradation without affecting phosphorylation or ubiquitination

We demonstrate that SLPI can inhibit lipopolysaccharide-induced NF-kappaB activation in monocytes by preventing degradation of the key regulatory protein IkappaBalpha which is inefficiently degraded by the ubiquitin-proteasome pathway due to a direct effect of SLPI on the activity of this pathway. I designed this project and carried out all of the experiments.

Stabilization of Mdm2 via decreased ubiquitination is mediated by protein kinase B/Akt-dependent phosphorylation

The tumor suppressor p53 is commonly inhibited under conditions in which the phosphatidylinositide 3'-OH kinase/protein kinase B (PKB) Akt pathway is activated. Intracellular levels of p53 are controlled by the E3 ubiquitin ligase Mdm2. Here we show that PKB inhibits Mdm2 self-ubiquitination via phosphorylation of Mdm2 on Ser(166) and Ser(188). Stimulation of human embryonic kidney 293 cells with insulin-like growth factor-1 increased Mdm2 phosphorylation on Ser(166) and Ser(188) in a phosphatidylinositide 3'-OH kinase-dependent manner, and the treatment of both human embryonic kidney 293 and COS-1 cells with phosphatidylinositide 3'-OH kinase inhibitor LY-294002 led to proteasome-mediated Mdm2 degradation. Introduction of a constitutively active form of PKB together with Mdm2 into cells induced phosphorylation of Mdm2 at Ser(166) and Ser(188) and stabilized Mdm2 protein. Moreover, mouse embryonic fibroblasts lacking PKBalpha displayed reduced Mdm2 protein levels with a concomitant increase of p53 and p21(Cip1), resulting in strongly elevated apoptosis after UV irradiation. In addition, activation of PKB correlated with Mdm2 phosphorylation and stability in a variety of human tumor cells. These findings suggest that PKB plays a critical role in controlling of the Mdm2.p53 signaling pathway by regulating Mdm2 stability.

Regulation of Nedd4-2 self-ubiquitination and stability by a PY motif located within its HECT-domain.

Ubiquitin ligases play a pivotal role in substrate recognition and ubiquitin transfer, yet little is known about the regulation of their catalytic activity. Nedd4 (neural-precursor-cell-expressed, developmentally down-regulated 4)-2 is an E3 ubiquitin ligase composed of a C2 domain, four WW domains (protein-protein interaction domains containing two conserved tryptophan residues) that bind PY motifs (L/PPXY) and a ubiquitin ligase HECT (homologous with E6-associated protein C-terminus) domain. In the present paper we show that the WW domains of Nedd4-2 bind (weakly) to a PY motif (LPXY) located within its own HECT domain and inhibit auto-ubiquitination. Pulse-chase experiments demonstrated that mutation of the HECT PY-motif decreases the stability of Nedd4-2, suggesting that it is involved in stabilization of this E3 ligase. Interestingly, the HECT PY-motif mutation does not affect ubiquitination or down-regulation of a known Nedd4-2 substrate, ENaC (epithelial sodium channel). ENaC ubiquitination, in turn, appears to promote Nedd4-2 self-ubiquitination. These results support a model in which the inter- or intra-molecular WW-domain-HECT PY-motif interaction stabilizes Nedd4-2 by preventing self-ubiquitination. Substrate binding disrupts this interaction, allowing self-ubiquitination of Nedd4-2 and subsequent degradation, resulting in down-regulation of Nedd4-2 once it has ubiquitinated its target. These findings also point to a novel mechanism employed by a ubiquitin ligase to regulate itself differentially compared with substrate ubiquitination and stability.

Interactions protéiques et relation dynamique entre phosphorylation / sumoylation / ubiquitination des protéines TIF1α, β et PML: détection in vivo par BRET

Trois protéines de la famille TRIM (Motif TRIpartite), TIF1α, β (Transcriptional Intermediary Factor 1) et PML (ProMyelocytic Leukaemia¬), font l’objet de cette étude. TIF1α est connu comme un coactivateur des récepteurs nucléaires et TIF1β comme le corépresseur universel des protéines KRAB-multidoigt de zinc dont le prototype étudié ici est ZNF74. PML possède divers rôles dont le plus caractérisé est celui d’être l’organisateur principal et essentiel des PML-NBs (PML-Nuclear Bodies), des macrostructures nucléaires très dynamiques regroupant et coordonnant plus de 40 protéines. Il est à noter que la fonction de TIF1α, β et PML est régulée par une modification post-traductionnelle, la sumoylation, qui implique le couplage covalent de la petite protéine SUMO (Small Ubiquitin like MOdifier) à des lysines de ces trois protéines cibles. Cette thèse propose de développer des méthodes utilisant le BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfert) afin de détecter dans des cellules vivantes et en temps réel des interactions non-covalentes de protéines nucléaires mais aussi leur couplage covalent à SUMO. En effet, le BRET n’a jamais été exploré jusqu’alors pour étudier les interactions non-covalentes et covalentes de protéines nucléaires. L’étude de l’interaction de protéines transcriptionnellement actives est parfois difficile par des méthodes classiques du fait de leur grande propension à agréger (famille TRIM) ou de leur association à la matrice nucléaire (ZNF74). L’homo et l’hétérodimérisation de TIF1α, β ainsi que leur interaction avec ZNF74 sont ici testées sur des protéines entières dans des cellules vivantes de mammifères répondant aux résultats conflictuels de la littérature et démontrant que le BRET peut être avantageusement utilisé comme alternative aux essais plus classiques basés sur la transcription. Du fait de l’hétérodimérisation confirmée de TIF1α et β, le premier article présenté ouvre la possibilité d’une relation étroite entre les récepteurs nucléaires et les protéines KRAB- multidoigt de zinc. Des études précédentes ont démontré que la sumoylation de PML est impliquée dans sa dégradation induite par l’As2O3 et dépendante de RNF4, une E3 ubiquitine ligase ayant pour substrat des chaînes de SUMO (polySUMO). Dans le second article, grâce au développement d’une nouvelle application du BRET pour la détection d’interactions covalentes et non-covalentes avec SUMO (BRETSUMO), nous établissons un nouveau lien entre la sumoylation de PML et sa dégradation. Nous confirmons que le recrutement de RNF4 dépend de SUMO mais démontrons également l’implication du SBD (Sumo Binding Domain) de PML dans sa dégradation induite par l’As2O3 et/ou RNF4. De plus, nous démontrons que des sérines, au sein du SBD de PML, qui sont connues comme des cibles de phosphorylation par la voie de la kinase CK2, régulent les interactions non-covalentes de ce SBD mettant en évidence, pour la première fois, que les interactions avec un SBD peuvent dépendre d’un évènement de phosphorylation (“SBD phospho-switch”). Nos résultats nous amènent à proposer l’hypothèse que le recrutement de PML sumoylé au niveau des PML-NBs via son SBD, favorise le recrutement d’une autre activité E3 ubiquitine ligase, outre celle de RNF4, PML étant lui-même un potentiel candidat. Ceci suggère l’existence d’une nouvelle relation dynamique entre phosphorylation, sumoylation et ubiquitination de PML. Finalement, il est suggéré que PML est dégradé par deux voies différentes dépendantes de l’ubiquitine et du protéasome; la voie de CK2 et la voie de RNF4. Enfin une étude sur la sumoylation de TIF1β est également présentée en annexe. Cette étude caractérise les 6 lysines cibles de SUMO sur TIF1β et démontre que la sumoylation est nécessaire à l’activité répressive de TIF1β mais n’est pas impliquée dans son homodimérisation ou son interaction avec la boîte KRAB. La sumoylation est cependant nécessaire au recrutement d’histones déacétylases, dépendante de son homodimérisation et de l’intégrité du domaine PHD. Alors que l’on ne connaît pas de régulateur physiologique de la sumoylation outre les enzymes directement impliquées dans la machinerie de sumoylation, nous mettons en évidence que la sumoylation de TIF1β est positivement régulée par son interaction avec le domaine KRAB et suggérons que ces facteurs transcriptionnels recrutent TIF1β à l’ADN au niveau de promoteur et augmentent son activité répressive en favorisant sa sumoylation.

Régulation des chaperons de la présentation antigénique par ubiquitination

La chaîne invariante forme un complexe nonamérique avec les molécules classiques du CMH de classe II. HLA-DM et HLA-DO, des molécules non-classiques de classe II, sont aussi impliquées dans la présentation des peptides antigéniques aux lymphocytes T. Ces molécules chaperones de la présentation antigénique modulent la capacité d’une cellule à présenter des antigènes par les moloécules classiques du CMH de classe II. La régulation transcriptionnelle des molécules chaperones, tout comme celle des autres molécules du CMH de classe II, est assurée par le transactivateur CIITA. La molécule HLA-DR peut être régulée négativement de manière post-traductionnelle par ubiquitination grâce à l’enzyme E3 ubiquitine ligase MARCH1. Celle-ci est induite par l’interleukine-10 dans les monocytes. L’objectif de ce projet était de déterminer si l’ubiquitination par MARCH1 peut aussi réguler l’expression des molécules chaperones de la présentation antigénique. Les expériences furent réalisées dans le contexte de co-transfections en cellules HEK293T. L’expression des molécules fut évaluée par immunomarquages et cytométrie de flux. Il a été montré que l’isoforme p33 de la chaîne invariante est régulé négativement en présence de MARCH1 à partir de la surface cellulaire, causant ainsi sa dégradation. Tel que démontré par l’utilisation d’un mutant dépourvu de queue cytoplasmique, cette dernière région n’est pas indispensable à ce phénomène. Une hypothèse est qu’une molécule non-identifiée, associée à Ii, serait ubiquitinée par MARCH1, l’entraînant dans sa régulation négative. Il fut déterminer que cette molécule n’était pas CXCR2, un récepteur pouvant être impliqué, avec la chaîne invariante et CD44, en tant que récepteur de MIF (Macrophage Inhibitory Factor). Il fut aussi montré que HLA-DO peut être ciblé par MARCH1 mais ceci ne semble pas être un phénomène dominant; l’expression des complexes DO/DM n’étant pas affectée bien qu’ils entrent en interaction avec MARCH1. L’expression de HLA-DM n’est pas affectée par MARCH1. Il n’a toutefois pas été déterminé hors de tout doute si MARCH1 peut modifier DM; des résultats obtenus avec une queue cytoplasmique de DM possédant une lysine laissant suggérer qu’il est possible que MARCH1 interagisse avec DM. Dans l’ensemble, les travaux démontrent que l’ubiquitination par MARCH1 joue un rôle dans la régulation post-transcriptionnelle de la chaîne invariante p33 mais pas HLA-DO et HLA-DM.

Enrichissement de protéines ubiquitinées et une nouvelle approche protéomique pour l'identification des sites d'ubiquitination

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

The role of ubiquitination and deubiquitination in the regulation of BRCA1 function during genotoxic stress

BRCA1 est un suppresseur de tumeur majeur jouant un rôle dans la transcription, la réparation de l’ADN et le maintien de la stabilité génomique. En effet, des mutations dans le gène BRCA1 augmentent considerablement le risque de cancers du sein et de l’ovaire. BRCA1 a été en majorité caractérisé pour son rôle dans la réparation de l’ADN par la voie de recombinaison homologue (HR) en présence de bris double brins, par example, induits par l’irradiation gamma (IR). Cependant, la fonction de BRCA1 dans d’autres voies de réparation de l’ADN, comme la réparation par excision de nucléotides (NER) ou par excision de base (BER), demeurent toutefois obscures. Il est donc important de comprendre la régulation de BRCA1 en présence d’agents génotoxiques comme le méthyle méthanesulfonate (MMS) ou l’UV, qui promouvoient le BER et le NER respectivement. Nos observations suggèrent que BRCA1 est dégradée par le protéasome après traitement avec le MMS ou les UV, et non avec l’IR. Par ailleurs, cette dégradation semble compromettre le recrutement de Rad51, suggérant que la voie de HR est inhibée. Nos résultats suggèrent que la HR est inhibée afin d’éviter l’activation simultanée de multiples voies de réparation. Nous avons aussi observé que la dégradation BRCA1 est réversible et que la restauration des niveaux de BRCA1 coïncide avec le recrutement de Rad51 aux sites de dommages. Cela suggère que la HR est réactivée tardivement par les bris double brins générés suite à l’effondrement des fourches de réplication. Ayant observé que BRCA1 est hautement régulé par l’ubiquitination et est ciblé par le protéasome pour dégradation, nous avons émis une hypothèse que BRCA1 est régulé par des déubiquitinases. Cela amène à caractériser plus en profondeur par un criblage en déplétant les déubiquitinases individuellement par RNAi et en observant leur effet sur le recrutement de BRCA1 et des protéines reliées à cette voie. Un criblage préliminaire nous a permi d’identifié candidats potentiels tel que BAP1, CXORF53, DUB3, OTUB1 et USP36.

Endosomal deubiquitinating enzymes control ubiquitination and down-regulation of protease-activated receptor 2

The E3 ubiquitin ligase c-Cbl ubiquitinates the G protein-coupled receptor protease-activated receptor 2 (PAR(2)), which is required for postendocytic sorting of activated receptors to lysosomes, where degradation terminates signaling. The mechanisms of PAR(2) deubiquitination and its importance in trafficking and signaling of endocytosed PAR(2) are unknown. We report that receptor deubiquitination occurs between early endosomes and lysosomes and involves the endosomal deubiquitinating proteases AMSH and UBPY. Expression of the catalytically inactive mutants, AMSH(D348A) and UBPY(C786S), caused an increase in PAR(2) ubiquitination and trapped the receptor in early endosomes, thereby preventing lysosomal trafficking and degradation. Small interfering RNA knockdown of AMSH or UBPY also impaired deubiquitination, lysosomal trafficking, and degradation of PAR(2). Trapping PAR(2) in endosomes through expression of AMSH(D348A) or UBPY(C786S) did not prolong the association of PAR(2) with beta-arrestin2 or the duration of PAR(2)-induced ERK2 activation. Thus, AMSH and UBPY are essential for trafficking and down-regulation of PAR(2) but not for regulating PAR(2) dissociation from beta-arrestin2 or PAR(2)-mediated ERK2 activation.

c-Cbl mediates ubiquitination, degradation, and down-regulation of human protease-activated receptor 2

Mechanisms that arrest G-protein-coupled receptor (GPCR) signaling prevent uncontrolled stimulation that could cause disease. Although uncoupling from heterotrimeric G-proteins, which transiently arrests signaling, is well described, little is known about the mechanisms that permanently arrest signaling. Here we reported on the mechanisms that terminate signaling by protease-activated receptor 2 (PAR(2)), which mediated the proinflammatory and nociceptive actions of proteases. Given its irreversible mechanism of proteolytic activation, PAR(2) is a model to study the permanent arrest of GPCR signaling. By immunoprecipitation and immunoblotting, we observed that activated PAR(2) was mono-ubiquitinated. Immunofluorescence indicated that activated PAR(2) translocated from the plasma membrane to early endosomes and lysosomes where it was degraded, as determined by immunoblotting. Mutant PAR(2) lacking intracellular lysine residues (PAR(2)Delta14K/R) was expressed at the plasma membrane and signaled normally but was not ubiquitinated. Activated PAR(2) Delta14K/R internalized but was retained in early endosomes and avoided lysosomal degradation. Activation of wild type PAR(2) stimulated tyrosine phosphorylation of the ubiquitin-protein isopeptide ligase c-Cbl and promoted its interaction with PAR(2) at the plasma membrane and in endosomes in an Src-dependent manner. Dominant negative c-Cbl lacking the ring finger domain inhibited PAR(2) ubiquitination and induced retention in early endosomes, thereby impeding lysosomal degradation. Although wild type PAR(2) was degraded, and recovery of agonist responses required synthesis of new receptors, lysine mutation and dominant negative c-Cbl impeded receptor ubiquitination and degradation and allowed PAR(2) to recycle and continue to signal. Thus, c-Cbl mediated ubiquitination and lysosomal degradation of PAR(2) to irrevocably terminate signaling by this and perhaps other GPCRs.