Modifications post-traductionnelles des protéines
Ubiquitination : E3 ubiquitine ligases de la famille RING

Les E3 ubiquitine ligases sont classées en trois grandes familles (New insights into ubiquitin E3 ligase mechanism 2014 et HECT and RING finger families of E3 ubiquitin ligases at a glance 2012).

• la famille HECT,
• la famille RING, à domaine RING ou RING-related (les U-box ne contenant par d'atomes de zinc y sont intégrées),

• 

  la famille RBR (RING-Between-RING).

Vue d'ensemble

La famille RING (Really Interesting New Gene) contient un domaine Ring-finger qui se lie à deux cations Zn⁺⁺ (cf. chapitre spécial sur le domaine RING).

Cette famille compte plus de 600 membres chez les Mammifères.

Toutefois, on y ajoute des protéines qui possèdent :

• des domaines RING-related, comme le domaine PHD ou LAP,
• les U-box dont le domaine, de structure tertiaire identique au domaine RING, ne contient pas d'atomes de zinc.

Dans la famille RING, l'ubiquitine est directement transférée de l'enzyme de conjugaison E2 au substrat, contrairement au E3 ubiquitine ligases de la famile HECT ou RBR dans lesquelles ce processus se fait en deux étapes (cf. mécanismes de l'ubiquitination).

• Dans certaines (souvent sous forme dimérique), le domaine de reconnaissance du substrat et le domaine RING (ou équivalent comme les U-box) sont situés sur la même protéine.
• Dans d'autres, les deux domaines sont situés sur des protéines différentes.

Les E3 reconnaissent les E2 par leur domaine UBC, domaine de conjugaison à l'ubiquitine qui contient la cystéine catalytique : les extensions N- et C-terminales spécifiques des E2 contribuent à leur spécialisation.

Ces E3 ubiquitine ligases peuvent fonctionner sous forme (RING Domain E3 Ubiquitin Ligases 2009 et RING-type E3 ligases: Master manipulators of E2 ubiquitin-conjugating enzymes and ubiquitination 2014) :

1. de monomères comme c-CBL- Casitas B-lineage Lymphoma - (Structure of a c-Cbl–UbcH7 Complex: RING Domain Function in Ubiquitin-Protein Ligases 2000).

2. de homodimères comme :

• BIRC7 (Baculoviral IAP Repeat-Containing protein 7) qui comprend deux hélices α qui contribuent aux contacts (Structure of BIRC7–E2 ubiquitin conjugate reveals the mechanism of ubiquitin transfer by a RING dimer 2012),
• CHIP et Prp19 qui sont des U-box,
• TRAF6 (Tumor necrosis factor Receptor Associated Factor 6) qui s'enroule autour de l'enzyme de conjugaison E2 (E2 interaction and dimerization in the crystal structure of TRAF6 2009),
• Ubc13…

3. d'hétérodimères comme Mdm2/Mdmx (Mdm4), régulateur de p53, ou BRAC1/BARD1 impliqués tous deux dans les tumeurs…

4. de complexes aux multiples sous-unités comme les ligases Cullin-RING.

Familles de E3 ubiquitine ligases RING

Ligases Cullin-RING (CRL) : complexe SCF (Skp1/Culline/F-box)

Le complexe SCF (Skp1/Culline/F-box) est un complexe E3 ubiquitine ligase (The SCF ubiquitin ligase: insights into a molecular machine 2004).

• Le complexe SCF intervient dans de nombreux processus, et en particulier dans le déroulement des phases du cycle cellulaire des Eucaryotes grâce à la synthèse/dégradation et la phosphorylation/déphosphorylation des cyclines.
• Une autre E3 ubiquitine ligase de la famille RING intervient aussi dans ce processus : l'APC (Anaphase-Promoting Complex), à ne pas confondre avec l'Adenomatosis Polyposis Coli (The ubiquitin proteasome system – Implications for cell cycle control and the targeted treatment of cancer 2014).

Ce complexe SCF (E3) comprend quatre parties essentielles (Structure of the Cul1 – Rbx1 – Skp1 – F box Skp2 SCF ubiquitin ligase complex 2002 et Structure of a β-TrCP1-Skp1-β-Catenin Complex 2003 et Structure of a RING E3 ligase and ubiquitin-loaded E2 primed for catalysis 2012).

Protéine F-box

La protéine F-box (The F-box protein family 2000), composée de 430 à 1000 acides aminés, est spécifique (plus de 90 membres chez l'Homme),

• Son domaine F-box de 40 aa environ, pour se lier aux protéines-cibles, indépendamment du complexe, par une répétition riche en leucine (LRR : leucine-rich repeat) ou une répétition WD.
• β-TrCP (β-Transducin repeat containing protein) sert de domaine de reconnaissance de la β-caténine.

Skp2, une autre F-box, i intervient dans le cycle cellulaire.

Skp1

Skp1 (S-phase kinase-associated protein 1), protéine adaptatrice de 163 acides aminés, partie du " fer à cheval ", reconnait la F-box et se lie à la culline (voir figure).

Culline

La culline - CUL - (The cullin protein family 2011) est une protéine d'échafaudage (scaffold protein) qui comprend 8 membres chez les Mammifères (CUL1 à 7 - 2 CUL4, A et B, donc 6 n'existe pas -) et PARC, appelé aussi CUL9 qui contient un domaine RBR - RING/IBR/RING -) et participe à quelques 200 E3.

Sur la figure ci-contre, les abréviations sont les suivantes : CH, Cullin Homology, CR, Cullin Repeat, CPH, domaine conservé dans CUL7, PARC et HERC2, DOC, domaine semblable à celui de l'APC.

CUL1, composée de 776 acides aminés, interagit (nfos) :

1. par son domaine C-terminal (CH : Cullin Homology), de 200 acides aminés environ, avec les ROC - ou Rbx - (The cullin protein family 2011),

2. par une liaison covalente avec NEDD8 (Neural precursor cell Expressed, Developmentally Down-regulated 8), UBL (Ubiquitine Like Protein) qui module l'activation du complexe et diffère peu dans sa structure de l'ubiquitine (Structural Insights into NEDD8 Activation of Cullin-RING Ligases: Conformational Control of Conjugation 2008 et Structure of a RING E3 Trapped in Action Reveals Ligation Mechanism for the Ubiquitin-like Protein NEDD8 2014 et Protein neddylation: beyond cullin–RING ligases 2015).

• CUL1/2/3/4A/5 se lient à CAND1, qui inhibe l'assemblage du complexe CRL en s'enroulant autour de la culline. Ce processus bloque et le site de liaison à Skp1, et donc à la F-box qui reconnaît le substrat, et le site de neddylation sur la lysine de la culline, site de fixation de NEDD8 (Structure of the Cand1-Cul1-Roc1 Complex Reveals Regulatory Mechanisms for the Assembly of the Multisubunit Cullin-Dependent Ubiquitin Ligases 2004).
• NEDD8 active CUL en se fixant sur la lysine conservé (K724) du domaine WHB et provoque une modification conformationnelle, entre l'extrémité C-terminale de la culline et ROC, pour positionner correctement le centre catalytique RING-E2~UBL sur la liaison de l'ubiquitine à la lysine du substrat.

3. par son domaine N-terminal, formé de trois domaines CR (Cullin Repeat), avec Skp1 qui reconnaît ici les F-box.

Skp1 peut aussi recruter Fbw8 (mTOR complex 2 regulates proper turnover of insulin receptor substrate-1 via the ubiquitin ligase subunit Fbw8. 2012) chez CUL7.

Ce domaine N-terminal, chez d'autres cullines, est crucial pour le recrutement de nombreux substrats, contenant des motifs différents tels que :

• les élongines BC (The Role of Elongin BC-Containing Ubiquitin Ligases 2012), qui définissent la famille des ECS, reconnaissent, la BC-box (BC-box protein domain-related mechanism for VHL protein degradation 2013) commune aux :
  • VHL-box - Von Hippel-Lindau-box - (VHL Type 2B Mutations Retain VBC Complex Form and Function 2008) pour CUL2,
  • SOCS-box (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) pour CUL5, qui se lie à ROC2, et non à ROC1 ;
• DDB1 - DNA damage-binding protein 1 - (Structure of the DDB1–CRBN E3 ubiquitin ligase in complex with thalidomide 2014) avec comme partenaire DCAF - DDB1-CUL4-Associated Factor - (DCAFs, the Missing Link of the CUL4-DDB1 Ubiquitin Ligase 2007) pour CUL4A et CUL4B,
• les protéines BTB (Sequence and structural analysis of BTB domain proteins 2005), sans intermédiaire pour CUL3, qui contiennent (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 se lie à la culline,
  • un domaine MATH qui se lie au substrat.

ROC1

ROC1 (Regulator Of Cullins1 ou Rbx1 - Ring box protein 1 -, 108 acides aminés) comporte un domaine RING auquel s'attache la E2 (ROC1, a Homolog of APC11, Represents a Family of Cullin Partners with an Associated Ubiquitin Ligase Activity 1999 et Structure of the cul1-rbx1-skp1-f boxskp2 scf ubiquitin ligase complex 2000).

CUL5 se lie à ROC2 - Rbx2 - (ASB proteins interact with Cullin5 and Rbx2 to form E3 ubiquitin ligase complexes 2005).

Famille des RING-related

Ces E3 ubiquitine ligases comportent des domaines qui ressemblent au domaine RING. Elles contiennent :

• des domaines PHD finger (Plant HomeoDomain) qui ressemblent aussi aux domaines FYVE,
• des domaines LAP - Leukemia Associated Protein - (The leukemia-associated-protein (LAP) domain, a cysteine-rich motif, is present in a wide range of proteins, including MLL, AF10, and MLLT6 proteins 1995).

Famille des U-Box

Les U-box possèdent un domaine U-box proche du domaine RING, mais sans atome de zinc.

De nombreuses E3 ubiquitine ligases forment des homo et hétérodimères spécifiques par l'interaction entre leurs domaine RING/RING, RING/U-box et U-box/U-box

Famille RBR