Sumoylation et protéines SUMO ("Small Ubiquitin-like Modifier")

1. Introduction

2. Cibles des protéines SUMO

3. Mécanisme de la sumoylation

 

4. Structure des protéines SUMO

5. Liens Internet et références bibliographiques

 

1. Introduction

La fixation de protéines SUMO ("Small Ubiquitin-related MOdifier") à certaines protéines cibles est une modification post-traductionnelle avec des particularités :

  • elle est réversible
  • elle peut modifier la localisation (en plus de la stabilité donc de l'activité) de la protéine cible
  • il existe des centaines de protéines cibles (voir les protéines 14.3.3 ou la calmoduline)

La sumoylation s'effectue via une cascade enzymatique analogue à l'ubiquitinylation. En revanche, le devenir des protéines sumoylées n'est pas la dégradation.

La sumoylation peut induire 3 effets (non-mutuellement exclusifs) sur la protéine cible.

(A) elle peut empêcher les interactions entre la protéine cible et une tierce protéine qui interagirait avec elle. Exemple : PCNA ("Proliferating Cell Nuclear Antigen") / Eco1

(B) elle peut créer un nouveau site de fixation sur la protéine cible et induire de nouvelles interactions SUMO-dépendantes ("recruiting-factor"). Exemple : recombinaison au cours de la phase S - sumoylation de PCNA / hélicase Srs2.

(C) elle peut induire un changement de conformation de la protéine cible altérant ainsi son activité ou dévoilant un site de fixation jusque là masqué.

SUMO effet sumoylation

2. Cibles des protéines SUMO

Un grand nombre de protéines cibles des protéines SUMO sont des protéines nucléaires (facteurs de transcription ou protéines impliquées dans l'organisation de la chromatine, la réplication et la réparation de l'ADN).

Cependant, des cibles sont présentes dans le cytoplasme, la membrane plasmique, le réticulum endoplasmique et la mitochondrie.

Figure ci-contre : Exemples de cibles des protéines SUMO.

Source : Geiss-Friedlander & Melchior (2007)

Cibles des proteines SUMO

La sumoylation :

  • de RanGAP1 par SUMO1 induit son changement de localisation cellulaire via les pores nucléaires
  • des canaux ioniques K2P1 et Kv1.5 diminue leur activité
  • du récepteur glutamate GluR6 entraîne son internalisation
  • inactive la tyrosine phosphatase-1B liée au réticulum endoplasmique
  • affecte la dynamique mitochondriale : sur-expression des protéines SUMO ou répression des isopeptidases des protéines SUMO
  • SENP5 accroît la fission mitochondriale

Exemples de processus physiologiques dans lesquelles la sumoylation joue un rôle très important (liste non exhaustive) :

  • maladies neuro-dégénératives
  • le cycle cellulaire, la meiose, la ségrégation des chromosomes pendant la mitose
  • le développement embryonaire
  • le contrôle de la stabilité du génome
  • chez les plantes, les protéines SUMO jouent un rôle clé dans la réponse aux stress abiotiques, (châleur, sècheresse, salinité, signalisation acide abcissique, froid, nutriements), dans le développement et la protection contre les pathogènes (voir Castro et al., 2012).
  • réponse au stress lié à l'accumulation de protéines mal repliées dans le réticulum endoplasmique : la forme active de XBP1 est sumoylée principalement par PIAS2 (voir ci-dessous) sur 2 Lys localisées à l'extrémité C-terminale du domaine de transactivation.

Processus biologique Protéine cible de SUMO Fonction Mécanisme Organisme
Cytokines Cdc3, 11, Shs1 Désassemblage des anneaux septines Pas élucidé Levure
Canal ionique KCNA5 Modulation de l'activité Pas élucidé Mammifères
Activité des récepteurs

GLUK2

TbRI

Internalisation

Augmentation de l'activité

Pas élucidé

Recrutement de Smad3

Mammifères

Mammifères

Transduction du signal Smad4 Modulation du signal Pas élucidé Mammifères
Transport RanGAP1 Translocation Association à RanBP2 Mammifères
Sous-compartimentation PML

Formation des corps PML

Dégradation des chaînes poly-sumoylées

Interaction SUMO - "SUMO-Interacting-Motif"

STUbL (RNF4)

Mammifères
Biogénèse des ribosomes Nop7 Biogénèse des ribosomes et export Pas élucidé Levure
Réplication de l'ADN PCNA Inhibition de la recombinaison Recrutement de Srs2 Levure
Transcription

Mot1

Sp3

Degradation médiée par STUbL

Répression de la transcription

STUbL (SIx5/SIx8)

Recrutement de méthyltransférases des histones

Levure

Mammifères

Réparation des cassures double-brin

BRCA1, 53BP1

Rad52

Réparation des cassures double-brin

Régulation de l'activité Rad52

Augmentation de l'activité ligase

Stabilisation, localisation

Mammifères

Levure, Mammifères

Réparation de l'excision des bases TDG Relarguage de l'ADN Changement conformationnel Mammifères
Mitose

Ndc10, Ndc80

Aurora B

Mitose adéquate Changement de localisation

Levure

Mammifères

Méiose Red1 Formation de complexe synaptonemal Fixation au complexe synaptonemal Zip1 Levure
Maintien des télomères TRF1, TRF2 Homéostasie de la longueur du télomère Recrutement de des corps nucléaires PML Mammifères
Source : Creton & Jentsch (2010) Cell 143

Un modèle mammifère, la souris, a récemment été développé (Tirard et al., 2012) pour l'étude in vivo de la SUMOylation, qui est délicate techniquement.

Ces souris "knock-in", appelées His6-HA-SUMO1 expriment une version étiquetée du gène Sumo1 qui code pour l'une des principales enzymes de la SUMOylation.

Ces souris ont permis la conversion de plusieurs nouveaux substrats de SUMOylation de cerveaux de souris.

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3. Mécanisme de la sumoylation

La sumoylation résulte d'une cascade de réaction enzymatiques (comme l'ubiquitinylation).

Les protéines SUMO sont synthétisées sous forme de précurseur inactif.

1ère étape : une protéase des protéines SUMO, "Ubiquitin-like Specific Protease" (Ulp) chez la levure ou "SENtrin-specific Protease" (SENP) chez l'homme clive 4 acides aminés de l'extrémité C-terminale du précurseur, ce qui fait apparaître une extrémité Gly-Gly.

2ème étape : la protéine SUMO est activée par "E1-activating enzyme" (avec hydrolyse de l'ATP), constituée de 2 sous-unités :

  • "SUMO-activating enzyme 1" - SAE1 (ou "Activation of Smt3p" - Aos1, chez la levure) : réaction d'adénylation
  • "SUMO-activating enzyme 2" - SAE2 (ou "Ubiquitin-like activating enzyme subunit 2" - Uba2, chez la levure) : réaction de thio-estérification
3ème étape : réaction de trans-estérification du résidu catalytique Cys de "E2-conjugating enzyme" - UBC9.

SUMO sumoylation Ulp SENP SAE1 SAE2 UBC9 Lysine

4ème étape : UCB9 forme une liaison isopeptidique entre la Gly C-terminale de la protéine SUMO et le groupement ε-aminé d'un résidu lysine (K) de la protéine cible.

Le résidu lysine (en position 11 chez SUMO2 et SUMO 3), fait partie d'un motif consensus de sumoylation ("SUMO-Interacting-Motif" - SIM) : ψKX[D/E], où ψ est un gros résidu d'acide aminé hydrophobe (I, L ou V), X est n'importe quel acide aminé et [D/E] est un acide aminé acide.

Chez certaines protéines cibles, un motif additionnel dans cette séquence consensus permet le couplage de la sumoylation à d'autres modifications post-traductionnelle.

Le motif "Phosphorylation-Dependent SUMO Motif" - PDSM en est un exemple dans le cas de la phosphorylation : ψKX(D/E)XXSP avec une Ser qui peut être phosphorylée. La phosphorylation augmente le taux de "conjuguaison" de ces protéines cibles avec les protéines SUMO : le signal de phosphorylation est converti en un signal de sumoylation.

4ème étape (selon les protéines cibles) : la sumoylation de cibles spécifiques nécessite une "E3-ligase".

Les E3-ligases qui ont été caractérisées contiennent les domaines SAP et Miz1 (SIZ1 et SIZ2), "Protein Inhibitors of Activated STAT" - PIAS, qui constitue la famille SIZ/PIAS , "nuclear pore complex-associated protein" - RanBP2 et l'homologue "Polycomb " - PC2.

  • STAT : "Signal Transducer and Activator of Transcription"

Les E3-ligases régulent les interactions entre la protéine cible, la protéine SUMO et UBC9.

5ème étape : La désumoylation ("SUMO deconjugation") est essentielle à la régulation de ce processus.

La même famille de protéine Ulp ou SENP catalyse :

  • l'hydrolyse du précurseur SUMO
  • la désumoylation de la protéine cible
  • l'édition des chaînes sumoylées (coupure de une ou plusieurs protéines SUMO d'une chaîne poly-sumoylée)

Chez l'homme, 6 isoformes de SENP ont été identifiées et classées en 3 sous-familles :

  • SENP1 et SENP2 désumoylent les protéines SUMO1, SUMO2 et SUMO3
  • SENP3 et SENP5 désumoylent les protéines SUMO2 et SUMO3
  • SENP6 et SENP7 désumoylent les protéines SUMO2 et SUMO3

Protéines de la voie de sumoylation
Protéine Levure (Saccharomyces cerevisiae) Mammifères
Modification ("modifier") Smt3 SUMO1 à SUMO4
SUMO-activating enzyme subunit 1 (E1) Aos1 / Uba2 SAE1 / SAE2
SUMO-conjugating enzyme (E2) / E.C. 6.3.2. UBC9  
SUMO-protein ligase (E3) / E.C. 6.3.2.
Désumoylation ("deconjugation") / E.C. 3.4.22.68 Ulp1, Ulp2 SENP1 à SENP7

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4. Structure des protéines SUMO

Les protéines SUMO sont des protéines d'environ 100 - 115 acides aminés (10 - 12 -kDa).

Motif consensus de sumoylation - SIM ("SUMO-Interacting-Motif")

L'analyse des séquences en acides aminés de ces motifs a permis d'établir, pour l'instant, 3 classes de SIM.

  • SIMa : 4 résidus d'acides aminés hydrophobes consécutifs, suivis d'un groupe Ser/Asp/Glu. Variabilité au niveau de la 3è position hydrophobe.
  • SIMr : même séquence que SIMa, avec une orientation inversée.
  • SIMb (famille PIAS) : plus court que SIMa mais mieux conservé : la séquence VIDLT est très souvent retrouvée. Variabilité cependant au niveau des 2 premiers acides aminés.

Les protéines SUMO sont des protéines similaires à l'ubiquitine. Les protéines SUMO et les ubiquitines n'ont environ que 20% d'homologie de séquences en acides aminés mais leur repliement sont trés semblables.

  • protéine SUMO1 de l'homme : PDB 1A5R
  • ubiquitine de l'homme : PDB 1UBQ

SUMO sumoylation ubiquitin ubiquitinylation

Source : Castro et al., 2012

Visualisation du complexe SUMO1 - UBC9 de Homo sapiens à une résolution de 2,4 Å

Code PDB : 2PE6

  • en rouge : SUMO1
  • en jaune : UBC9

L'interface SUMO-UBC9 non covalente semble importante pour :

  • la formation des chaînes poly-sumoylées
  • pour le recrutement de E2 par les protéines cibles sumoylées
  • pour la médiation des interactions [E2 - E1] ou [E2 - E3]

Pour faire apparaître de multiples fonctions du menu Jmol :

  • clic sur "Jmol" (Mac)
  • clic droit sur "Jmol" (PC)

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5. Liens Internet et références bibliographiques

Qiagen : "RNAi pathway"

SUMOplot™ Analysis Program

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SUMOplot

Geiss-Friedlander & Melchior (2007) "Concepts in sumoylation: a decade on" Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 8, 947 - 956

Wilkinson & Henley (2010) "Mechanisms, regulation and consequences of protein SUMOylation" Biochem. J. 428, 133 - 145

Article

Article

Castro et al. (2012) "SUMO, a heavyweight player in plant abiotic stress responses" Cell Mol. Life Sci. 69, 3269 - 3283

Tirard et al. (2012) "In vivo localization and identification of SUMOylated proteins in the brain of His6-HA-SUMO1 knock-in mice" PNAS 109, 21122 - 21127

Article

Article

Capili & Lima (2007) "Structure and analysis of a complex between SUMO and Ubc9 illustrates features of a conserved E2-Ubl interaction" J. Mol. Biol. 369, 608 - 618

Hecker et al. (2006) "Specification of SUMO1- and SUMO2-interacting Motifs" J. Biol. Chem. 281, 16117 - 16127

Article

Article

 

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