1. Introduction

2. Cibles des protéines SUMO

3. Mécanisme de la sumoylation

4. Structure des protéines SUMO

5. Liens Internet et références bibliographiques

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.

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-dessous : exemples de cibles des protéines SUMO.

Source : Geiss-Friedlander & Melchior (2007)

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 lesquels 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.

Un modèle mammifère, la souris, a 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.

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.

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.
• 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 ("Sentrin-specific protease 1") 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

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, au minimum, 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. Voir la protéine SUMO1 de l'homme : PDB 1A5R et l'ubiquitine de l'homme : PDB 1UBQ.

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]