Modifications post-traductionnelles des protéines
Désubiquitination et désubiquitinases (DUB)

L'ubiquitination est un processus essentiellement dynamique qui requiert une inversion appelée désubiquitination (deubiquitination en anglais).

Les DUB (désubiquitinases ou deubiquitinases), protéases qui détachent l'ubiquitine du substrat, permettant ainsi son recyclage sont impliqués dans les mêmes processus que ceux de l'ubiquitination (rôles de l'ubiquitination).

Ces DUB peuvent être appelées deubiquitylating enzymes, deubiquitinating peptidases, deubiquitinating isopeptidases, deubiquitinases, ubiquitin proteases, ubiquitin hydrolases ou ubiquitin isopeptidases avec la traduction française appropriée.

Classification des DUB

Les DUB, au nombre de 100 environ chez l'Homme, sont divisées en 5 familles (Polyubiquitin Binding and Disassembly By Deubiquitinating Enzymes 2009) :

• les USP (Ubiquitin-Specific Proteases), de loin les plus nombreuses (environ 85 membres),
• les UCH (Ubiquitin C-terminal Hydrolases),
• les OTU (Ovarian TUmour proteases),
• les MJD (Machado-Josephin Domain protease),
• les JAMM (JAB1/MPN/MOV34), aussi appelées MPN+, d'où leur nom JAMM/MPN+, qui sont des métalloenzymes (Structure and Function of MPN (Mpr1/Pad1 N-terminal) Domain- Containing Proteins 2016).

Les quatre premières familles sont des protéases à cystéine (aussi appelées à thiol), alors que les JAMM/MPN+ sont des métalloprotéases à zinc.

Structure des DUB

Les DUB contiennent de nombreux domaines qui régulent les interactions protéine/protéine.

Il est difficile de tous les citer : pour une revue : Breaking the chains: structure and function of the deubiquitinase 2009.

Les DUB comportent, comme on peut s'y attendre, de nombreux domaines UBD (Ubiqiquitin-Bindig Domain) comme :

• les UBA (UBiquitin Associated), les UIM (Ubiquitin-Interacting Motif),
• les ZnF UBP (UBiquitin-specific processing Protease), qui appartiennent à la famille des motifs à doigt de zinc, mais aussi les A20 ZNF, les NZF, les Znf-C2H2, les Znf-MYND…

On retrouve aussi souvent des domaines UBL (Ubiquitin-Like fold), de structure tridimensionnelle identique à l'ubiquitine, comme dans de nombreuses USP.

• 

  Ces UBL jouent des rôles très différents dans la régulation de l'activité des DUB - recrutement au protéasome comme USP14, inhibition catalytique comme USP4 ou activation catalytique comme USP7 - (The role of UBL domains in ubiquitin-specific proteases 2012).
• Tous ces domaines permettent de reconnaître le type de chaînes d'ubiquitine que les DUB peuvent cliver et définissent leur localisation pour exercer leur activité.

Modes de désubiquitination des DUB

Les DUB catalysent l'hydrolyse de la liaison entre ubiquitine et les substrats par leur domaine catalytique du nom de leur protéase - USP, UCH, OTU, MJD ou Josephin, JAMM/MPN+ - (cf. mécanismes de la désubiquitination).

1. Leur activité catalytique est activée (Regulation and Cellular Roles of Ubiquitin-specific Deubiquitinating Enzymes 2010) :

• par des changements conformationnels :
  • de boucles simples (UCH, OTU) ou de domaines plus étendus qui enfouissent le site de liaison à l'ubiquitine et qui doivent être déplacés ou en association avec une protéine d'échafaudage (USP, Rpn11/8 du protéasome),
  • de la triade catalytique pour une position catalytiquement adéquate.
• par la régulation transcriptionnelle (USP17).

2. Les DUB peuvent intervenir sur des substrats polyubiquitinés sur des lysines particulières, ou monoubiquitinées.

3. Les chaînes d'ubiquitine peuvent être clivées à partir de la fin (exoactivité) ou à l'intérieur (endoactivité). Ce clivage dépend du fonctionnement de la DUB.

• USP14 du protéasome 26S clive les chaînes d'ubiquitine reliées par Lys48 pour ne produire que des monoubiquitines. USP14, comme la plupart des USP contient un sous-domaine en forme de doigt, qui contacte près de 40% de l'ubiquitine et bloque ainsi l'accès à la Lys48 interne, ce qui lui permet de ne protéolyser que la dernière ubiquitine (Structure and mechanisms of the proteasome-associated deubiquitinating enzyme USP14 2005)
• En revanche, les DUB qui interviennent dans les voies de signalisation liées à l'ubiquitine, (CYLD, USP9X, AMSH-LP - STAMBPL1 -, A20…) ont une endoactivité et libèrent des chaînes plus longues. CYLD ne possède pas le sous-domaine précédent, ce qui lui permet d'accéder à Lys63 (The Structure of the CYLD USP Domain Explains Its Specificity for Lys63-Linked Polyubiquitin and Reveals a B Box Module 2008 et Regulation of NF-κB signaling by the A20 deubiquitinase 2012).
• USP5 et USP13 abritent un domaine ZnF UBP, qui reconnaît l'extrémité C-terminale diglycinée des monoubiquitines et jouent un rôle majeur pour leur recyclage (The Ubiquitin Binding Domain ZnF UBP Recognizes the C-Terminal Diglycine Motif of Unanchored Ubiquitin 2006).

4. La désubiquitination peut être complète ou laisser une seule ubiquitine liée au substrat.

5. Les DUB doivent reconnaître le substrat ubiquitiné.

Les DUB reconnaissent l'ubiquitine son patch C-terminal, et en particulier, Arg74-Gly75 (Positional-scanning fluorogenic substrate libraries reveal unexpected specificity determinants of DUBs (deubiquitinating enzymes) 2008).

Les deux patchs de l'ubiquitine qui contactent le plus souvent les DUB sont le patch Ile44 (Ile44, Leu8, Val70 et His68) et Ile36 (Ile36, Leu71 et Leu73).

Les DUB savent faire la différence entre ubiquitine et UBL par, entre autres, les 4 résidus qui précèdent le motif Gly-Gly terminal de l'ubiquitine.

• ISG15, à motif identique, et NEDD8, un motif très proche (Leu-Ala-Leu-Arg-Gly-Gly) sont hydrolysés par des DUB identiques à celles de l'ubiquitine.Toutefois, les E1 différencient NEDD8 de l'ubiquitine par son Ala72.
• Ceux de SUMO (Gln-Gln/Glu-Gln-Thr-Gly-Gly), ATG12 (Lys-Ser-Gln-Ala-Trp-Gly) et FAT10 (Ser-Tyr-Cys-Ile-Gly-Gly) sont différents.

Mécanismes et fonctions de la désubiquitination