Vasopressin-inducible ubiquitin-specific protease 10 increases ENaC cell surface expression by deubiquitylating and stabilizing sorting nexin 3

Adjustment of Na+ balance in extracellular fluids is achieved by regulated Na+ transport involving the amiloride-sensitive epithelial Na+ channel (ENaC) in the distal nephron. In this context, ENaC is controlled by a number of hormones, including vasopressin, which promotes rapid translocation of water and Na+ channels to the plasma membrane and long-term effects on transcription of vasopressin-induced and -reduced transcripts. We have identified a mRNA encoding the deubiquitylating enzyme ubiquitin-specific protease 10 (Usp10), whose expression is increased by vasopressin at both the mRNA and the protein level. Coexpression of Usp10 in ENaC-transfected HEK-293 cells causes a more than fivefold increase in amiloride-sensitive Na+ currents, as measured by whole cell patch clamping. This is accompanied by a three- to fourfold increase in surface expression of alpha- and gamma-ENaC, as shown by cell surface biotinylation experiments. Although ENaC is well known to be regulated by its direct ubiquitylation, Usp10 does not affect the ubiquitylation level of ENaC, suggesting an indirect effect. A two-hybrid screen identified sorting nexin 3 (SNX3) as a novel substrate of Usp10. We show that it is a ubiquitylated protein that is degraded by the proteasome; interaction with Usp10 leads to its deubiquitylation and stabilization. When coexpressed with ENaC, SNX3 increases the channel's cell surface expression, similarly to Usp10. In mCCD(cl1) cells, vasopressin increases SNX3 protein but not mRNA, supporting the idea that the vasopressin-induced Usp10 deubiquitylates and stabilizes endogenous SNX3 and consequently promotes cell surface expression of ENaC

Mice carrying ubiquitin-specific protease 2 (Usp2) gene inactivation maintain normal sodium balance and blood pressure.

Ubiquitylation plays an important role in the control of NaS14; homeostasis by the kidney. It is well established that the epithelial NaS14; channel ENaC is regulated by the ubiquitin-protein ligase NEDD4-2, limiting ENaC cell surface expression and activity. Ubiquitylation can be reversed by the action of deubiquitylating enzymes (DUBs). One such DUB, USP2-45, was identified previously as an aldosterone-induced protein in the kidney and is also a circadian output gene. In heterologous expression systems, USP2-45 binds to ENaC, deubiquitylates it, and enhances channel density and activity at the cell surface. Because the role of USP2-45 in renal NaS14; transport had not been studied in vivo, we investigated here the effect of Usp2 gene inactivation in this process. We demonstrate first that USP2-45 protein has a rhythmic expression with a peak at ZT12. Usp2-KO mice did not show any differences from wild-type littermates with respect to the diurnal control of NaS14; or KS14; urinary excretion and plasma levels either on a standard diet or after acute and chronic changes to low- and high-NaS14; diets, respectively. Moreover, they had similar aldosterone levels on either a low- or high-NaS14; diet. Blood pressure measurements using telemetry did not reveal variations compared with control mice. Usp2-KO mice did not display alterations in expression of genes involved in sodium homeostasis or the ubiquitin system, as evidenced by transcriptome analysis in the kidney. Our data suggest that USP2 does not play a primary role in the control of NaS14; balance or blood pressure.

Ubiquitin-specific protease 2-45 (Usp2-45) binds to epithelial Na+ channel (ENaC)-ubiquitylating enzyme Nedd4-2.

Regulation of the epithelial Na(+) channel (ENaC) by ubiquitylation is controlled by the activity of two counteracting enzymes, the E3 ubiquitin-protein ligase Nedd4-2 (mouse ortholog of human Nedd4L) and the ubiquitin-specific protease Usp2-45. Previously, Usp2-45 was shown to decrease ubiquitylation and to increase surface function of ENaC in Xenopus laevis oocytes, whereas the splice variant Usp2-69, which has a different N-terminal domain, was inactive toward ENaC. It is shown here that the catalytic core of Usp2 lacking the N-terminal domain has a reduced ability relative to Usp2-45 to enhance ENaC activity in Xenopus oocytes. In contrast, its catalytic activity toward the artificial substrate ubiquitin-AMC is fully maintained. The interaction of Usp2-45 with ENaC exogenously expressed in HEK293 cells was tested by coimmunoprecipitation. The data indicate that different combinations of ENaC subunits, as well as the α-ENaC cytoplasmic N-terminal but not C-terminal domain, coprecipitate with Usp2-45. This interaction is decreased but not abolished when the cytoplasmic ubiquitylation sites of ENaC are mutated. Importantly, coimmunoprecipitation in HEK293 cells and GST pull-down of purified recombinant proteins show that both the catalytic domain and the N-terminal tail of Usp2-45 physically interact with the HECT domain of Nedd4-2. Taken together, the data support the conclusion that Usp2-45 action on ENaC is promoted by various interactions, including through binding to Nedd4-2 that is suggested to position Usp2-45 favorably for ENaC deubiquitylation.

Mice carrying ubiquitin-specific protease 2 (Usp2) gene inactivation maintain normal sodium balance and blood pressure

Ubiquitylation plays an important role in the control of Na⁺ homeostasis by the kidney. It is well established that the epithelial Na⁺ channel ENaC is regulated by the ubiquitin-protein ligase NEDD4-2, limiting ENaC cell surface expression and activity. Ubiquitylation can be reversed by the action of deubiquitylating enzymes (DUBs). One such DUB, USP2-45, was identified previously as an aldosterone-induced protein in the kidney and is also a circadian output gene. In heterologous expression systems, USP2-45 binds to ENaC, deubiquitylates it, and enhances channel density and activity at the cell surface. Because the role of USP2-45 in renal Na⁺ transport had not been studied in vivo, we investigated here the effect of Usp2 gene inactivation in this process. We demonstrate first that USP2-45 protein has a rhythmic expression with a peak at ZT12. Usp2-KO mice did not show any differences from wild-type littermates with respect to the diurnal control of Na⁺ or K⁺ urinary excretion and plasma levels either on a standard diet or after acute and chronic changes to low- and high-Na⁺ diets, respectively. Moreover, they had similar aldosterone levels on either a low- or high-Na⁺ diet. Blood pressure measurements using telemetry did not reveal variations compared with control mice. Usp2-KO mice did not display alterations in expression of genes involved in sodium homeostasis or the ubiquitin system, as evidenced by transcriptome analysis in the kidney. Our data suggest that USP2 does not play a primary role in the control of Na⁺ balance or blood pressure.

Ubiquitin-specific protease USP2-45 acts as a molecular switch to promote α2δ-1-induced downregulation of Ca v1.2 channels

Availability of voltage-gated calcium channels (Cav) at the plasma membrane is paramount to maintaining the calcium homeostasis of the cell. It is proposed that the ubiquitylation/de-ubiquitylation balance regulates the density of ion channels at the cell surface. Voltage-gated calcium channels Cav1.2 have been found to be ubiquitylated under basal conditions both in vitro and in vivo. In a previous study, we have shown that Cav1.2 channels are ubiquitylated by neuronal precursor cell-expressed developmentally downregulated 4 (Nedd4-1) ubiquitin ligases, but the identity of the counterpart de-ubiquitylating enzyme remained to be elucidated. Regarding sodium and potassium channels, it has been reported that the action of the related isoform Nedd4-2 is counteracted by the ubiquitin-specific protease (USP) 2-45. In this study, we show that USP 2-45 also de-ubiquitylates Cav channels. We co-expressed USPs and Cav1.2 channels together with the accessory subunits β2 and α2δ-1, in tsA-201 and HEK-293 mammalian cell lines. Using whole-cell current recordings and surface biotinylation assays, we show that USP2-45 specifically decreases both the amplitude of Cav currents and the amount of Cav1.2 subunits inserted at the plasma membrane. Importantly, co-expression of the α2δ-1 accessory subunit is necessary to support the effect of USP2-45. We further show that USP2-45 promotes the de-ubiquitylation of both Cav1.2 and α2δ-1 subunits. Remarkably, α2δ-1, but not Cav1.2 nor β2, co-precipitated with USP2-45. These results suggest that USP2-45 binding to α2δ-1 promotes the de-ubiquitylation of both Cav1.2 and α2δ-1 subunits, in order to regulate the expression of Cav1.2 channels at the plasma membrane.

Mécanismes de régulation du trafic et de l’activité du récepteur GABAB

L’acide γ-aminobutyrique (GABA) est le principal neurotransmetteur inhibiteur du système nerveux central et est impliqué dans diverses pathologies incluant l’épilepsie, l’anxiété, la dépression et la dépendance aux drogues. Le GABA agit sur l’activité neuronale par l’activation de deux types de récepteurs; le canal chlorique pentamérique GABAA et l’hétérodimère obligatoire de récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) GABAB. Chacun des récepteurs est responsable de phases distinctes de la réponse cellulaire au GABA. Lors d’une stimulation par le GABA, il est essentiel pour la cellule de pouvoir contrôler le niveau d’activité des récepteurs et au besoin, de limiter leur activation par des mécanismes de désensibilisation et de régulation négative. La désensibilisation nécessite le découplage du récepteur de ses effecteurs, ainsi que sa compartimentation hors de la membrane plasmique dans le but de diminuer la réponse cellulaire à l’agoniste. Les mécanismes de contrôle de l’activité de GABAB semblent anormaux pour un RCPG et sont encore mal moléculairement caractérisés. L’objet de cette thèse est d’étudier la régulation du récepteur GABAB et de sa signalisation par la caractérisation de nouvelles protéines d’interactions étant impliquées dans la désensibilisation, l’internalisation et la dégradation du récepteur. Une première étude nous a permis d’identifier la protéine NSF (N-ethylmaleimide sensitive factor) comme interagissant avec le récepteur hétérodimérique. Nous avons caractérisé le site d’interaction au niveau du domaine coiled-coil de chacune des deux sous-unités de GABAB et constaté la dépendance de cette interaction au statut de l’activité ATPasique de NSF. Nous avons observé que cette interaction pouvait être dissociée par l’activation de GABAB, induisant la phosphorylation du récepteur par la protéine kinase C (PKC) parallèlement à la désensibilisation du récepteur. L’activation de PKC par le récepteur est dépendante de l’interaction NSF-GABAB, ce qui suggère une boucle de rétroaction entre NSF et PKC. Nous proposons donc un modèle où, à l’état basal, le récepteur interagit avec NSF, lui permettant d’activer PKC en réponse à la stimulation par un agoniste, et où cette activation permet à PKC de phosphoryler le récepteur, induisant sa dissociation de NSF et sa désensibilisation. Nous avons par la suite étudié la dégradation et l’ubiquitination constitutive de GABAB et la régulation de celles-ci par PKC et l’enzyme de déubiquitination USP14 (ubiquitin-specific protease 14). Au niveau basal, le récepteur est ubiquitiné, et présente une internalisation et une dégradation rapide. L’activation de PKC augmente l’ubiquitination à la surface cellulaire et l’internalisation, et accélère la dégradation du récepteur. USP14 est en mesure de déubiquitiner le récepteur suite à l’internalisation, mais accélère aussi la dégradation par un mécanisme indépendant de son activité enzymatique. Nos résultats suggèrent un mécanisme où l’ubiquitination promeut l’internalisation et où USP14 cible le récepteur ubiquitiné vers un processus de dégradation lysosomale. La troisième étude porte sur la régulation de la densité de récepteurs à la membrane plasmique par la protéine Grb2 (growth factor receptor-bound protein 2). Nous avons déterminé que Grb2 interagit avec GABAB1 au niveau de la séquence PEST (riche en proline, glutamate, sérine et thréonine) du domaine carboxyl-terminal, et que cette interaction module l’expression à la surface du récepteur hétérodimérique en diminuant l’internalisation constitutive par un mécanisme encore inconnu. Cette inhibition de l’internalisation pourrait provenir d’une compétition pour le site de liaison de Grb2 à GABAB1, ce site étant dans une région interagissant avec plusieurs protéines impliquées dans le trafic du récepteur, tels le complexe COPI et la sous-unité γ2S du récepteur GABAA (1, 2). En proposant de nouveaux mécanismes moléculaires contrôlant l’activité et l’expression à la membrane du récepteur GABAB par les protéines NSF, PKC, USP14 et Grb2, les études présentées dans cette thèse permettent de mieux comprendre les processus d’internalisation et de dégradation, ainsi que du contrôle de l’activité de GABAB par la désensibilisation, ouvrant la porte à une meilleure compréhension de la signalisation GABAergique.

The role of ubiquitin specific peptidase 15 (USP 15) in human glioblastoma

Glioblastoma (GBM) is the most common and most aggressive malignant primary brain tumour. Despite the aggressiveness of the applied therapy, the prognosis remains poor with a median survival to of about 15 months. It is important to identify new candidate genes that could have clinical application in this disease. Previous gene expression studies from human GBM samples in our laboratory, revealed Ubiquitin Specific Peptidase 15 (USP15) as a gene with low expression, significantly associated with genomic deletions of the chromosomal region encompassing the USP15 locus. USP15 belongs to the ubiquitin-specific protease (USPs) family of which the main role is the reversion of ubiquitination and thereby stabilization of substrates. Previously, USP15 has been suggested to have a tumour suppressor function via its substrates APC and Caspase 3. We established GBM cell lines that stably express USP15 wt or its catalytic mutant. USP15 expression impairs cell growth by inhibiting cell cycle progression. On the other hand USP15 depletion in GBM cell lines induces cell cycle progression and proliferation. In order to identify the molecular pathways in which USP15 is implicated we aimed to identify protein-binding partners in the GBM cell line LN-229 by Mass spectrometry. As a result we identified eight new proteins that interact with USP15. These proteins are involved in important cellular processes like cytokinesis, cell cycle, cellular migration, and apoptosis. Three of these protein interactions were confirmed by co-immunoprecipitation in four GBM cell lines LN-229, LN428, LN18, LN-Z308. One of the binding proteins is HECTD1 E3 ligase of which the murine homologue promotes the APC-Axin interaction to negatively regulate the Wnt pathway. USP15 can de-ubiquitinate HECTD1 in the LN229 cell line while its depletion led to decrease of HECTD1 in GBM cell lines suggesting stabilizing role for USP15. Moreover, HECTD1 stable expression in LN229 inhibits cell cycle, while its depletion induces cell cycle progression. These results suggest that the USP15-HECTD1 interaction might enhance the antiproliferative effect of HECTD1 in GBM cell lines. Using the TOPflash/FOPflash luciferase system we showed that HECTD1 and USP15 overexpression can attenuate WNT pathway activity, and decrease the Axin2 expression. These data indicate that this new protein interaction of USP15 with HECTD1 results in negative regulation of the WNT pathway in GBM cell lines. Further investigation of the regulation of this interaction or of the protein binding network of HECTD1 in GBM may allow the discovery of new therapeutic targets. Finally PTPIP51 and KIF15 are the other two identified protein partners of USP15. These two proteins are involved in cell proliferation and their depletion in LN-229 cell line led to induction of cell cycle progression. USP15 displays a stabilizing role for them. Hence, these results show that the tumour suppressive role of USP15 in GBM cell line via different molecular mechanisms indicating the multidimensional function of USP15. Résumé Le glioblastome (GBM) est la tumeur primaire la plus fréquente et la plus agressive du cervau caractérisée par une survie médiane d'environ à 15 mois. De précédant travaux effectués au sein de notre laboratoire portant sur l'étude de l'expression de gènes pour des échantillons humains de GBM ont montré que le gène Ubiquitin Specific Peptidase 15 (USP1S) était significativement associée à une délétion locales à 25% des cas. Initialement, les substrats protéiques APC et CaspaseS de USP15 ont conduit à considérer cette protéine comme un suppresseur de tumeur. USP15 appartient à la famille protèsse spécifique de l'ubiquitine (USPs) dont le rôle principal est la réversion de l'ubiquitination et la stabilisation de substrats. Par conséquent, nous avons établi des lignées de cellules de glioblastome qui expriment de manière stable USP15 ou bien son mutant catalytique. Ainsi, nous avons ainsi démontré que l'expression de l'USP15 empêche la croissance cellulaire en inhibant la progression du cycle cellulaire. Inversement, la suppression de l'expression du gène USP15 dans les lignées cellulaires de glioblastome induit la progression du cycle cellulaire et la prolifération. Afin d'identifier les voies moléculaires dans lesquelles sont impliquées USP15, nous avons cherché à identifier les partenaires de liaisons protéiques par spectrométrie de masse dans la lignée cellulaire LN-229. Ainsi, huit nouvelles protéines interagissant avec USP15 ont été identifiées dont la ligase E3 HECTD1. L'homologue murin de Hectdl favorise l'interaction APC-Axin en régulant négativement la voie de signalisation de Wnt. USP15 interagit en désubiquitinant HECTD1 dans la lignée cellulaire LN-229 et provoque ainsi l'atténuation de l'activité de cette voie de signalisation. En conclusion, HECTD1, en interagissant avec USP15, joue un rôle de suppresseur de tumeur dans les lignées cellulaire de GBM.

Functional studies of the deubiquitinating enzymes USP19, USP4 and UCH-L1

El marcaje de proteínas con ubiquitina, conocido como ubiquitinación, cumple diferentes funciones que incluyen la regulación de varios procesos celulares, tales como: la degradación de proteínas por medio del proteosoma, la reparación del ADN, la señalización mediada por receptores de membrana, y la endocitosis, entre otras (1). Las moléculas de ubiquitina pueden ser removidas de sus sustratos gracias a la acción de un gran grupo de proteasas, llamadas enzimas deubiquitinizantes (DUBs) (2). Las DUBs son esenciales para la manutención de la homeostasis de la ubiquitina y para la regulación del estado de ubiquitinación de diferentes sustratos. El gran número y la diversidad de DUBs descritas refleja tanto su especificidad como su utilización para regular un amplio espectro de sustratos y vías celulares. Aunque muchas DUBs han sido estudiadas a profundidad, actualmente se desconocen los sustratos y las funciones biológicas de la mayoría de ellas. En este trabajo se investigaron las funciones de las DUBs: USP19, USP4 y UCH-L1. Utilizando varias técnicas de biología molecular y celular se encontró que: i) USP19 es regulada por las ubiquitin ligasas SIAH1 y SIAH2 ii) USP19 es importante para regular HIF-1α, un factor de transcripción clave en la respuesta celular a hipoxia, iii) USP4 interactúa con el proteosoma, iv) La quimera mCherry-UCH-L1 reproduce parcialmente los fenotipos que nuestro grupo ha descrito previamente al usar otros constructos de la misma enzima, y v) UCH-L1 promueve la internalización de la bacteria Yersinia pseudotuberculosis.

Thiocalsin: a thioredoxin-linked, substrate-specific protease dependent on calcium.

We describe a protease, named "thiocalsin," that is activated by calcium but only after reductive activation by thioredoxin, a small protein with a redox-active disulfide group that functions widely in regulation. Thiocalsin appeared to be a 14-kDa serine protease that functions independently of calmodulin. The enzyme, purified from germinating wheat grain, specifically cleaved the major indigenous storage proteins, gliadins and glutenins, after they too had been reduced, preferentially by thioredoxin. The disulfide groups of the enzyme, as well as its protein substrates, were reduced by thioredoxin via NADPH and the associated enzyme, NADP-thioredoxin reductase. The results broaden the roles of thioredoxin and calcium and suggest a joint function in activating thiocalsin, thereby providing amino acids for germination and seedling development.

Structural bioinformatics analysis of the family of human ubiquitin-specific proteases

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

Analyse préliminaire du rôle des "Ubiquitin specific peptidases" et de l'axe USP7-MDM2-TP53-CDKN1A dans les leucémies myéloïdes aiguës

On note un taux élevé de résistance aux traitements dans la leucémie myéloïde aiguë (LMA). Cette résistance peut être associée aux altérations de TP53. Les « ubiquitin specific peptidases » (USP) sont impliquées dans plusieurs cancers mais leurs rôles ne sont pas élucidés dans les LMA. L’analyse de l’expression génique par RT-PCR quantitative de 21 USP et des gènes de l’axe USP7-MDM2-TP53-CDKN1A dans 111 échantillons de LMA a montré une dérégulation de USP44, USP1, USP28 et CDKN1A dans respectivement 72%, 44%, 25% et 42% des cas. CDKN1A, une cible importante de TP53, pourrait avoir un rôle dans la résistance au traitement. Nous avons développé un modèle expérimental pour évaluer la réponse des cellules leucémiques à la doxorubicine et au nutlin 3, un modulateur non génotoxique de TP53, selon l’expression initiale de CDKN1A. Ce travail préliminaire suggère que certains membres de la famille des USP et CDKN1A pourraient représenter de nouvelles cibles thérapeutiques dans les LMA.