Modifications post-traductionnelles des protéines
Ubiquitination : ubiquitine et E3 ubiquitine ligases

Cette ubiquitination a divers rôles.

1. Le système ubiquitine-protéasome (UPS) est la principale voie de dégradation ATP-dépendante des protéines régulatrices, ou des protéines mal pliées et anormales dans le cytosol et le noyau des cellules eucaryotes.

Le protéasome 26S en est un élément central.

2. L'ubiiquitination a bien d'autres rôles ( rôles de l'ubiquitination).

Ubiquitine

Structure de l'ubiquitine

L'ubiquitine est un polypeptide de 76 acides aminés qui contient 7 lysines (K6, 11, 27, 29, 33, 48 et 63) et une méthionine M1 N-terminale (Ubiquitin: structures, functions, mechanisms 2004 et Ubiquitin: a small protein folding paradigm 2006).

1. Sa structure est composée d'un β-grasp fold.

a. Ce feuillet-β à 5 brins et deux hélices-α (α1 et une hélice 3₁₀) est conformé de telle sorte que l'α1 se retrouve dans une rainure et est comme " saisi " (en anglais, to grasp) par le feuillet β d'où son nom (Small but versatile: the extraordinary functional and structural diversity of the beta-grasp fold 2007 et The prokaryotic antecedents of the ubiquitin-signaling system and the early evolution of ubiquitin-like beta-grasp domains 2006).

b. Ce feuillet se retrouve, quelque peu modifié, dans :

• les domaines UBL (Ubiquitin-Like) comme chez les Sumo,
• les immunoglobulines,
• les protéines à domaine DIX comme Dischvelled, l'axine ou Ccd1/DIXDC1.

2. Ce feuillet est très ancien et hautement conservé chez les plantes, les levures et les animaux avec seulement 3 résidus de différence (Origin and Function of Ubiquitin-like Protein Conjugation 2009 et Structure and evolution of ubiquitin and ubiquitin-related domains 2012).

a. Il est apparu comme domaine de liaison à l'ARN lors de la traduction primitive des protéines.

b. Puis, il a été adapté à de nombreuses fonctions :

• domaine d'échafaudage pour les activités enzymatiques,
• adaptateur d'interactions entre protéines par liaison soufre/fer,
• endocytose… .

3. Une autre caractéristique de l'ubiquitine conservée sur le plan de l'évolution est sa synthèse.

La protéine précurseure subit une maturation protéolytique pour exposer un résidu de glycine C-terminal, dont le groupe carboxyle peut être conjugué à :

• un groupement amino d'une lysine,
• un résidu N-terminal d'une autre ubiquitine ou d'une grande variété d'autres protéines.

Modifications de l'ubiquitine

Liaisons de l'ubiquitine avec d'autres
ubiquitines ou le substrat

Une cascade de réactions enzymatiques, impliquant l'activation (E1), la conjugaison (E2) et la ligature (E3), génère des conjugués ubiquitines contenant des chaînes de monoubiquitine ou de polyubiquitine ( E3 ubiquitine ligases).

Cette ubiquitination peut être inversée par l'action d'une grande classe d'enzymes désubiquitinantes (DUB), qui sont des protéases capables de cliver la liaison isopeptidique entre l'ubiquitine et son substrat

1. Les lysines, i.e. K (6, 11, 23, 29, 33, 48, 63) permettent la liaison covalente de l'ubiquitine avec la protéine substrat (monoubiquitination) ou alors avec d'autres ubiquitines (polyubiquitination).

Ces lysines peuvent être acétylées : Lys29 est la seule chez laquelle cette acétylation n'a pas été démontrée (Ubiquitin modifications 2016).

2. La polyubiquitination peut aussi s'effectuer par liaison peptidique canonique linéaire entre la Gly76 C-terminale d'une ubiquitine et la méthionine 1 N-terminale de la suivante.

3. La polyubiquitination peut aussi s'effectuer par liaison peptidique canonique linéaire entre la Gly76 C-terminale d'une ubiquitine et la Met1 N-terminale de la suivante.

Patchs reconnus par d'autres protéines

Les protéines contenant le domaine de liaison à l'ubiquitine (UBD) interagissent avec l'ubiquitine conjuguée de manière non covalente et agissent comme des récepteurs de l'ubiquitine, qui peuvent médier l'assemblage de complexes structurels ou de signalisation.

1. Plusieurs patchs peuvent être reconnus par d'autres protéines (The Ubiquitin Code 2012).

• 

  Le patch hydrophobe autour de Ile44 (Leu8, Ile44, His68 et Val70) se lie au protéasome et à la plupart des domaines UBD (Ubiquitin Binding Domain).
• Le patch hydrophobe autour de Ile36 (Ile36, Leu71 et Leu73) interagit entre les molécules d'ubiquitine dans les chaînes et est reconnu par les E3 ubiquitine ligases de la famille HECT, les désubiquitinases (DUB) et les domaines UBD.
• Le patch autour de Phe4 (Gln2, Phe4 et Thr14) intervient dans le trafic vésiculaire et interagit avec les domaines UBAN, i.e. Ub-Binding domain in ABIN proteins and NEMO (Molecular recognition of M1-linked ubiquitin chains by native and phosphorylated UBAN domains 2019) et USP des DUB.
• La TECK-box (Lys6, Lys11, Thr12, Thr14 et Glu34) joue un rôle dans la dégradation mitotique.
• Le patch polaire autour de Asp58 (Arg54, Thr55, Ser57 et Asp58) pourrait intervenir.
• Le patch diglycine C-terminal (Leu71-Arg72-Leu73-Arg74-Gly75-Gly76) pourrait aussi être reconnu.

L'ubiquitine peut être aussi phosphorylée sur de nombreux résidus : Thr7, 9, 12, 14, 22, 55, 59, 66 et Ser 20, 57, 65

2. La conjugaison de l'ubiquitine à un substrat (ubiquitination) et sa déconjugaison (désubiquitination) font partie d'un puissant système de signalisation pour cibler l'activité de ses enzymes cibles.

• Il se produit un équilibre entre l'ubiquitination par la coopération des enzymes d'activation E1 (E1 ubiquitin-activating enzyme), des enzymes de conjugaison E2 (E2 ubiquitin-conjugating enzyme) et des E3 ubiquitine ligases et les désubiquitinases (DUB).
• Ces enzymes sont régulées très précisément pour contrôler le processus d'ubiquitination/désubiquitination.

E3 ubiquitine ligases : généralités

Les E3 ubiquitine ligases, qui comprennent plus de 600 membres chez l'homme, 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 pas d'atomes de zinc y sont intégrées,
• la famille des RBR (RING-between-RING).

On peut aussi les classer différemment.

1. Les E3 ubiquitine ligases simples sont composées d'un seul polypeptide qui contient un domaine RING ou une U-box pour recruter l'enzyme de conjugaison E2 (E2 ubiquitin-conjugating enzyme), et un domaine qui interagit avec le substrat, comme la répetition WD40 (WD40 repeat) par exemple.

2. Les E3 ubiquitine ligases complexes peuvent :

• contenir plusieurs protéines comme le complexe SCF ou l'APC (Anaphase Promoting Complex) par exemple, qui comprennent qu'un seul domaine de recrutement de l'E2 et de reconnaissance du substrat,
• être oligomériques et contenir de multiples domaines de recrutement pour E2 et/ou de reconnaissance du substrat : de nombreuses E3 ligases forment des homodimères et des hétérodimères spécifiques par l'interaction entre leurs domaine RING/RING, RING/U-box et U-box/U-box (The Prp19 U-box Crystal Structure Suggests a Common Dimeric Architecture for a Class of Oligomeric E3 Ubiquitin Ligases 2008).

Famille HECT