Modifications post-traductionnelles des protéines
Ubiquitination : ubiquitine et système enzymatique E1-E2-E3

Fonction générale de l'ubiquitination

1. L’ubiquitination est un mécanisme post-traductionnel universel qui régule la durée de vie, l’activité et la localisation des protéines cellulaires.

Elle repose sur la fixation covalente d’une ou de plusieurs ubiquitines sur des résidus spécifiques, créant ainsi un code moléculaire polyvalent.

a. Ce marquage permet d’orienter les protéines vers des voies distinctes selon la nature du signal :

• la polyubiquitination, le plus souvent via la lysine K48, conduit à la dégradation protéasomale,
• monoubiquitination ou chaînes atypiques pour des fonctions non protéolytiques.

b. L’ubiquitination assure ainsi un contrôle fin et réversible du protéome, garantissant l’adaptation rapide de la cellule à ses besoins métaboliques et à ses signaux environnementaux.

2. L’ubiquitine doit, pour se fixer sur la protéine cible, processus appelé ubiquitination ou ubiquitinylation, recourir à une succession coordonnée d’enzymes spécifiques agissant de manière séquentielle.

• L'enzyme d’activation (E1) active l’ubiquitine par une réaction ATP-dépendante pour former un intermédiaire thioester (E1~Ub).
• L'enzyme de conjugaison (E2) reçoit ensuite l’ubiquitine activée depuis E1 pour générer le complexe E2~Ub.
• L'enzyme ligase (E3) reçoit le complexe E2~Ub, reconnaît le substrat, oriente les partenaires et catalyse la formation de la liaison isopeptidique reliant l’ubiquitine à la protéine cible.

Ces trois étapes s’enchaînent de manière ordonnée pour aboutir à la formation d’un pont isopeptidique entre la glycine C-terminale (G76) de l’ubiquitine et une lysine du substrat, assurant ainsi la fixation covalente du signal ubiquitine.

3. 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 où les protéines polyubiquitinées sont reconnues, déroulées et hydrolysées.

4. L'ubiquitination a bien d'autres fonctions dans la régulation cellulaire par le contrôle (( rôles de l'ubiquitination) :

• de la signalisation,
• du cycle cellulaire,
• du trafic vésiculaire,
• de la réparation de l’ADN,
• de l’autophagie.

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. Elle présente une structure en repli β-grasp, β-grasp fold, hautement conservée au cours de l’évolution.

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. Le pli β-grasp se retrouve, quelque peu modifié, dans :

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

2. Le pli β-grasp est très ancien et hautement conservé chez les plantes, les levures et les animaux, ne différant que par trois résidus (Origin and Function of Ubiquitin-like Protein Conjugation 2009 et Structure and evolution of ubiquitin and ubiquitin-related domains 2012).

a. À l’origine, il aurait servi de domaine de liaison à l’ARN lors de la traduction primitive des protéines.

b. Il s’est ensuite adapté à diverses fonctions :

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

3. La synthèse de l’ubiquitine est hautement conservée au cours de l’évolution.

La protéine précurseur subit une maturation protéolytique afin d'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 enzymatique impliquant l’activation (E1), la conjugaison (E2) et la ligature (E3) aboutit à la formation de conjugués contenant une ou plusieurs ubiquitines. Ce processus produit des formes mono- ou polyubiquitinées, selon le nombre de molécules ajoutées et la nature des liaisons ( E3 ubiquitine ligases).

L’ubiquitination est un processus réversible, contrôlé par les enzymes désubiquitinantes (DUB), 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.

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

3. 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.

Mécanisme de l'ubiquitination