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.

Large scale identification of protein SUMOylation by mass spectrometry in HEK293 cells

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Régulation dynamique de l’activité du récepteur des estrogènes beta (ERβ) par la phosphorylation,l’ubiquitination et la sumoylation

Les estrogènes jouent un rôle primordial dans le développement et le fonctionnement des tissus reproducteurs par leurs interactions avec les récepteurs des estrogènes ERα et ERβ. Ces récepteurs nucléaires agissent comme facteurs de transcription et contrôlent l’expression des gènes de façon hormono-dépendante et indépendante grâce à leurs deux domaines d’activation (AF-1 et AF-2). Une dérégulation de leur activité transcriptionnelle est souvent à l’origine de pathologies telles que le cancer du sein, de l’endomètre et des ovaires. Alors que ERα est utilisé comme facteur pronostic pour l’utilisation d’agents thérapeutiques, l’importance de la valeur clinique de ERβ est encore controversée. Toutefois, des évidences récentes lui associent un pouvoir anti-tumorigénique en démontrant que sa présence favorise l’inhibition de la progression de ces cancers ainsi que l’efficacité des traitements. En combinaisons avec d’autres études, ces observations démontrent que bien que les deux isoformes partagent une certaine similitude d’action, les ERs sont en mesure d’exercer des fonctions distinctes. Ces différences sont fortement attribuables au faible degré d’homologie observé entre certains domaines structuraux des ERs, comme le domaine AF-1, ce qui fait en sorte que les différents sites de modifications post-traductionnelles (MPTs) présents sur les ERs sont très peu conservés entre les isoformes. Or, l’activité transcriptionnelle ligand-dépendante et indépendante des ERs est hautement régulée par les MPTs. Elles sont impliquées à tous les niveaux de l’activation des ERs incluant la liaison et la sensibilité au ligand, la localisation cellulaire, la dimérisation, l’interaction avec l’ADN, le recrutement de corégulateurs transcriptionnels, la stabilité et l’arrêt de la transcription. Ainsi, de par leur dissimilitude, les ERs seront différemment régulés par la signalisation cellulaire. Comme un débalancement de plusieurs voies de signalisation ont été associées à la progression de tumeurs ER-positives ainsi qu’au développement d’une résistance, une meilleure compréhension de l’impact des MPTs sur la régulation spécifique des ERs s’avère essentielle en vue de proposer et/ou développer des traitements adéquats pour les cancers gynécologiques. Les résultats présentés dans cette thèse ont pour objectif de mieux comprendre les rôles des MPTs sur l’activité transcriptionnelle de ERβ qui sont, contrairement à ERα, très peu connus. Nous démontrons une régulation dynamique de ERβ par la phosphorylation, l’ubiquitination et la sumoylation. De plus, toutes les MPTs nouvellement découvertes par mes recherches se situent dans l’AF-1 de ERβ et permettent de mieux comprendre le rôle capital joué par ce domaine dans la régulation de l’activité ligand-dépendante et indépendante du récepteur. Dans la première étude, nous observons qu’en réponse aux MAPK, l’AF-1 de ERβ est phosphorylé au niveau de sérines spécifiques et qu’elles jouent un rôle important dans la régulation de l’activité ligand-indépendante de ERβ par la voie ubiquitine-protéasome. En effet, la phosphorylation de ces sérines régule le cycle d’activation-dégradation de ERβ en modulant son ubiquitination, sa mobilité nucléaire et sa stabilité en favorisant le recrutement de l’ubiquitine ligase E6-AP. De plus, ce mécanisme d’action semble être derrière la régulation différentielle de l’activité de ERα et ERβ observée lors de l’inhibition du protéasome. Dans le second papier, nous démontrons que l’activité et la stabilité de ERβ en présence d’estrogène sont étroitement régulées par la sumoylation phosphorylation-dépendante de l’AF-1, processus hautement favorisé par l’action de la kinase GSK-3. La sumoylation de ERβ par SUMO-1 prévient la dégradation du récepteur en entrant en compétition avec l’ubiquitination au niveau du même site accepteur. De plus, contrairement à ERα, SUMO-1 réprime l’activité de ERβ en altérant son interaction avec l’ADN et l’expression de ses gènes cibles dans les cellules de cancers du sein. Également, ces recherches ont permis d’identifier un motif de sumoylation dépendant de la phosphorylation (pSuM) jusqu’à lors inconnu de la communauté scientifique, offrant ainsi un outil supplémentaire à la prédiction de nouveau substrat de la sumoylation. En plus de permettre une meilleure compréhension du rôle des signaux intracellulaires dans la régulation de l’activité transcriptionnelle de ERβ, nos résultats soulignent l’importance des MPTs dans l’induction des différences fonctionnelles observées entre ERα et ERβ et apportent des pistes supplémentaires à la compréhension de leurs rôles physiopathologiques respectifs.

Rôle de la Prohibitine et de la sumoylation dans la pathogenèse de l’ostéoarthrose

L'ostéoarthrose (OA) est la forme la plus commune d’arthrite et son étiologie demeure encore méconnue. Les travaux du Dr Moreau et son équipe ont permis de mettre en évidence une quasi perte d’expression du facteur de transcription Pitx1 dans les chondrocytes OA et la protéine PHB-1 a été identifiée comme étant membre d’un complexe répresseur pouvant lier le promoteur de Pitx1. Le but de la présente étude était de confirmer l’accumulation anormale de PHB-1 dans le noyau des chondrocytes OA, tel que suggéré par des données préliminaires, et d’identifier les mécanismes impliqués dans son import ou rétention au noyau. Pour ce faire, un volet mécanistique utilisant les lignées C28/I2 et U2OS fut combiné à l’étude clinique des chondrocytes articulaires de patients OA et de sujets sains. Les résultats de cette étude démontrent que chez 55 pourcent des patients OA, la Prohibitine s’accumule dans le noyau des chondrocytes articulaires et que cette accumulation corrèle avec une augmentation de la sumoylation totale dans le noyau des cellules OA. Le présent projet de recherche propose pour la première fois qu’une sumoylation accrue au sein des cellules OA pourrait être responsable de l’accumulation nucléaire de PHB-1, médiée par sa liaison aux protéines SUMO-1 via un domaine de liaison aux SUMOs (SBM) localisé aux résidus 76 à 79 de PHB-1. Les résultats de cette étude ont aussi permis de mettre en évidence que dans les chondrocytes OA, les protéines SUMO-1 et SUMO-2/3 s’accumulent dans des corps nucléaires de type PML, suggérant un recrutement de protéines interagissant avec les SUMOs au sein de ces structures dans les cellules OA. Nous sommes persuadés que cette étude générera des retombées importantes non seulement au niveau fondamental pour la compréhension des mécanismes moléculaires liés à la biologie des chondrocytes articulaires, mais aussi au niveau du développement d’outils génétiques permettant le dépistage de l’arthrose à un stade précoce.

Increased protein SUMOylation following focal cerebral ischemia

Stroke is a major cause of death and disability, which involves excessive glutamate receptor activation leading to excitotoxic cell death. We recently reported that SUMOylation can regulate kainate receptor (KAR) function. Here we investigated changes in protein SUMOylation and levels of KAR and AMPA receptor subunits in two different animal stroke models: a rat model of focal ischemia with reperfusion and a mouse model without reperfusion. In rats, transient middle cerebral artery occlusion (MCAO) resulted in a striatal and cortical infarct. A dramatic increase in SUMOylation by both SUMO-1 and SUMO-2/3 was observed at 6h and 24h in the striatal infarct area and by SUMO-2/3 at 24h in the hippocampus, which was not directly subjected to ischemia. In mice, permanent MCAO resulted in a selective cortical infarct. No changes in SUMOylation occurred at 6h but there was increased SUMO-1 conjugation in the cortical infarct and non-ischemic hippocampus at 24h after MCAO. Interestingly, SUMOylation by SUMO-2/3 occurred only outside the infarct area. In both rat and mouse levels of KARs were only decreased in the infarct regions whereas AMPARs were decreased in the infarct and in other brain areas. These results suggest that posttranslational modification by SUMO and down-regulation of AMPARs and KARs may play important roles in the pathophysiological response to ischemia.

Investigating the mechanisms underlying neuronal death in ischemia using in vitro oxygen-glucose deprivation: potential involvement of protein SUMOylation

It is well established that brain ischemia can cause neuronal death via different signaling cascades. The relative importance and interrelationships between these pathways, however, remain poorly understood. Here is presented an overview of studies using oxygen-glucose deprivation of organotypic hippocampal slice cultures to investigate the molecular mechanisms involved in ischemia. The culturing techniques, setup of the oxygen-glucose deprivation model, and analytical tools are reviewed. The authors focus on SUMOylation, a posttranslational protein modification that has recently been implicated in ischemia from whole animal studies as an example of how these powerful tools can be applied and could be of interest to investigate the molecular pathways underlying ischemic cell death.

SUMOylation: novel neuroprotective approach for Alzheimer's disease?

Alzheimer's disease (AD) is a progressive neurodegenerative disease characterized in the brain by the formation of amyloid-beta (Aβ)-containing plaques and neurofibrillary tangles containing the microtubule-associated protein tau. Neuroinflammation is another feature of AD and astrocytes are receiving increasing attention as key contributors. Although some progress has been made, the molecular mechanisms underlying the pathophysiology of AD remain unclear. Interestingly, some of the main proteins involved in AD, including amyloid precursor protein (APP) and tau, have recently been shown to be SUMOylated. The post-translational modification by SUMO (small ubiquitin-like modifier) has been shown to regulate APP and tau and may modulate other proteins implicated in AD. Here we present an overview of recent studies suggesting that protein SUMOylation might be involved in the underlying pathogenic mechanisms of AD and discuss how this could be exploited for therapeutic intervention.

MxA interacts with and is modified by the SUMOylation machinery

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Ubiquitylation and SUMOylation of Cardiac Ion Channels

Cardiac ion channels play an essential role in the generation of the action potential of cardiomyocytes. Over the past 15 years, a new field of research called channelopathies has emerged; it regroups all diseases caused by ion channel dysfunction. Investigators have largely determined the physiological roles of cardiac ion channels, but little is known about the molecular determinants of their regulation. Two post-translational mechanisms that are crucial in determining the fate of proteins are ubiquitylation and the SUMOylation pathways, which lead to the degradation and/or regulation of modified proteins. Recently, several groups have investigated the physiological impacts of these mechanisms on the regulation of different classes of cardiac ion channels. The objective of this review is to summarize and briefly discuss these results.

SUMO-SPECIFIC PROTEASE 1 CONTROLS LYMPHOID DEVELOPMENT THROUGH REGULATION OF SUMOYLATION/ACETYLATION SWITCH IN STAT5

SUMOylation has emerged as an important regulatory mechanism for protein function. SUMO-specific proteases (SENPs) are essential for removing SUMO from conjugated proteins in many different systems, but the physiological functions of SENPs are poorly understood. STAT5 (Signal Transducer and Activator of Transcription 5) plays a critical role in the development of lymphoid cells. However, it is not known whether STAT5 is regulated by the SUMOylation pathway. Here, we showed that SUMOylated STAT5 is accumulated in SENP1-/- lymphoid precursors. SENP1 deficiency results in severe defects in early T and B cell development, similar to that observed in mice harboring a complete inactivation of STAT5. Because STAT5 is SUMOylated and acetylated at the same lysine residue, SENP1 deficiency blocks STAT5 in the SUMOylation state, resulting in diminished STAT5 acetylation and phosphorylation, and defective lymphoid development. Thus, our results reveal a novel function of SENP1 in the regulation of early lymphoid development via an acetylation/SUMOylation switch in STAT5.

SUMOylation represses SnRK1 signaling in Arabidopsis

The SnRK1 protein kinase balances cellular energy levels in accordance with extracellular conditions and is thereby key for plant stress tolerance. In addition, SnRK1 has been implicated in numerous growth and developmental processes from seed filling and maturation to flowering and senescence. Despite its importance, the mechanisms that regulate SnRK1 activity are poorly understood. Here, we demonstrate that the SnRK1 complex is SUMOylated on multiple subunits and identify SIZ1 as the E3 Small Ubiquitin-like Modifier (SUMO) ligase responsible for this modification. We further show that SnRK1 is ubiquitinated in a SIZ1-dependent manner, causing its degradation through the proteasome. In consequence, SnRK1 degradation is deficient in siz1-2 mutants, leading to its accumulation and hyperactivation of SnRK1 signaling. Finally, SnRK1 degradation is strictly dependent on its activity, as inactive SnRK1 variants are aberrantly stable but recover normal degradation when expressed as SUMO mimetics. Altogether, our data suggest that active SnRK1 triggers its own SUMOylation and degradation, establishing a negative feedback loop that attenuates SnRK1 signaling and prevents detrimental hyperactivation of stress responses.

Investigating the Effect of Histone H4 Sumoylation on Chromatin Structure and Function

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Identification de la sumoylation de ZNF74 et de l'interaction de cette protéine à multidoigt de zinc avec UBC9 et PIAS1

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.