Modifications post-traductionnelles des protéines
Ubiquitination : E3 ubiquitine ligases de la famille RING
Ligases Cullin-RING (CRL) : adaptateurs

Vue d'ensemble des adaptateurs des CRL

Les ligases CRL (Cullin-RING ligases) représentent la principale sous-famille des ligases E3 de type RING qui se distinguent par leur architecture modulaire où la culline agit comme échafaudage central reliant ( organisation modulaire des CRL des CRL) :

• le domaine RING catalytique (Rbx1/Roc1),
• un adaptateur modulaire,
• un récepteur de substrat conférant la spécificité du complexe.

Ces adaptateurs, souvent spécifiques d’un sous-type de culline, servent de ponts structuraux essentiels entre la culline et la protéine réceptrice, permettant à chaque type de complexe CRL de cibler une vaste gamme de substrats, tout en conservant une architecture catalytique commune.

Remarque : les ligases RING monomériques, telles que MDM2 ou c-Cbl, reconnaissent directement leurs substrats sans adaptateur intermédiaire.

Principales familles d’adaptateurs des complexes CRL

Adaptateurs Skp1 et protéines F-box (complexe SCF / CUL1)

1. Skp1 (S-phase kinase-associated protein 1) est l’adaptateur canonique de CUL1, reliant la culline à la protéine F-box.

Sa structure compacte, de 163 résidus, formée de feuillets β et d’hélices α, crée une surface hydrophobe stable qui s’emboîte dans le domaine F-box, stabilisant ainsi l’interface avec la culline.

2. Dans le complexe SCF (Skp1-Cullin1-F-box-Rbx1), pivot de la dégradation cyclique des régulateurs du cycle cellulaire, elle assure la liaison entre la culline 1 (CUL1) et la protéine F-box en faisant partie du " fer à cheval ", responsable de la reconnaissance du substrat ( figure).

3. On peut donner comme exemples de complexes SCF et de substrats régulés :

• SCF^Skp2 dégrade p27^Kip1 lors de la transition G1/S,
• SCF^β-TrCP cible la β-caténine phosphorylée dans la voie Wnt.

Adaptateurs élongines B/C et SOCS-box
(complexes ECS/CUL2 et CUL5)

Les élongines B et C forment un adaptateur hétérodimérique qui relie la culline CUL2 ou CUL5 à des récepteurs terminaux contenant une BC-box, définissant la famille des complexes ECS ou Elongin-Cullin-SOCS (The Role of Elongin BC-Containing Ubiquitin Ligases 2012 et BC-box protein domain-related mechanism for VHL protein degradation 2013).

1. Ces récepteurs peuvent contenir :

• 

  une VHL-box (Von Hippel-Lindau-box), typique des complexes à CUL2 (VHL Type 2B Mutations Retain VBC Complex Form and Function 2008),
• une SOCS-box, caractéristique des complexes à CUL5, qui se lie à Rbx2, et pas à Rbx1 (The SOCS Box Domain of SOCS3: Structure and Interaction with the ElonginBC-Cullin5 Ubiquitin Ligase 2008 et Role of Ubiquitylation in Controlling Suppressor of Cytokine Signalling 3 (SOCS3) Function and Expression 2014).

2. Ces modules assurent la reconnaissance de substrats variés et participent à la régulation des voies cytokiniques et hypoxiques.

3. On peut donner comme exemples de complexes SCF et de substrats régulés :

• SCF^Skp2 dégrade p27^Kip1 lors de la transition G1/S,
• SCF^β-TrCP cible la β-caténine phosphorylée dans la voie Wnt,
• VHL (CUL2), qui cible HIF1α pour sa dégradation en condition normoxique,
• SOCS3 (CUL5), qui inhibe la signalisation JAK/STAT en recrutant la kinase JAK pour l’ubiquitination.

Adaptateurs BTB (complexe CUL3)

Les protéines BTB (Broad-Complex, Tramtrack and Bric-à-brac) se distinguent des autres adaptateurs par leur double fonction en s assurant à la fois (Sequence and structural analysis of BTB domain proteins 2005) :

• l’ancrage direct à CUL3,
• la reconnaissance du substrat, sans nécessiter d’adaptateur intermédiaire.

1. Elles comportent deux domaines fonctionnels (Structures of SPOP-Substrate Complexes: Insights into Molecular Architectures of BTB-Cul3 Ubiquitin Ligases 2010) :

• un domaine BTB/POZ (appelé aussi BR-C/Ttk ou ZiN), qui interagit avec la culline,
• un domaine MATH chargé de la reconnaissance du substrat.

2. Ces complexes interviennent dans :

• la dégradation des régulateurs transcriptionnels, comme BACH1 ciblé par KEAP1-Cul3,
• la signalisation hormonale, par exemple l’élimination des cofacteurs du récepteur des glucocorticoïdes via les protéines KLHL.

3. On peut citer comme exemples :

• KEAP1 (CUL3), qui cible Nrf2 pour la régulation du stress oxydatif,
• KLHL3 (CUL3), qui contrôle la dégradation de WNK1/WNK4 dans la régulation ionique,
• SPOP (CUL3), impliqué dans l’élimination de facteurs comme Gli3 (voie Hedgehog) ou DAXX.

Adaptateur DDB1 et domaines DCAF/DWD Complexe CRL4 (CUL4A/B)

1. DDB1 (DNA damage-binding protein 1) est l’adaptateur majeur de CUL4A et de CUL4B, constituant le cœur du complexe DDB1-CUL4-DCAF (Structure of the DDB1-CRBN E3 ubiquitin ligase in complex with thalidomide 2014).

a. Les DCAF (DDB1-CUL4-Associated Factors), protéines variables, servent de récepteurs de substrats, apportant la spécificité fonctionnelle (DCAFs, the Missing Link of the CUL4-DDB1 Ubiquitin Ligase 2007).

b. Ce système est essentiel dans :

• la réponse aux dommages de l’ADN,
• le contrôle de la réplication,
• la régulation épigénétique et la stabilité des protéines nucléaires.

2. Les protéines à domaine DWD constituent une sous-classe majeure de DCAF.

a. Ce motif de 16-17 acides aminés, inclus dans une lame WD40, présente un consensus typique WDxR et forme un site d’interaction situé à la surface du propeller WD40, assurant la fixation stable à DDB1.

Ces adaptateurs établissent ainsi le pont fonctionnel entre DDB1 et les substrats, assurant la sélectivité des complexes CRL4.

b. Ces protéines DWD jouent donc un rôle équivalent à celui des F-box (complexes SCF) ou des BTB (complexes CUL3), mais au sein des E3 ligases CRL4, contribuant à la diversité fonctionnelle et à la spécificité des substrats du système ubiquitine-protéasome.

c. On peut citer comme exemple :

• DDB2, impliquée dans la réparation de l’ADN endommagé par les UV ;
• CSA (Cockayne syndrome A), intervenant dans la réponse au stress oxydatif et la réparation couplée à la transcription,
• DET1, participant à la régulation de la photomorphogenèse et des signaux lumineux ;
• WDR23, modulant la stabilité du facteur NRF2, acteur majeur de la réponse antioxydante ;
• CDT2 (DCAF2), assurant le contrôle de la réplication en ciblant CDT1 pour la dégradation.

Rôle fonctionnel commun

Les adaptateurs modulaires des ligases CRL assurent la spécificité de substrat et la diversité fonctionnelle du système ubiquitine-protéasome.

Ils permettent :

• l’intégration de signaux post-traductionnels, i.e. phosphorylation, stress, hypoxie,
• la régulation dynamique via la neddylation des cullines,
• la coordination de processus tels que
  • la réponse au stress oxydatif,
  • la réparation de l’ADN,
  • le cycle cellulaire.

Reconnaissance des dégrons par les ligases E3

La reconnaissance des dégrons par les ligases E3 constitue l’étape suivante de la régulation sélective.