Modifications post-traductionnelles des protéines
Sumoylation

Cette sumoylation, proche de l'ubiquitination, a divers rôles : elle régule les propriétés biologiques du substrat (The SUMO pathway: emerging mechanisms that shape specificity, conjugation and recognition 2010).

Protéines SUMO

Les protéines SUMO (Small Ubiquitin-like MOdifier) sont des polypeptides d'une centaine d'acides aminés qui font partie des UBL (Ubiquitin-Like protein).

Les UBL possèdent le même repli, le β-GRASP fold que celui de l'ubiquitine.

Les SUMO, comme d'autres UBL, diffèrent énormément de l'ubiquitine, quant à leur structure primaire : 20% seulement d'homologie.

• Toutefois, ils possèdent une di-glycine C-terminale, attaché à un propeptide (variant suivant les SUMO : HSTV pour 1, VY pour 2, 12 aa pour 3).
• Contrairement à l'ubiquitine, on connaît plusieurs isoformes : SUMO1, 2 et 3 (SUMO4 est décrite chez l'homme dans le rein, la rate et les noeuds lymphoïdes). Un nouveau SUMO, SUMO-5 a été trouvé en 2016 dans le PML bodies

Sumo2 et 3 sont presque identiques (97%) et comportent une extrémité N-terminale flexible (absente chez SUMO1, homologie à 50% avec les autres SUMO, et chez l'ubiquitine) qui leur permet de former des chaînes.

Les SUMO peuvent se lier à des nombreuse protéines (cf tables).

Mécanisme de
la sumoylation

Contrairement à l'ubiquitination qui conduit, en général, la protéine vers sa dégradation par le protéasome 26S, la sumoylation conduit à la stabilisation des complexes.

Ces deux processus s'opposent souvent (SUMO and ubiquitin in the nucleus: different functions, similar mechanisms? 2004), mais aussi se complètent (Mutual interactions between the SUMO and ubiquitin systems: a plea of no contest 2005).

Leur rôle principal est de cibler certaines protéines impliquées dans la régulation de la transcription (SUMO: getting it on 2007), mais aussi dans la réparation de l'ADN, le transport nucléaire et cytosolique, l'apoptose, la stabilité des protéines, la réponse au stress et le cycle cellulaire (SUMO : a history of modification 2005).

• 

  Par exemple, RanGAP1 (Ran GTPase-activating protein) est cytosolique alors que sumoylatée, elle se localise aux pores nucléaires par l'interaction avec la nucléoporine RanBP2 (NUP358).
• Smad4 peut aussi être sumoylatée (cf. régulation des Smads).

SUMO, comme l'ubiquitine doit, pour se fixer sur la protéine, avoir recours à plusieurs enzymes.

SENP (sentrin- ou SUMO-
specific proteases)

La famille SENP (sentrin- ou SUMO-specific proteases) comprend 6 isoformes (SENP1, SENP2, SENP3, SENP5, SENP6 et SENP7) qui sont des hydrolases. Elles ont deux rôles spécifiques :

• Elles clivent le propeptide des SUMO pour leur maturation.
• Elles sont aussi nécessaires à la désumoylation (SUMO-specific proteases: a twist in the tail 2007).

1. Le précurseur de SUMO subit le clivage de son peptide C-terminal par une protéase - SENP ou Ulp1 et 2 chez la levure - (SUMO-specific proteases/isopeptidases: SENPs and beyond 2014).

• Les SENP ont pour rôle de révéler le motif C-terminal Gly-Gly (di-glycine) qui se liera, plus tard avec la lysine (K) du substrat.
• Le substrat accède au site catalytique, formé par la triade catalytique Cys-His-Asp à travers un tunnel peu profond, dans lequel des résidus Trp positionnent le motif di-glycine et la liaison scissile (Structural basis for SENP2 protease interactions with SUMO precursors and conjugated substrates 2006).

Les SENP sont localisées dans différentes régions cellulaires.

• SENP1 et SENP2 sont situées sur la membrane nucléaire et dans le nucléoplasme : leur rôle est d'inactiver les facteurs de transcription par sumoylation et leur activation par désumoylation, en particulier dans les processus de développement, en particulier par l'action de SENP2 sur PRC1 (Polycomb Repressive Complex 1), qui répriment de nombreux gènes précoces dont GATA…
• SENP3 et SENP5 se trouvent dans le nucléole et sont impliquées dans la maturation précoces des ribosomes. On les retrouve aussi en plus faible proportion dans le nucléoplasme et même, dans le cytoplasme.
• SNP6 et SNP7 sont situés dans le nucléoplasme et fonctionnent comme des isopeptidases dans les chaînes poly-sumoylées (SUMO2/3, le plus souvent par Lys11) (Characterization of SENP7, a SUMO-2/3-specific isopeptidase 2009).

Ces chaînes sont reconnues par les StUBL (SUMO-targeted ubiquitine ligase), comme RNF4, qui recrutent les substrats poly-sumoylisés pour les ubiquitiner (A SIM-ultaneous role for SUMO and ubiquitin 2008).

NEDD8 (Neural precursor cell expressed, developmentally down-regulated 8) est quelquefois appelée SENP8.

E1 et E2

1. SUMO se lie à un enzyme E1 hétérodimère SAE (SUMO Activating Enzyme qui comprend SAE1 et SAE2 - appelé aussi UBA2, Ubiquitin-like 1-activating enzyme E1B).

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  E1 catalyse l'adénylylation de l'extrémité C-terminale de SUMO, ce qui provoque sa liaison de manière covalente, liaison thioester ($\ce{R–S–CO–R'$}), liaison " riche en énergie " au site actif de l'enzyme E2 (cystéine 173 de SAE2).
• UBA2/SAE2 possède un domaine SIM.

2. SUMO est transféré à un seul E2 connu, Ube2I ou E2I (appelé avant Ubc9), par transestérification sur Cys93 (The SUMO Conjugating Enzyme Ubc9 Is Required for Inducing and Maintaining Stem Cell Pluripotency 2014).

• Ube2I se distingue des autres enzymes de conjugaison par sa capacité à reconnaître directement les protéines visées.
• Ube2I-SUMO peut donc catalyser la formation d'une liaison isopeptidique entre le groupe carboxyle ($\ce{-C(=O)OH}$) C-terminal de SUMO et la lysine (K) de la protéine, à condition que la lysine soit située dans un motif SUMO de conjugaison.

Le motif consensus pour l'attachement de SUMO est un tétrapeptide Ψ-K-x-D/E ou Ψ représente un acide aminé hydrophobe, K la lysine acceptrice qui forme la liaison isopeptidique avec SUMO, x un acide aminé quelconque et D/E représente un acide aspartique ou un acide glutamique. Cependant d'autres facteurs semblent intervenir.

• 

  Le site actif de Ube2I contient un motif CES/D : Conserved E2 Serine/Aspartate.

Cette sumoylation peut se faire directement sans E3 ligases.

E3 ligases éventuelles

Un petit nombre de ligases E3 peuvent accélérer ce phénomène selon différentes interactions.

1. Certaines E3 ligases accélèrent la liaison thioester ($\ce{R–S–CO–R'$}), liaison " riche en énergie " E2~SUMO en positionnant de façon optimale les deux molécules, sans entrer directement en contact avec le substrat, comme cela est le cas pour nucléoporine RanBP2 - Ran-binding protein 2 - (Insights into E3 ligase activity revealed by a SUMO-RanGAP1-Ubc9-Nup358 complex 2005).

• Ces E3 s'attachent directement de manière non-covalente à SUMO par leur motif SIM/SBM - SUMO-Interaction/Binding Motif - (SUMO junction—what's your function? New insights through SUMO-interacting motifs 2007 et A SIM-ultaneous role for SUMO and ubiquitin 2008).
• Le motif SIM des protéines est un motif hydrophobe contenant Val/Ile-X-Val/Ile-Va/Ile (V/I-X-V/I-V/I), qui permet à SUMO de s'y lier, flanqué de résidus acides pour stabiliser par des ponts hydrogènes l'interaction (Insights into High Affinity Small Ubiquitin-like Modifier (SUMO) Recognition by SUMO-interacting Motifs (SIMs) Revealed by a Combination of NMR and Peptide Array Analysis 2012).
• ZNF451, par exemple, comprend 2 motifs SIM liés par un motif PLRP - Pro-Leu-Arg-Pro - (Structural basis for catalytic activation by the human ZNF451 SUMO E3 ligase 2015).

2. Les E3 ligases Siz et PIAS (Protein Inhibitor of Activated STAT) se lient et SUMO par

• à l'E2 par leur domaine Miz finger (ou SP-RING - Siz/PIAS RING -), proche du domaine RING des E3 ubiquitine ligases, mais auquel manque 2 cystéines ;

Le domaine TRIM se retrouve chez les protéines E3 SUMO ligases (SUMO E3 ligase activity of TRIM proteins 2011).

• à SUMO par leur domaine C-terminal (SP-CTD : Siz/PIAS Carboxy-Terminal Domain).

Ces E3 ligases peuvent quelquefois contacter le substrat par le domaine PINIT comme PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen).