N4WBP5, a potential target for ubiquitination by the Nedd4 family of proteins, is a novel golgi-associated protein

Nedd4 belongs to a family of ubiquitin-protein ligases that is characterized by 2-4 WW domains, a carboxyl-terminal Hect ((h) under bar omologous to (E) under bar6-AP (C) under bar arboxyl (t) under bar erminus)-domain and in most cases an amino-terminal C2 domain. We had previously identified a series of proteins that associates with the WW domains of Nedd4. In this paper, we demonstrate that one of the Nedd4-binding proteins, N4WBP5, belongs to a small group of evolutionarily conserved proteins with three transmembrane domains. N4WBP5 binds Nedd4 WW domains via the two PPXY motifs present in the amino terminus of the protein. In addition to Nedd4, N4WBP5 can interact with the WW domains of a number of Nedd4 family members and is ubiquitinated. Endogenous N4WBP5 localizes to the Golgi complex. Ectopic expression of the protein disrupts the structure of the Golgi, suggesting that N4WBP5 forms part of a family of integral Golgi membrane proteins. Based on previous observations in yeast, we propose that N4WBP5 may act as an adaptor for Nedd4-like proteins and their putative targets to control ubiquitin-dependent protein sorting and trafficking.

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.

Interaction of Fas(Apo-1/CD95) with proteins implicated in the ubiquitination pathway.

Fas(Apo-1/CD95), a receptor belonging to the tumor necrosis factor receptor family, induces apoptosis when triggered by Fas ligand. Upon its activation, the cytoplasmic domain of Fas binds several proteins which transmit the death signal. We used the yeast two-hybrid screen to isolate Fas-associated proteins. Here we report that the ubiquitin-conjugating enzyme UBC9 binds to Fas at the interface between the death domain and the membrane-proximal region of Fas. This interaction is also seen in vivo. UBC9 transiently expressed in HeLa cells bound to the co-expressed cytoplasmic segment of Fas. FAF1, a Fas-associated protein that potentiates apoptosis (Chu et al. (1996) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92, 11894-11898), was found to contain sequences similar to ubiquitin. These results suggest that proteins related to the ubiquitination pathway may modulate the Fas signaling pathway.

Ubiquitination and the Ubiquitin-Proteasome System as regulators of transcription and transcription factorsin epithelial mesenchymal transition of cancer.

Epithelial to Mesenchymal Transition (EMT) in cancer is a process that allows cancer cells to detach from neighboring cells, become mobile and metastasize and shares many signaling pathways with development. Several molecular mechanisms which regulate oncogenic properties in neoplastic cells such as proliferation, resistance to apoptosis and angiogenesis through transcription factors or other mediators are also regulators of EMT. These pathways and downstream transcription factors are, in their turn, regulated by ubiquitination and the Ubiquitin-Proteasome System (UPS). Ubiquitination, the covalent link of the small 76-amino acid protein ubiquitin to target proteins, serves as a signal for protein degradation by the proteasome or for other outcomes such as endocytosis, degradation by the lysosome or directing these proteins to specific cellular compartments. This review discusses aspects of the regulation of EMT by ubiquitination and the UPS and underlines its complexity focusing on transcription and transcription factors regulating EMT and are being regulated by ubiquitination.

Role of Protein Ubiquitination in NFH-LacZ mice

In neurodegenerative diseases, one can observe deposits of degradation products that represent hallmark structures. Actually, the underlying mechanisms are not well understood, but some hypotheses claim that the ubiquitin-proteasome system is perturbed in neurodegenerative diseases. Some of the influencing factors are aging, oxidation and the formation of free radicals, as well as genetic mutations which affect the function of proteins and result in an accumulation and formation of aggresomes. The amyotrophic lateral sclerosis, in which a malfunction of the sodium dismutase perturbs the redox system, is characterized by the accumulation of elements of the cytoskeleton in motor neurons and a progressive neuronal death. We suppose that in these diseases the ubiquitin- proteasome system is deregulated and try to demonstrate this hypothesis by comparing the ubiquitination of different neurofilaments in brain and spinal cord of transgenic and control mice. These NFH-LacZ mice with a truncated NF-H protein and a ß-galactosidase marker protein induce an accumulation of NF-proteins and neurofilaments are no longer transported into axons or dendrites. The accumulation of such aggregates resembles the phenotype of amyotrophic lateral sclerosis. Beside the ubiquitination the neurofilament expression and phosphorylation state was investigated. The results cannot demonstrate a perturbation of the ubiquitin-proteasome system of neurofilaments in transgenic mice. In contrast, in accordance with the mechanism of the NFH-LacZ mice a decrease of high and medium density neurofilaments and a hypophosphorylation were found. In conclusion, to elicit the pathological mechanism of amyotrophic lateral sclerosis and to develop focused treatments, we have to review the pathological mechanism of the transgenic mice and repeat the experiments with other animal models or with human material. Other possibilities would be to focus on other degradation mechanisms, such as the endosome/lysosome system, and to define their role in the amyotrophic lateral sclerosis more clearly.

Ubiquitination of the Epstein-Barr virus-encoded latent membrane protein 1 depends on the integrity of the TRAF binding site.

The latent membrane protein 1 (LMP1) encoded by the Epstein-Barr virus functions as a constitutively activated receptor of the tumor necrosis factor receptor family. LMP1 is a short-lived protein that is ubiquitinated and degraded by the proteasome. We have previously shown that LMP1 recruits the adapter protein tumor necrosis factor receptor-associated factor 3 (TRAF3) to lipid rafts. To test if TRAFs are involved in LMP1's ubiquitination, we have mutated the LMP1 CTAR1 site that has been identified as a TRAF binding site. We show that the CTAR1 mutant (CTAR1(-)) is expressed after transfection at a similar level to wild-type LMP1, and behaves as wild-type LMP1 with respect to membrane localization. However, CTAR1(-) does not bind TRAF3. We demonstrate that ubiquitination of CTAR1(-) is significantly reduced when compared to wild-type LMP1. In addition, the expression of wild-type LMP1 induces the ubiquitination, an effect that is significantly reduced when the CTAR1(-) is expressed. Taken together, our results suggest that TRAF proteins are involved in the ubiquitination of LMP1, and that their binding to LMP1 may facilitate their own ubiquitination.

Oxidation and ubiquitination in neurodegeneration.

It is widely accepted that protein oxidation is involved in a variety of diseases, including neurodegenerative diseases. Especially during aging, a reduction in anti-oxidant defence mechanisms leads to an increased formation of free radical oxygen species and consequently results in a damage of proteins, including mitochondrial and synaptic ones. Even those proteins involved in repair and protein clearance via the ubiquitin proteasome and lysosomal system are subject to damage and show a reduced function. Here, we will discuss a variety of mechanisms and provide examples where cognition is affected and where repair mechanisms are no longer sufficient to compensate for a dysfunction of damaged proteins or even may become toxic. Next to physiological deficits, an accumulation of deficient proteins in aggresomes may occur and result in a formation of pathological hallmark structures typical for aging and disease. A major challenge is how to prevent aberrant oxidation, given that oxidation plays an essential role in aging and neurodegenerative diseases. Particularly interesting are the possibilities to reduce the formation of radical oxygen species leading to a dysfunction of protein repair and protein clearance, or to a formation of toxic byproducts accelerating neurodegeneration.

Ubiquitination and cysteine nitrosylation during aging and Alzheimer's disease.

Protein oxidation and ubiquitination of brain proteins are part of mechanisms that modulate protein function or that inactivate proteins and target misfolded proteins to degradation. In this study, we focused on brain aging and on mechanism involved in neurodegeneration such as events occurring in Alzheimer's disease (AD). The goal was to identify differences in nitrosylated proteins - at cysteine residues, and in the composition of ubiquinated proteins between aging and Alzheimer's samples by using a proteomic approach. A polyclonal anti-S-nitrosyl-cysteine, a mono- and a polyclonal anti-ubiquitin antibody were used for the detection of modified or ubiquitinated proteins in middle-aged and aged human entorhinal autopsy brains tissues of 14 subjects without neurological signs and 8 Alzheimer's patients. Proteins were separated by one- and two-dimensional gel electrophoresis and analyzed by Coomassie blue and immuno-blot staining. We identified that the glial fibrillary acidic and tau proteins are more ubiquitinated in brain tissues of Alzheimer's patients. Furthermore, glial fibrillary proteins were also found in nitrosylated state and further characterized by 2D Western blots and identified. Since reactive astrocytes localized prominently around senile plaques one can speculate that elements of plaques such as beta-amyloid proteins may activate surrounding glial elements and proteins.

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.