• Keine Ergebnisse gefunden

Insights into NEDD8 function and the regulation of its conjugation system

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Aktie "Insights into NEDD8 function and the regulation of its conjugation system"

Copied!
136
0
0

Wird geladen.... (Jetzt Volltext ansehen)

Volltext

(1)

 

Insights into NEDD8 function  and the regulation of its 

conjugation system 

 

Dissertation   

zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der 

Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)      

 

vorgelegt von   

Dana Pagliarini  

 

an der 

 

             

Mathematisch‐Naturwissenschaftliche Sektion  Fachbereich Biologie 

   

Tag der mündlichen Prüfung: 07. Juni 2013        1. Referent: Prof. Dr. Martin Scheffner        2. Referent: Prof. Dr. Thomas U. Mayer 

(2)

           

Für meine Eltern  

(3)

Table of contents   

Abbreviations             i   

Abstract                         ii    

Zusammenfassung                iii 

      1.   Introduction                1 

      1.1 Ubiquitin‐proteasome system              1 

       1.1.1 Ubiquitin‐conjugation cascade           2 

       1.1.2 Modes of ubiquitination           4 

       1.1.3 Ubiquitin recycling and the proteasome           6 

      1.2 Ubiquitin‐like proteins (UBLs)           6 

       1.2.1 SUMO           7 

       1.2.2 Other UBLs           8 

      1.3 NEDD8           9 

       1.3.1   Substrates and functions of NEDD8         10 

      1.3.1.1 Cullins         10 

      1.3.1.2 NEDD8 and transcriptional regulation          12 

      1.3.1.3 Further substrates and functions of NEDD8         13   

       1.3.2   NEDD8‐conjugation cascade         14 

      1.3.2.1 APPBP1/UBA3, the NEDD8‐activating enzyme         16 

      1.3.2.2 NEDD8‐conjugating enzymes         18 

      1.4 Aim of the studies         21 

     2.   Material and Methods  22

      2.1 Material  22

       2.1.1   Solutions and media  22

       2.1.2   Chemicals and Reagents  24

       2.1.3   Bacterial strains  25

       2.1.4   Mammalian cell lines  26

       2.1.5   Antibodies  26

       2.1.6   Primers  27

       2.1.7   Plasmids constructed and used in this study  28        2.1.8   Other plasmids used in this study  29

       2.1.9   DNA‐ and protein markers  30

      2.2 Methods  30

       2.2.1   PCR and cloning  30

(4)

       2.2.1.1   Polymerase chain reaction (PCR)  30

       2.2.1.2   Gene synthesis  30

       2.2.1.3   Site directed mutagenesis  30

       2.2.1.4   Restriction digest  31

       2.2.1.5   Agarose gel electrophoresis  31        2.2.1.6   Purification of DNA from agarose gels  31

       2.2.1.7   Ligation   31

       2.2.1.8   Transformation of DNA into chemical competent E. coli   31        2.2.1.9   Preparation of DNA in low and high scale  31        2.2.1.10 Measurement of DNA and RNA concentrations  32

       2.2.1.11 DNA sequencing  32

       2.2.2  Maintenance of bacterial cultures and mammalian cell lines  32        2.2.2.1   Bacterial cultivation and preparation of glycerol stocks     32        2.2.2.2   Maintenance of mammalian cell lines  32        2.2.2.3   Freezing of cells in liquid nitrogen   32        2.2.3  Protein expression and ‐purification  32        2.2.3.1   Expression and purification of GST‐fusion proteins in 

       E. coli  32

       2.2.3.2   Expression and purification of His‐tagged proteins in   

       E. coli  33

       2.2.3.3  Expression and purification of NEDD8 and ubiquitin for       

      click reaction        33        2.2.3.4   Expression and purification of PCNA for click reaction  33        2.2.3.5   In vitro translation   34

       2.2.4  Protein analysis  34

       2.2.4.1   Bradford assay  34

       2.2.4.2   SDS‐polyacrylamide gel electrophoresis (SDS‐PAGE)  35        2.2.4.3   Coomassie Blue and colloidal Coomassie staining  35

       2.2.4.4   Fluorography  35

       2.2.4.5   Western Blot  35

       2.2.5   In vitro assays  36

      2.2.5.1   Methanol‐Chloroform precipitation of proteins  36       2.2.5.2   GST‐pulldown assay  36       2.2.5.3   Affinity chromatography  36       2.2.5.4   In vitro NEDDylation assay  37

      2.2.5.5   Thioester assay  37

      2.2.5.6   Cu(I)‐catalyzed Huisgen azide‐alkyne cycloaddition  37

(5)

      2.2.5.7   Transient transfection   37       2.2.5.8   TNN cell lysis and ß‐galactosidase assay  38       2.2.5.9   Immunoprecipitation   38       2.2.5.10 Cycloheximide chase  38       2.2.5.11 Cellular fractionation  39       2.2.5.12 Preparation of total RNA   39       2.2.5.13 Reverse transcription  39       2.2.5.14 Antibody purification      39

       2.2.6   In cellulo assays  40

      2.2.6.1   In cellulo ubiquitination and NEDDylation assays  40       2.2.6.2   Immunofluorescence  40

    3.     Results  41

      3.1 AutoNEDDylation of NEDD8‐conjugating enzymes increases the  

       affinity to their cognate E1  41

       3.1.1 Ubc12 and Nce2 form a thioester bond with NEDD8 but not with        ubiquitin 

         42         3.1.2 NEDD8‐conjugating enzymes are autoNEDDylated  43        3.1.3 HPNI mutants of the NEDD8‐conjugating enzymes are not impaired in 

      thioester formation but in autoNEDDylation  45        3.1.4 AutoNEDDylation of the NEDD8 E2 enzymes predominantly occurs in  

      their N terminus  46

       3.1.5 AutoNEDDylation enhances the affinity of Ubc12 and Nce2 to the NEDD8 

       E1 enzyme APPBP1/UBA3  50

       3.1.6 Fusion of NEDD8 to its E2s leads to an enhanced localization in the 

      nucleus   51

      3.2 PCNA as a new substrate for the NEDD8‐conjugation  pathway    54        3.2.1 PCNA interacts with NEDD8 and ubiquitin  54        3.2.2 PCNA is NEDDylated in cells being dependent on K164  56        3.2.3 PCNA NEDDylation depends on the activity of APPBP1/UBA3 in cells         58         3.2.4 NEDDylation of PCNA is enhanced by the E3 ligase Rad18  60        3.2.5 NEDD8‐conjugating enzymes do not bind to PCNA in cells

        

  60

       3.2.6 PCNA Y211F, a phosphorylation deficient mutant, is NEDDylated in cells   61        3.2.7 Cu(I)‐catalyzed Huisgen azide‐alkyne cycloaddition as a tool to study 

      functions of NEDDylated PCNA  62

      3.3 A new isoform of the NEDD8‐conjugating enzyme Nce2  65        3.3.1 mRNA encoding Nce2 isoform 2 is expressed in HEK293T cells  67

(6)

       3.3.2 Tertiary structure prediction for Nce2 isoform 2 reveals an             unstructured, flexible C terminus 

  67        3.3.3 Nce2 isoform 2 forms a thioester bond with NEDD8 but not with  

       ubiquitin and is NEDDylated in vitro  68        3.3.4 Nce2 isoform 2 is NEDDylated and ubiquitinated in cells  70        3.3.5 Nce2 isoform 2 has a shorter half‐life than isoform1 and is degraded by  

       the proteasome  72

       3.3.6 Nce2 isoform 1 and 2 differ in their subcellular localization  74        3.3.7 Development of an antibody specifically recognizing Nce2 isoform 2   75

    4.     Discussion  77

      4.1 AutoNEDDylation as a regulatory mechanism of NEDD8‐conjugating enzymes  77        4.1.1 NEDD8‐conjugating enzymes are autoNEDDylated in their unique      

       N terminus 

                77        4.1.1.1 Indications for endogenous autoNEDDylation of Ubc12 and Nce2    77        4.1.1.2 The HPNI‐motif of Ubc12 and Nce2 is important for isopeptide  

       bond formation  78

       4.1.1.3 The N termini of Ubc12 and Nce2 are crucial for an efficient  

       autoNEDDylation        79        4.1.2 Possible functions of autoNEDDylation  81        4.1.2.1 AutoNEDDylation as regulator of the subcellular localization of  

      Ubc12 and Nce2  82

       4.1.2.2 Acetylation of NEDD8 E2 enzymes as a competitive modification 

      to NEDDylation  82

       4.1.2.3 AutoNEDDylation enhances the affinity of NEDD8 E2s to  

       APPBP1/UBA3  83

       4.1.2.4 Further possible functions and impacts of autoNEDDylation  85

4.2 Interplay between PCNA and the NEDD8 system  88

       4.2.1 PCNA as an interaction partner of NEDD8  88        4.2.2 PCNA as a substrate for NEDD8         89         4.2.2.1 Evidence for NEDDylation of PCNA in vitro and in cellulo  89        4.2.2.2 Effects of MLN4924 on the NEDDylation of PCNA          91         4.2.2.3 Hints for possible functions of NEDDylated PCNA  92        4.2.2.4 Click reaction as tool to identify functions of monoNEDDylated  

       PCNA  94

      4.3 A second isoform of Nce2 with individual properties  96        4.3.1 Nce2 isoform 2 as a splice variant with an extended C terminus  96

(7)

       4.3.2 mRNA of the second isoform of Nce2 is present in HEK293T cells   96        4.3.3 Nce2 isoform 2 is active in vitro and can be NEDDylated  97        4.3.4 The cellular localization distinguishes Nce2 isoform 2 from isoform 1  99        4.3.5 A C‐terminal unstructured region promotes insolubility in bacteria and 

       rapid degradation in cells  100

       4.3.6 Possible functions of Nce2 variants  101

    5.     References  105

Eidesstattliche Erklärung  124

Danksagung  125

 

(8)

Abbreviations 

 

aa  amino acid(s) 

bp  base pairs 

cDNA  complementary DNA  DMSO  Dimethylsulfoxide 

dNTP  Deoxynucleoside triphosphate  DTT  Dithiothreitol 

EDTA  Ethylenediaminetetraacetic acid  E1  UBL‐activating enzyme 

E2  UBL‐ conjugating enzyme 

E3  UBL ligase 

FCS  Fetal calf serum 

GST  Glutathione‐S‐transferase  HA‐tag  Hemagglutinin‐tag  His‐tag  6x Histidin‐tag  IP  Immunoprecipitation 

IPTG  Isopropyl‐β‐D‐thiogalactopyranoside  kDa  kilo Dalton 

mRNA  messenger RNA 

Ni‐NTA  Nickel‐nitrilotriacetic acid  OD  optical density 

ONPG  Ortho‐nitrophenyl‐β‐galactoside  PBS  Phosphate buffered saline  PCR  polymerase chain reaction  rpm  revolutions per minute  RT  reverse transcription  SDS  Sodium dodecyl sulfate  UBL  ubiquitin‐like protein 

wt  wild‐type 

 

 

(9)

Abstract 

NEDD8 belongs to the family of ubiquitin‐like proteins which share a common basic structure. In  an  enzymatic  cascade,  NEDD8  can  be  attached  to  other  proteins  via  its  C  terminus  (“NEDDylation”).  NEDDylation  plays  an  important  role  in  various  cellular  processes  including  cell cycle, transcription or the regulation of protein stability. Previous studies revealed NEDD8  to have many yet uncharacterized substrates. During this work, the sliding clamp PCNA, which  functions  in  replication  and  DNA  damage  repair,  was  identified  as  a  new  substrate  for  NEDDylation.  PCNA  is  modified  with  NEDD8  at  the  same  lysine  (K164)  residue  that  can  be  targeted  for  SUMOylation  and  ubiquitination.  Rad18,  the  E3  ligase  for  ubiquitination  of  PCNA  upon  DNA  damage,  enhances  monoNEDDylation  of  PCNA.  We  furthermore  expressed  NEDD8  and PCNA containing non‐natural amino acids that can be used for the formation of  a triazole  linkage  via  click  reaction.  This  “monoNEDDylated”  PCNA  provides  a  tool  for  a  functional  characterization in the future. 

In a further part of this study, regulation and function of the NEDD8‐conjugating enzymes Ubc12  and Nce2 were investigated. To date, not much is known about if and how the E2 enzymes of the  NEDD8‐conjugation  cascade  are  regulated.  We  here  provide  evidence  that  these  enzymes  are  autoNEDDylated in the N‐terminal extension of the catalytic core domain, which is not present in  most  other  E2  enzymes.  This  autoNEDDylation  of  Ubc12  and  Nce2  appears  to  enhance  their  affinity to APPBP1/UBA3, the E1 enzyme of the NEDD8‐conjugation cascade. Using NEDD8‐E2  fusion  proteins  an  increased  efficiency  in  NEDD8  transfer  from  the  E1  to  the  E2  enzyme  compared to wt Ubc12 and Nce2 was observed. However, the exact function of autoNEDDylation  in cells, which might be a change in substrate specificity, enhanced substrate NEDDylation or a  switch‐off mechanism for the whole cascade, still needs to be determined. 

To gain further insights into function and regulation of NEDD8‐conjugating enzymes, a second  isoform  of  Nce2  was  characterized  which  has  recently  been  identified  in  a  screen  for  splice  variants.  Nce2  isoform  2  mRNA  was  verified  to  be  present  in  cells.  To  prove  the  existence  of  endogenous protein, an antibody specifically recognizing the second, but not the first isoform of  Nce2 was developed. Tertiary structure prediction of the new isoform revealed an unstructured,  flexible C terminus. Using overexpressed isoform 2, a difference in the subcellular localization of  both  isoforms  was  demonstrated.  In  contrast  to  Nce2  isoform  1,  isoform  2  is  probably  not  autoNEDDylated, but regulated via ubiquitination leading to a shorter half‐life. In future studies,  the functionality and the role of Nce2 isoform 2 in cells need to be investigated. 

In conclusion, identification of PCNA as a new substrate of NEDD8, evidence for a regulation of  NEDD8‐conjugating enzymes  by  autoNEDDylation as well as the new isoform of Nce2 provide  insights into yet unknown physiological functions of NEDD8. 

(10)

Zusammenfassung  

NEDD8  gehört  zur  Familie  der  Ubiquitin‐ähnlichen  Proteine,  die  eine  gemeinsame  Grundstruktur  aufweisen.  In  einer  enzymatischen  Kaskade  kann  NEDD8  über  seinen  C‐

Terminus  an  andere  Proteine  konjugiert  werden  („NEDDylierung“).  Die  NEDDylierung  spielt  eine  wichtige  Rolle  in  verschiedenen  zellulären  Prozessen  wie  z.B.  dem  Zellzyklus,  der  Transkription oder der Regulation der Proteinstabilität. Frühere Studien wiesen bereits auf die  Existenz  einiger  weiterer,  bisher  noch  nicht  charakterisierter  Substrate  von  NEDD8  hin.  Im  Rahmen  dieser  Arbeit  konnte  PCNA,  das  sowohl  für  die  Replikation  als  auch  für  die  DNA‐

Reparatur  benötigt  wird,  als  neues  Substrat  für  NEDD8  identifiziert  werden.  PCNA  wird  an  demselben  Lysinrest  (K164)  monoNEDDyliert,  der  auch  SUMOyliert  und  ubiquitiniert  werden  kann. Diese MonoNEDDylierung von PCNA wird durch die E3 Ligase Rad18 verstärkt, die auch  die  Ubiquitinierung  von  PCNA  nach  DNA‐Schäden  vermittelt.  Während  dieser  Studien  wurden  zudem NEDD8 und PCNA mit nicht‐natürlichen  Aminosäuren exprimiert, die in der sog. „Click  Reaktion“  eine  Triazolbindung  eingehen  können.  Das  so  gebildete  „monoNEDDylierte“  PCNA  kann zukünftig für eine funktionelle Charakterisierung verwendet werden.  

Ein weiterer Teil dieser Arbeit beinhaltet die Untersuchung der Regulation und der Funktion der  NEDD8‐konjugierenden Enzyme Ubc12 und Nce2. Bisher war nicht sehr viel darüber bekannt,  ob und wie die E2‐Enzyme der NEDDylierungskaskade reguliert werden. Im Zuge dieser Arbeit  konnte der Beweis erbracht werden, dass beide Enzyme autoNEDDyliert werden können. Diese  AutoNEDDylierung  findet  dabei  in  der  N‐terminalen  Verlängerung  der  katalytischen  Kerndomäne der E2s statt, die in den meisten anderen bekannten E2‐Enzymen nicht zu finden  ist. Die AutoNEDDylierung von Ubc12 und Nce2 scheint die Affinität zu APPBP1/UBA3, dem E1‐

Enzym  der  NEDDylierungskaskade,  zu  verstärken.  Unter  Zuhilfenahme  von  NEDD8‐E2  Fusionsproteinen konnte gezeigt werden, dass der Transfer von NEDD8 von dem E1‐ zum E2‐

Enzym  im  Vergleich  zu  Ubc12  und  Nce2  wt  effizienter  ist.  Die  genaue  Funktion  der  AutoNEDDylierung  der  NEDD8  E2s  in  Zellen  gilt  es  allerdings  noch  zu  untersuchen. 

Möglicherweise  resultiert  sie  in  einer  Änderung  der  Substratspezifität,  einer  erhöhten  SubstratNEDDylierung oder einem Abschaltmechanismus für die gesamte Kaskade. 

Um weitere Kenntnisse über Funktion und Regulation von NEDD8‐konjugierenden Enzymen zu  erlangen, wurde eine zweite Isoform von Nce2 charakterisiert, die kürzlich in einem Screen nach  Splice‐Varianten  entdeckt  wurde.  Die  mRNA  dieser  Isoform  konnte  tatsächlich  in  Zellen  nachgewiesen  werden.  Zwecks  Detektion  des  endogenen  Proteins  wurde  ein  Antikörper  entwickelt, der spezifisch die zweite, aber nicht die erste Isoform von Nce2 erkennt. Das erstellte  Modell der Tertiärstruktur der Isoform 2 lässt einen unstrukturierten und flexiblen C‐Terminus  erkennen.  Mittels  Überexpression  von  Isoform  2  konnte  ein  Unterschied  in  der  subzellulären 

(11)

Lokalisation beider Isoformen nachgewiesen werden. Überdies wird Isoform 2 im Gegensatz zur  ersten  Isoform  wahrscheinlich  nicht  autoNEDDyliert,  aber  über  Ubiquitinierung  reguliert,  die  eine  verkürzte  Halbwertszeit  des  Proteins  zur  Folge  hat.  In  zukünftigen  Studien  muss  die  Funktionalität und die Rolle der zweiten Isoform von Nce2 in der Zelle untersucht werden. 

Die Identifikation von PCNA als neues Substrat von NEDD8, der Beweis einer Regulation der E2‐

Enzyme  mittels  AutoNEDDylierung  sowie  der  Nachweis  einer  neuen  Isoform  von  Nce2  ermöglichen bisher unbekannte Einblicke in die physiologische Rolle von NEDD8. 

 

 

 

 

 

 

 

 

(12)

         

1. Introduction 

 

Protein  function,  localization  and  stability  are  regulated  by  posttranslational  modifications  which involve for example small chemical groups such as acetyl‐, methyl‐ or phosphate moieties,  or larger groups serving as membrane anchors such as palmitoyl‐ or myristoyl groups (Han and  Martinage, 1992; Magee and Courtneidge, 1985). With the discovery of the protein ubiquitin and  its ability to serve as posttranslational modification in the 1980s, a new chapter of the functions  of  these  modifications  has  begun.  Ubiquitin  was  found  to  target  proteins  for  proteasomal  degradation  thereby  offering  the  cell  a  second  major  pathway  to  regulate  protein  levels  in  addition  to  lysosomal  degradation.  In  the  meantime,  several  proteins  with  high  structural  similarity  to  ubiquitin  were  identified  most  of  which  act  as  posttranslational  modifiers  controlling various cellular functions (Hershko and Ciechanover, 1998; Kerscher et al., 2006).  

 

1.1 Ubiquitin‐proteasome system 

Ubiquitin is a small protein of 76 aa and 8.6 kDa which is highly conserved among eukaryotic  organisms  (Hershko  and  Ciechanover,  1998).  Structurally,  ubiquitin  is  characterized  by  a  globular domain with a β‐grasp fold and a flexible C terminus (Figures 1 and 4B) (Vijay‐Kumar  et al., 1987). 

 

             

Figure 1. Crystal structure of ubiquitin revealing the characteristic β­grasp fold  

Ribbon representation of human ubiquitin (protein data base 1UBQ; modeled with Pymol). The structure of ubiquitin  is  characterized  by  four  antiparallel  β‐sheets  grasping  an  α‐helix.  The  C  terminus  of  ubiquitin  protrudes  from  the  globular domain (Vijay‐Kumar et al., 1987). 

C

N

(13)

1.1.1 Ubiquitin‐conjugation cascade

 

In  humans,  expression  of  ubiquitin  from  one  of  the  four  different  genes  first  leads  to  the  formation of an inactive precursor protein (Baker and Board, 1987; Lund et al., 1985; Wiborg et  al., 1985). Being rapidly processed by ubiquitin‐specific proteases, the functionally important C‐

terminal double glycine motif of ubiquitin is exposed (Wilkinson, 1997).  

In  an  enzymatic  cascade,  ubiquitin  is  covalently  attached  to  other  proteins  via  its  C  terminus  (“ubiquitination”).  Ubiquitination  occurs  through  several  consecutive  steps  catalyzed  by  three  (or four) different classes of enzymes: ubiquitin‐activating enzymes (E1), ubiquitin‐conjugating  enzymes  (E2)  and  ubiquitin  ligases  (E3)  (Figure  2).  In  some  cases,  an  E4  enzyme  may  be  required for the formation of ubiquitin chains (Hershko and Ciechanover, 1998; Hoppe, 2005).  

In  a  first  step,  the  carboxyl  group  of  the  C‐terminal  glycine  of  ubiquitin  forms  a  high  energy  thioester linkage with an active site cysteine residue of one of two E1 enzymes, UBA1 or UBA6. 

This  step  is  ATP‐dependent  and  involves  the  formation  of  a  ubiquitin  adenylate  intermediate  (Jin  et  al.,  2007;  Pelzer  et  al.,  2007;  Pickart,  2001).  The  E2  is  then  able  to  accept  activated  ubiquitin from its cognate E1, forming a thioester linkage. In the last step, which in most cases  requires  the  presence  of  an  E3,  ubiquitin  is  transferred  to  the  lysine  residue  of  a  substrate  protein by the formation of an isopeptide bond (Pickart, 2001) (Figure 2). An asparagine residue  in the conserved HPNI/V motif next to the catalytic cysteine of the E2 enzyme plays a crucial role  for accomplishing this transfer, as it might be important for oxyanion intermediate stabilization  during lysine attack (Wu et al., 2003b). 

Structural and functional analyses indicate that E3s consist of at least two functional domains: 

one  domain  (i.e.  RING/RING‐like  or  HECT)  is  interacting  with  the  cognate  E2  while  the  other  mediates the specific interaction with the substrate, thereby conferring substrate specificity on  the whole conjugation cascade. Depending on their mode of action, E3 ligases can be divided into  two major classes: HECT and RING/RING‐like ligases (Metzger et al., 2012). HECT ligases contain  a HECT (Homologous to E6AP Carboxyl Terminus) domain which consists of an N‐terminal and a  C‐terminal  lobe.  The  N‐terminal  lobe  is  necessary  for  the  interaction  with  the  E2  enzyme,  whereas the C‐terminal lobe contains a catalytic cysteine which forms a thioester linkage with  ubiquitin before transferring it to the substrate (Huang et al., 1999).  

             

(14)

                   

                       

Figure 2. Ubiquitin­conjugation cascade 

Ubiquitin is first activated by the E1 and then transferred to one of a number of E2 enzymes. RING E3 ligases facilitate  the conjugation of ubiquitin to the substrate by acting as adaptors between E2s and substrates. In contrast, HECT E3  ligases form thioester bonds with ubiquitin and subsequently transfer it to the substrate. By repeating these steps, the  substrate can be modified with several ubiquitin moieties (modified from (Di Fiore et al., 2003)).  

 

Being encoded by more than 600 genes in mammals, RING ligases represent the largest family of  E3 ligases (Li et al., 2008). This type of ligase is characterized by a RING (Really Interesting New  Gene) domain containing the consensus motif C‐X2‐C‐X(9‐39)‐C‐X(1‐3)‐H‐X(2‐3)‐C/H‐X2‐C‐X(4‐

48)‐C‐X2–C (X stands for any aa), which is stabilized by two zinc ions (Lovering et al., 1993). By  bringing  the  E2  enzyme  and  the  substrate  into  close  proximity,  RING  ligases  allow  a  direct  transfer of ubiquitin from the E2 to the substrate.  

The family of RING ligases comprises ligases that function as monomer, homo‐ or heterodimer  or as large multi‐subunit complexes.  Most of the known RING ligases possess intrinsic E3 ligase  activity,  but  there  are  also  RING  domain  containing  proteins  that  do  not  show  activity  by  themselves,  e.g.  Bard1,  Bmi1  and  HdmX.  Heterodimerization  of  these  E3  ligases  with  another  RING ligase (Brca1, Ring1B and Hdm2, respectively), which involves the interaction of the RING  domains, leads to the stimulation of ligase activity of the latter (Hashizume et al., 2001; Linares  et  al.,  2003;  Wang  et  al.,  2004).  Moreover,  other  RING  E3  ligases  like  RNF4  or  TRAF6  form 

ATP AMP+PPi

(15)

homodimers to execute their function (Liew et al., 2010; Yin et al., 2009). Recent data about the  mechanism of ubiquitin transfer by RNF4 sheds light on why dimerization is necessary for RING  ubiquitin ligase activity. Dimerization of the RING domains facilitates the interaction with both  components of the ubiquitin‐charged E2 at the same time: one monomer binds to ubiquitin and  the other one to the E2. By altering the conformation of the active site of the E2, the E2‐ubiquitin  thioester bond is then activated and ubiquitin can be transferred to the substrate (Plechanovova  et al., 2011; Plechanovova et al., 2012).  

Being  composed  of  multiple  subunits,  the  APC/C  complex  and  cullin‐RING  ligases  such  as  SCF  form  an  additional  type  of  RING  E3  ligases.  APC/C,  a  complex  consisting  of  at  least  twelve  subunits including the RING domain containing protein APC11, plays a major role in cell cycle  regulation,  especially  in  mitotic  progression.  Dependent  on  the  substrate  adaptor  bound,  a  specific  set  of  substrates  is  recognized,  ubiquitinated  and  degraded  by  the  proteasome  (reviewed  in  (Peters,  2006)).  The  SCF  complex  belongs  to  the  largest  family  of  ubiquitin  E3  ligases  known,  the  cullin‐RING  ligases  (see  chapter  1.3.1.1).  It  consists  of  Cullin1  as  scaffold  protein,  the  RING  ligase  RBX1,  Skp1  as  adaptor  protein  and  an  exchangeable  F‐box  protein  recognizing a specific substrate. Not only cell cycle inhibitors like p21 or p27, but also oncogenic  proteins such as Cyclin E or c‐Myc turned out to be substrates for SCF complexes, underlining its  important role in controlling the cell cycle (summarized in (Kitagawa et al., 2009)).  

 

1.1.2 Modes of ubiquitination 

In most cases, ubiquitination of substrates occurs via isopeptide bond formation between the C‐

terminal glycine residue of ubiquitin and the  ‐amino group of a lysine residue in the substrate. 

Furthermore, there are few publications showing that serine, threonine and cysteine residues as  well as the N‐terminal amino group of some proteins are used for the attachment of ubiquitin  (Cadwell and Coscoy, 2005; Ciechanover and Ben‐Saadon, 2004; Shimizu et al., 2010; Wang et al.,  2007b).  

In addition to mono‐ or multiubiquitination where single ubiquitin moieties are conjugated to  one or several distinct residues in the substrate protein, respectively, ubiquitin is also capable of  forming “chains” (polyubiquitination) (Figure 3). Monoubiquitination was found to be involved  in DNA damage response and endocytosis (reviewed in (Hicke, 2001)). For instance, Rad6‐ and  Rad18‐dependent  ubiquitination  of  the  sliding  clamp  PCNA  leads  to  the  recruitment  of  translesion  synthesis  polymerases  that  are  crucial  for  inducing  the  DNA  damage  tolerance  pathway  (Hoege  et  al.,  2002;  Kannouche  et  al.,  2004).  Moreover,  multiubiquitination  plays  a  particular role in the internalization and lysosomal degradation of plasma membrane receptors,  e.g. receptor tyrosine kinases (Haglund et al., 2003). 

(16)

Each of the seven internal lysine residues of ubiquitin (K6, K11, K27, K29, K33, K48 and K63)  can  be  used  for  isopeptide  bond  formation  with  the  C‐terminal  carboxyl  group  of  another  ubiquitin  moiety  and  hence,  for  the  formation  of  polyubiquitin  chains  (Figure  3).  Best  characterized and most abundant are K11‐, K48‐ and K63‐linked chains (Ye and Rape, 2009). As  an  example,  the  E3  ligase  complex  APC/C  triggers  degradation  of  its  mitotic  substrates  via  formation  of  K11‐linked  ubiquitin  chains  (Jin  et  al.,  2008).  Furthermore,  the  ubiquitin‐

conjugating  enzyme  Ubc6  which  is  involved  in  ER‐associated  degradation  (ERAD),  a  protein  quality control system mainly localized in the ER membrane, is ubiquitinated and degraded via  K11‐linkage  of  ubiquitin  in  yeast  (Xu  et  al.,  2009).  Nonetheless,  K48‐linked  chains  are  a  more  common  signal  to  target  proteins  for  proteasomal  degradation  (Chau  et  al.,  1989).  For  a  long  time  it  was  believed  that  a  minimal  chain  length  of  four  ubiquitin  moieties  linked  via  K48  is  absolutely  required  for  the  recognition  by  the  proteasome  (Thrower  et  al.,  2000).  This  hypothesis  is  contradicted  by  recent  studies  indicating  that  monoubiquitinated  or  multiubiquitinated  proteins  like  PAX3  or  p105,  respectively,  can  also  be  recognized  and  degraded by the proteasome (Boutet et al., 2007; Kravtsova‐Ivantsiv et al., 2009; Shabek et al.,  2012). In contrast to K11‐ and K48‐chains, K63‐linked chains are relevant for a variety of non‐

proteolytic cellular processes like endocytosis, DNA repair or activation of kinases (Deng et al.,  2000;  Duncan  et  al.,  2006;  Spence  et  al.,  1995).  Mixed  and  forked  chains,  as  well  as  chains  formed  on  internal  lysine  residues  other  than  K11,  K48  and  K63  of  ubiquitin  are  still  under  intense investigation (Figure 3). 

                       

Figure 3. Modes of ubiquitination  

Ubiquitin  is  primarily  attached  to  the  ‐amino  group  of  one  or  more  lysine  residues  of  a  substrate  (mono‐  and  multiubiquitination,  respectively)  or,  in  rare  cases,  to  the  N  terminus  of  a  substrate  (not  shown).  It  contains  seven  internal lysine residues all of which can serve as an acceptor for another ubiquitin moiety, thereby forming ubiquitin  chains (polyubiquitination). K11‐, K48‐, K63‐linked and linear chains, which are linked via C‐ and N terminus of two  ubiquitin moieties, function in proteasomal degradation, DNA‐repair or intracellular signaling, whereas the function 

(17)

1.1.3 Ubiquitin recycling and the proteasome

 

Processing  of  ubiquitin  precursor  proteins  as  well  as  recycling  of  ubiquitin  is  carried  out  by  deubiquitinating  enzymes  (DUBs)  which  mainly  exhibit  cysteine  protease  activity.  The  two  major classes of DUBs are UCHs (Ubiquitin COOH‐terminal Hydrolases) that preferentially cleave  ubiquitin  from  substrates  and  USPs  (Ubiquitin‐Specific Proteases)  that  additionally  hydrolyze  isopeptide bonds between two ubiquitin moieties. In addition, OUTs (otubain proteases), JAMM  metalloproteases  and  MJDs  were  found  to  function  as  DUBs  (summarized  in  (Sorokin  et  al.,  2009)).  

Some DUBs are associated with or even part of the 26S proteasome which degrades 80‐90 % of  intracellular proteins (Rock et al., 1994). The 26S proteasome consists of the 20S core particle  and two 19S regulatory particles. The core proteasome is composed of 14 α‐ and 14 β‐subunits  forming four heptameric rings which build a channel in whose inner part the target protein is  hydrolyzed. Three of the β‐subunits possess proteolytic activities ensuring efficient cleavage of  the  target:  subunit  β1  exhibits  caspase‐like  activity,  β2  has  trypsin‐like  and  β5  chymotrypsin‐

like  activity.  The  regulatory  particles  contain  subunits  that  fulfill  three  important  functions: 

interaction  with  the  ubiquitinated  substrate,  cleaving  ubiquitin  from  the  substrate  (by  isopeptidases) and unfolding the target protein (by ATPases) (reviewed in (Murata et al., 2009; 

Sorokin et al., 2009)).  

 

1.2 Ubiquitin‐like proteins (UBLs) 

The family of ubiquitin‐like proteins (UBLs) consists of more than a dozen members in mammals  that  are  structurally  characterized  by  the  β‐grasp  fold  (Figures  1  and  4).  UBLs  use  a  similar  conjugation  mechanism  as  ubiquitin  which  involves  the  subsequent  action  of  activating  and  conjugating enzymes and, in most cases, that of ligases. Functions of UBLs vary from regulation  of protein stability, interactions or localization, autophagy and pre‐mRNA splicing to regulation  of inflammation and development (see table 1) (summarized in (Herrmann et al., 2007; Kerscher  et al., 2006; Schulman and Harper, 2009).  

UBLs are conserved among eukaryotes. Nevertheless, it is speculated that they have arisen from  a common ancestor in prokaryotes which plays a role in sulfur metabolism. The reason for this  hypothesis  lies  in  the  existence  of  proteins  in E. coli  that  reveal  a  ubiquitin‐like  structure  and  exhibit  parallels  to  the  ubiquitin‐conjugation  cascade.  One  of  those  proteins  is  MoaD,  a  sulfur  carrier protein being involved in the biosynthesis of the molybdenum cofactor Moco (Rivers et  al.,  1993).  The  double  glycine  motif  at  the  C  terminus  of  MoaD  is  adenylated  by  MoeB,  which  shows  similarities  to  the  ubiquitin  E1  enzyme.  Adenylation  of  MoaD  leads  to  its  activation,  subsequent formation of a thiocarboxylate at its C terminus and the insertion of sulfur into the 

(18)

Moco  precursor  protein.  Interestingly,  the  eukaryotic  ubiquitin‐like  protein  URM1  might  represent  the  connection  to  the  prokaryotic  system  since  it  functions  in  sulfur  transfer,  too  (reviewed in (Hochstrasser, 2009)). 

 

 Table 1. Ubiquitin­like proteins  

Summary of the known ubiquitin‐like proteins in humans, their functions and enzymes involved in their conjugation; 

NA: data not available; NC: no conjugation to other proteins (adapted from (Herrmann et al., 2007)). 

                       

        

 

1.2.1 SUMO 

The  small  ubiquitin‐related  modifier  (SUMO),  which  is  11.5  kDa  in  size,  is  one  of  the  best  characterized ubiquitin‐like proteins. In vertebrates, there are four SUMO paralogues revealing  the typical β‐grasp fold with a short N‐terminal extension (Bayer et al., 1998; Bohren et al., 2004; 

Kamitani et al., 1998). In contrast to SUMO‐2 and SUMO‐3, the elongated N terminus of SUMO‐1  does not contain a SUMOylation site and thus, it is not able to form chains (Saitoh and Hinchey,  2000; Tatham et al., 2001). All SUMO family members need to be processed in order to expose 

Ubiquitin­like protein  E1, E2, E3 enzymes Functions 

NEDD8  E1: APPBP1/UBA3

E2: Ubc12, Nce2  E3: e.g. Hdm2, RBX1/2 

Transcriptional regulation,  protein stability, 

proteasomal degradation… 

SUMO1‐3  E1: SAE1/SAE2

E2: Ubc9 

E3: RanBP2, Pc2, PIAS 

Transcriptional regulation,  protein stability, protein  localization… 

ISG15  E1: UBE1L

E2: UbcH8  IFN‐induced immune  response 

FAT10  E1: UBA6

E2: USE1  Proteasomal degradation,  apoptosis 

LC3/GABARAP E1: ATG7

E2: ATG3  Autophagy

ATG12  E1: ATG7

E2: ATG10  Autophagy

FUB1  NA Regulation of leukocyte 

functions 

URM1  E1: Uba4 Oxidative stress response 

UFM1  E1: Uba5

E2: Ufc1  Endoplasmic stress  response 

HUB1  NC Pre‐mRNA splicing 

(19)

member which is probably not conjugated to substrates (Owerbach et al., 2005). According to  their subcellular localization, SUMO‐1,  ‐2 and ‐3 are able to carry out distinct functions: SUMO‐1  is  mostly  found  at  the  nuclear  membrane  whereas  SUMO‐2  is  localized  in  nuclear  bodies  and  nucleoli and SUMO‐3 in the cytoplasm and in nucleoli (reviewed in (Hay, 2005)). 

The  SUMO‐conjugation  cascade  starts  with  its  activation  by  the  heterodimeric  E1  enzyme  SAE1/SAE2 with SAE2 containing the active site cysteine. Ubc9, the SUMO conjugating enzyme  which is particularly found in the nucleus, is able to directly transfer SUMO to substrates without  involvement of an E3 enzyme (Desterro et al., 1999; Schwarz et al., 1998). Most SUMO substrates  contain  a  special  binding  motif  for  Ubc9  consisting  of  the  four  amino  acids [I/V/L]‐K‐X‐[D/E]     

(X stands for any aa), which also contains the lysine residue that in turn is SUMOylated (Bernier‐

Villamor et al., 2002; Johnson, 2004). SUMO E3 ligases belong to the family of RanBP2‐, Pc2‐ or  PIAS E3 ligases that have specific substrates and differ in their localization in the cell (Hay, 2005; 

Johnson and Gupta, 2001; Kagey et al., 2003; Pichler et al., 2002). For SUMOylation, more than  100 substrates have been identified so far that are partially overlapping for SUMO‐1 and SUMO‐

2/‐3. These substrates can mainly be grouped into transcriptional regulators, nuclear envelope  proteins, signaling proteins and cell membrane proteins (Rosas‐Acosta et al., 2005; Vertegaal et  al.,  2004). For  instance,  SUMOylation  of  RanGAP1,  a  factor  which  is  necessary  for  nucleo‐

cytoplasmic  transport,  regulates  its  localization  (Matunis  et  al.,  1996).  Another  substrate  of  SUMO is PML which needs to be SUMOylated to initiate the formation of PML nuclear bodies that  are  involved  in  important  cellular  functions  like  transcriptional  regulation  (Shen  et  al.,  2006; 

Sternsdorf et al., 1997).  

A  unique  feature  of  the  SUMOylation  cascade  is  the  regulation  of  substrate  specificity  by  autoSUMOylation of the E2 enzyme Ubc9. SUMOylation of Ubc9 occurs in its N‐terminal α‐helix  and  does  not  affect  thioester  bond  formation  with  SUMO.  Indeed,  autoSUMOylation  of  Ubc9  leads  to  inhibited  SUMOylation  of  RanGAP1  and  enhanced  SUMOylation  of  Sp100,  which  is  at  least partially due to a SUMO‐interaction motif  (SIM) in Sp100 (Knipscheer et al., 2008).  

 

1.2.2 Other UBLs 

In the 1980s, ISG15 (Interferon‐Stimulated Gene product of 15 kDa) was the first ubiquitin‐like  protein  to  be  identified.  ISG15  exhibits  a  dimeric  ubiquitin  structure.  As  the  name  already  indicates, ISG15 expression is interferon‐inducible which is in line with its role in the induction  of inflammation (D'Cunha et al., 1996; Haas et al., 1987; Korant et al., 1984).  

FAT10 is characterized by two head‐to‐tail linked ubiquitin‐like domains which were shown to  be  able  to  directly  interact  with  the  proteasome.  Accordingly,  FAT10  offers  a  ubiquitin‐

independent way of delivering proteins for proteasomal degradation (Fan et al., 1996; Hipp et  al., 2005). The double glycine motif at the C terminus of FAT10 is activated by UBA6, transferred 

(20)

to USE1 and attached to other proteins as shown by the presence of FAT10 conjugates in cells  (Aichem et al., 2010; Jin et al., 2007; Pelzer et al., 2007; Raasi et al., 2001). However, only four  substrates  of  FAT10  have  been  identified  to  date,  among  these  are  USE1  which  is  autoFAT10ylated  in  a  cis‐mechanism,  the  ubiquitin‐activating  enzyme  UBA1,  p53,  and  the  autophagosomal receptor p62 (Aichem et al., 2012; Aichem et al., 2010; Li et al., 2011; Rani et al.,  2012).  

Two  UBLs,  the  LC3/GABARAP  family  and  ATG12,  are  involved  in  autophagy,  a  conserved  mechanism  in  eukaryotes  to  degrade  macromolecules  and  organelles.  Although  showing  no  obvious  homology  to  ubiquitin,  they  exhibit  a  similar  structure  and  conjugating  system  (Ichimura et al., 2000; Sugawara et al., 2004; Suzuki et al., 2005). The LC3/GABARAP family (in  mammals;  Atg8  in  yeast)  is  conjugated  to  phosphatidylethanolamine  thereby  initiating  autophagosome formation. Autophagosomes are double‐membrane vesicles which deliver their  content  to  the  lysosome  (Geng  and  Klionsky,  2008;  Ichimura  et  al.,  2000;  Tanida  et  al.,  2004). 

Interestingly, aggregated ubiquitinated proteins were found to be targets for so called “selective” 

autophagy. Some adaptor proteins are associated with the autophagosome via LC3 and interact  with ubiquitinated proteins at the same time, thereby leading to lysosomal degradation of the  respective  protein  (reviewed  in  (Kirkin  et  al.,  2009)).  Another  UBL,  ATG12,  is  conjugated  constitutively  to  ATG5  which  is  necessary  for  completion  of  autophagosome  formation  (Geng  and Klionsky, 2008; Ichimura et al., 2000).  

 

1.3 NEDD8  

NEDD8  (Neural  precursor  cell‐Expressed  Developmentally  Down‐regulated  8)  was  first  discovered in a subset of genes that are down‐regulated during mouse brain development and is  highly  conserved  from  yeast  to  humans.  With  60  %  identity  and  80  %  homology  to  ubiquitin,  NEDD8 forms its closest relative among the family of ubiquitin‐like proteins (Kumar et al., 1992; 

Kumar et al., 1993). Human NEDD8 is expressed as an inactive, 81 aa precursor protein which  needs to be processed in order to be conjugated to substrates (Kamitani et al., 1997). Similar to  ubiquitin,  the  conjugation  of  NEDD8  involves  three  consecutive  steps  being  catalyzed  by  the  heterodimeric  NEDD8  E1  enzyme  APPBP1/UBA3,  one  of  the  two  E2  enzymes  Ubc12  or  Nce2,  and an E3 enzyme (Gong and Yeh, 1999; Huang et al., 2009). This process called “NEDDylation” 

will be described in detail in section 1.3.2. 

NEDD8  is  a  9.1  kDa  protein  with  a  high  structural  similarity  to  ubiquitin.  Its  globular  β‐grasp  fold  includes  four  antiparallel  β‐sheets  and  one  helix  on  top  of  them  (Figure  4).  In  addition,  surface charge distribution resembles that of ubiquitin: one face contains hydrophobic residues  whereas the other one is acidic (Whitby et al., 1998).  

(21)

    

     A       B 

                    

 Figure 4. Crystal structure of NEDD8 (A) and overlay with ubiquitin and SUMO­1 (B) 

(A) The globular NEDD8 structure reveals a β‐grasp fold with four antiparallel β‐sheets and an α‐helix on top of them,  being  characteristic  for  ubiquitin  and  all  UBLs  (protein  data  base  1NDD;  modeled  using  Pymol).  The  C‐terminal  double glycine motif is marked in green. 

(B) Overlay of ubiquitin (blue), SUMO‐1 (green) and NEDD8 (red). Ubiquitin and the UBLs SUMO‐1 and NEDD8 exhibit  a highly similar structure characterized by the β‐grasp fold (Welchman et al., 2005). 

 

Investigation  of  NEDD8  expression  in  different  tissues  using  northern  blot  and  immuno‐

cytochemical analysis revealed NEDD8 mRNA is enriched in brain and skeletal muscle, and that  NEDD8 protein is predominantly found in the nucleus whereas ubiquitin is equally distributed  in the cell (Kamitani et al., 1997). 

In  mice,  knockout  of  the  catalytic  subunit  of  the  NEDD8  E1  enzyme,  UBA3,  was  shown  to  be  lethal  in  utero  at  the  periimplantation  state.  The  reason  for  this  phenomenon  lies  in  the  involvement of the NEDD8 pathway in cell cycle progression and morphogenesis, underlining its  indispensability for early development (Tateishi et al., 2001). In S. cerevisiae, however, depletion  of the NEDD8 homologue Rub1, as well as the respective E1 or the E2 enzymes does not affect  normal cell growth (Liakopoulos et al., 1998). 

 

1.3.1 Substrates and functions of NEDD8 

1.3.1.1 Cullins 

In 1998, Cullin4a was described as the first substrate of the NEDD8‐conjugation system (Osaka  et al., 1998). In the meantime, it turned out that modification of all canonical cullins with NEDD8  is crucial to execute their function (Hori et al., 1999; Ohh et al., 2002). Cullins are components of  multi‐protein  complexes,  the  cullin‐RING  ligases,  which  play  important  roles  in  cell  growth,  development,  signal  transduction,  transcriptional  control,  genomic  integrity  and  tumor  suppression  (see  also  1.1.1).  In  mammals,  there  are  six  canonical  cullins  (Cullin1,  Cullin2,  Cullin3, Cullin4a, Cullin4b, Cullin5) and three atypical cullins (APC2, Cullin7 and PARC) known 

N  N 

C  C 

(22)

which  together  build  more  than  500  distinct  multi‐subunit  complexes  (Petroski  and  Deshaies,  2005a; Skaar et al., 2007; Zachariae et al., 1998).   

Cullin‐RING  ligases  usually  consist  of  cullins  serving  as  scaffold  proteins,  substrate  adaptors,  which recognize and bind the respective substrate, and a RING domain protein with the catalytic  activity  to  ubiquitinate  the  substrate.  NEDDylation  of  the  cullin  subunit  at  a  conserved  lysine  residue leads to a conformational change which in turn recruits the ubiquitin‐loaded E2 enzyme  (Duda  et  al.,  2008;  Kawakami  et  al.,  2001).  In  addition,  NEDDylation  seems  to  promote  dimerization of cullin‐RING ligases through their substrate recognition subunit (Wimuttisuk and  Singer, 2007). Recently, it was suggested that rotation of the RING domain of the E3 also plays a  crucial  role  in  the  activation  of  the  cullin‐RING  complex  (Calabrese  et  al.,  2011).  Both  the  NEDD8‐  and  the  ubiquitin  E3  ligase  activity  of  the  complex  are  carried  out  by  either  RBX1  or  RBX2  (Petroski  and  Deshaies,  2005a).  Moreover,  Dcn1  in  yeast  and  DCNL  proteins  in  humans  serve as a scaffold‐type E3 ligases which interact with the respective cullin and the NEDD8 E2 at  the same time thereby enhancing NEDDylation of cullins and thus, the ubiquitination activity of  cullin‐RING complexes (Kurz et al., 2008; Monda et al., 2013; Yang et al., 2007).  

As already mentioned, cullin complexes share a general composition. Dependent on the cullin,  however,  several  different  substrate  adaptors  can  be  used.  So  called  SCF  complexes  consist  of  Cullin1, RBX1, the adaptor protein Skp1 and an F‐box protein which specifically interacts with  the substrate to be degraded (Lyapina et al., 1998). One of the substrates for the SCF complex  with  Skp2  as  F‐box  protein  is  p21,  an  important  regulator  of  cell  proliferation  and  differentiation.  Phosphorylation  of  p21  by  Cdk2‐Cyclin  E  enhances  its  recognition  and  ubiquitination by SCFSkp2, leading to its rapid degradation (Bornstein et al., 2003). Additionally,  not only cell cycle inhibitors but also cell cycle activators like Cyclin E are substrates for SCFSkp2  (Nakayama et al., 2000). In contrast to Cullin1, Cullin2 and Cullin5 assemble with elongin B/C as  adaptor and a SOCS‐box containing protein as substrate receptor. A well‐studied substrate of the  Cullin2‐RING  ligase  is  HIFα,  an  important  player  in  oxygen  metabolism.  A  complex  formed  by  HIFα and HIFβ under hypoxic conditions controls the expression of several genes like VEGF or  erythropoietin  (Maxwell,  2003).  Oxygen‐dependent  hydroxylation  of  HIFα  leads  to  its  recognition by the tumor suppressor protein pVHL, a substrate receptor of the Cullin2‐complex,  and  its  subsequent  ubiquitination  and  degradation  (Ivan  et  al.,  2001;  Jaakkola  et  al.,  2001; 

Petroski and Deshaies, 2005a; Yu et al., 2001).  

Deactivation  of  cullin‐RING  complexes  is  achieved  through  removal  of  NEDD8  by  the  CSN5  subunit of the COP9 signalosome which belongs to the family of JAMM metalloproteases (Cope et  al.,  2002;  Lyapina  et  al.,  2001).  Another  mechanism  to  silence  cullin‐RING  complexes  is  the  binding  of  Cand1  (Cullin‐Associated  and  NEDDylation‐Dissociated  1)  which  inhibits  NEDDylation and the assembly of the whole complex by specifically binding to the region of the 

(23)

that Cand1 also serves as an important exchange factor for cullin‐RING ligase adaptors (Pierce et  al., 2013). 

 

1.3.1.2 NEDD8 and transcriptional regulation 

In the last decade, several new substrates of NEDD8 were described, giving insights into the role  of NEDD8 in various cellular functions. Interestingly, a majority of these substrates is involved in  transcriptional regulation.   

The tumor suppressor protein p53, which plays a major role in the regulation of cell cycle arrest  and apoptosis, is not only a substrate for ubiquitin but also for ubiquitin‐like proteins such as  SUMO or NEDD8 (Kruse and Gu, 2009; Rodriguez et al., 1999; Scheffner et al., 1993; Xirodimas et  al., 2004). NEDDylation of p53 by the RING ligase Hdm2 was shown to inhibit its transcriptional  activity. In the case of p53, Hdm2 displays a dual specificity since it had also been described as  an  E3  ligase  for  the  ubiquitination  of  p53  (Honda  et  al.,  1997;  Xirodimas  et  al.,  2004). 

Modification of p53 with NEDD8 is also promoted by FBXO11 and specifically inhibited by the  histone  acetyltransferase  Tip60  (Abida  et  al.,  2007;  Dohmesen  et  al.,  2008).  Interestingly,  C‐

terminal fusions of p53 with ubiquitin and NEDD8 to mimic its modification with these proteins  showed that p53‐ubiquitin is rather found in the cytoplasm, whereas fusions of p53 with NEDD8  localize in the nucleus (Carter and Vousden, 2008). 

Another  member  of  the  p53  family,  TAp73,  also  serves  as  a  substrate  for  Hdm2‐dependent  NEDDylation. Modification of TAp73 with NEDD8 inhibits its transcriptional activity which can  in part be explained by its localization to the cytoplasm (Watson et al., 2006). 

In  2008,  some  ribosomal  proteins  were  found  to  be  modified  with  NEDD8  causing  enhanced  stability  (Xirodimas  et  al.,  2008).  Further  investigation  of  the  ribosomal  protein  L11  revealed  that  its  NEDDylation  leads  to  a  localization  to  the  nucleolus  (Sundqvist  et  al.,  2009).  Upon  nucleolar stress, L11 is deNEDDylated and recruited to promoters of p53 regulated genes where  it  interacts  with  several  co‐activators.  In  addition,  binding  of  L11  to  Hdm2  at  these  promoter  sites  inhibits  interaction  of  p53  with  Hdm2,  thereby  promoting  transactivation  of  p53  target  genes.  Interestingly,  ribosome  biogenesis  is  not  affected  under  deNEDDylation  conditions  in  spite of reduced L11 levels (Mahata et al., 2011). 

NEDDylation also seems to play an important role in the regulation of NFκB activity. On the one  hand,  suppression  of  the  transcriptional  activity  of  NFκB  by  BCA3  is  dependent  on  its  modification with NEDD8 (Gao et al., 2006). On the other hand, TRIM40‐catalyzed NEDDylation  of IKKγ, an inhibitor of NFκB signaling, enhances the repression of NFκB (Noguchi et al., 2011). 

Another  protein  which  is  regulated  by  NEDDylation  is  AICD,  the  intracellular  domain  of  the  amyloid precursor protein (APP). APP is found in plaques that accumulate in brains of Alzheimer  patients. Cleaving of APP by secretases leads to the formation of  AICD amongst others, whose  role in Alzheimer development and progression is only poorly understood. Modification of AICD 

(24)

with  NEDD8  prevents  the  interaction  with  its  co‐activator  Fe65  and  the  histone  acetyltransferase  Tip60,  resulting  in  an  inhibition  of  the  transactivator  function  for  genes  involved in e.g. cell growth and motility (Lee et al., 2008; Muller et al., 2008).  

 

1.3.1.3 Further substrates and functions of NEDD8 

Modification with NEDD8 does not only play roles in transcriptional regulation but also in the  regulation  of  protein  stability.  The  ribosomal  protein  L11  and  the  E3  ligase  Hdm2  as  well  as  PINK1, a protein involved in Parkinson´s disease, show an enhanced stability upon modification  with NEDD8 (Choo et al., 2012; Xirodimas et al., 2004; Xirodimas et al., 2008).  

In addition, NEDDylation regulates the stability of distinct receptors. Ubiquitination of EGFR is  mediated  by  the  RING‐ligase  c‐Cbl,  leading  to  its  internalization  and  lysosomal  degradation.        

C‐Cbl  is  also  capable  of  NEDDylating  EGFR  and  therefore  displays  a  dual  specificity  as  Hdm2  does  for  modification  of  p53  (Oved  et  al.,  2006;  Xirodimas  et  al.,  2004).  Modification  of  EGFR  with NEDD8 leads to an increased turnover rate caused by intensified ubiquitination (Oved et al.,  2006). In the case of steroid hormone receptors, NEDD8 was even found to be required for their  ubiquitination  and  degradation.  Therefore,  inactivation  of  the  NEDD8  pathway  might  be  involved in the development of steroid hormone dependent tumors (Fan et al., 2003; Fan et al.,  2002). 

Parkin, a RING‐type E3 ligase which is frequently mutated in patients suffering from Parkinson´s  disease,  reveals  an  enhanced  activity  upon  NEDDylation.  Substrates  of  parkin  take  part  in  diverse  cellular  functions  like  transcription,  neurotransmission,  synaptic  function  or  cell  cycle  control (Choo et al., 2012; Walden and Martinez‐Torres, 2012). 

As  a  component  of  the  Cullin2/elongin  B/C  complex,  pVHL  is  involved  in  the  regulation  of  oxygen‐dependent ubiquitination of HIFα (see 1.3.1.1). Interestingly, pVHL is also required for  fibronectin matrix assembly, independent of Cullin2 (Stickle et al., 2004).  Toggling the binding  of pVHL to the cullin complex is achieved by its modification with NEDD8: NEDDylation leads to  its  interaction  with  fibronectin  whereas  its  association  with  Cullin2  is  inhibited  (Russell  and  Ohh, 2008). 

IAPs  (Inhibitor  of  Apoptosis)  are  often  found  to  be  overexpressed  in  cancer,  thereby  contributing to cell proliferation and survival. IAPs are RING ubiquitin E3 ligases that negatively  regulate  caspase  activity  and  additionally  have  an  influence  on  cellular  survival  functions.  In  Drosophila and humans, effector caspases were identified to act as substrates for NEDDylation  by IAPs leading to their inactivation (Broemer et al., 2010). However, it was also supposed that  IAPs themselves, rather than caspases, might be substrates for NEDD8 (Nagano et al., 2012).  

Very recently, both reduced levels of Ubc12 and inhibition of APPBP1/UBA3 were discovered to  impair T‐cell proliferation and cytokine production. Thereupon, NEDDylation of Shc, an adapter 

(25)

protein  between  the  antigen  receptor  of  T‐cells  and  the  Erk‐pathway,  was  identified  as  an  important event in T‐cell receptor signaling (Jin et al., 2013). 

In proteomic analyses, many further potential substrates for NEDD8 were identified which are  mainly  involved  in  mRNA  splicing,  DNA  replication  and  repair,  chromatin  remodeling  and  proteasomal degradation (Jones et al., 2008; Xirodimas et al., 2008). 

Finally, one well‐studied interaction partner of NEDD8 which targets NEDD8 and its conjugates  for  proteasomal  degradation  is  NUB1  (NEDD8 Ultimate Buster1)  (Kamitani  et  al.,  2001).  By  interacting with the S5a subunit of the proteasome, NUB1 not only delivers NEDD8 but also the  UBL  FAT10  for  degradation  (Hipp  et  al.,  2004;  Tanji  et  al.,  2005).  Interaction  of  NEDD8  with  NUB1  additionally  results  in  inhibition  of  NEDDylation  and  enhances  ubiquitination  of  p53,  leading to its cytoplasmic localization (Liu and Xirodimas, 2010). 

 

1.3.2 NEDD8‐conjugation cascade 

The  NEDD8‐conjugation  cascade  is  very  similar  to  the  one  of  ubiquitin,  involving  three  specialized types of enzymes which activate NEDD8 and transfer it to a substrate (Figure 5). In  humans, NEDD8 is expressed as a precursor protein of 81 aa. The last five amino acids need to  be  cleaved  off  by  the  isopeptidase  NEDP1/Den1/SENP8  in  order  to  expose  the  C‐terminal  double  glycine  motif  which  is  crucial  for  NEDD8  attachment  to  substrates  (Gan‐Erdene  et  al.,  2003; Kamitani et al., 1997; Wu et al., 2003a). Alternatively, UCHL3, a deubiquitinating enzyme,  is capable of processing both NEDD8 and ubiquitin (Wada et al., 1998).  

In a first step of the conjugation pathway, NEDD8 is activated by the heterodimeric E1 enzyme  APPBP1/UBA3  with  UBA3  comprising  the  catalytically  active  cysteine  residue.    Activation  includes  the  formation  of  a  NEDD8  adenylate  under  consumption  of  ATP,  and  the  subsequent  covalent attachment of NEDD8 C‐terminal glycine to the catalytic cysteine of UBA3, generating a  high‐energy thioester bond (Gong and Yeh, 1999). As soon as one NEDD8 is bound in a thioester,  a  second  NEDD8  interacts  with  the  adenylation  site  of  APPBP1/UBA3  and  can  be  activated. 

Transfer  of  NEDD8  to  the  catalytic  cysteine  of  one  of  the  two  conjugating  enzymes  Ubc12  or  Nce2 is only accomplished if the E1 binds two NEDD8 proteins at the same time. In this so called  transthiolation  reaction,  the  E2  enzyme  takes  over  NEDD8  from  the  E1  by  the  formation  of  a  thioester linkage (Huang et al., 2009; Huang et al., 2007). Finally, an isopeptide bond is formed  between the C‐terminal glycine of NEDD8 and a lysine residue of its substrate (Oved et al., 2006; 

Wada  et  al.,  1999;  Xirodimas  et  al.,  2004).  This  last  step  involves  the  action  of  an  E3  ligase  catalyzing the transfer of NEDD8. In contrast to ubiquitin of which two classes of E3 ligases are  known,  RING  ligases  seem  to  be  the  major  protein  family  playing  a  role  in  the  NEDDylation  cascade (see 1.1.1) (reviewed in (Ardley and Robinson, 2005; Watson et al., 2011)). This type of  ligase brings the E2 enzyme  and the  substrate into proximity  thereby allowing the transfer of 

(26)

NEDD8 to its substrate. However, a direct interaction between E2 and the RING domain of an E3  has only been shown for Ubc12 and the E3 ligases RBX1 and RNF 111 so far (Calabrese et al.,  2011; Ma et al., 2013). In contrast to NEDD8 E1 and E2 enzymes, which are highly specific for  NEDD8, all RING E3 ligases involved in NEDDylation display a dual specificity for ubiquitin and  NEDD8  (Broemer  et  al.,  2010;  Huang  et  al.,  2008;  Morimoto  et  al.,  2003;  Oved  et  al.,  2006; 

Walden et al., 2003a; Xirodimas et al., 2004). Nevertheless, there is one unique E3 enzyme for  NEDD8 without any known ligase domain: Dcn1/DCNL (yeast/humans), which acts as a scaffold‐

type  E3  ligase  enhancing  NEDDylation  of  cullins  (see  1.3.1.1)  (Kurz  et  al.,  2008;  Monda  et  al.,  2013). 

   

 

                                                        

 Figure 5. NEDD8­conjugation cascade 

In a first step, NEDD8 is activated by its heterodimeric E1 enzyme APPBP1/UBA3 thereby forming a thioester bond. 

Subsequently, NEDD8 is transferred to the catalytic cysteine of one of its E2 enzymes, Ubc12 or Nce2. Finally, NEDD8 

(27)

DeNEDDylation of substrates is predominantly carried out by NEDP1 which cleaves NEDD8 both  from  cullins  and  other  substrates  (Chan  et  al.,  2008;  Mendoza  et  al.,  2003).  A  specific  deNEDDylating enzyme complex for cullins is the COP9 signalosome consisting of eight subunits  including CSN5 as the catalytically active one (Cope et al., 2002; Lyapina et al., 2001). Moreover,  USP21 is able to remove both NEDD8 and ubiquitin from substrates (Gong et al., 2000). 

NEDD8 contains nine internal lysine residues at positions 4, 6, 11, 22, 27, 33, 48, 54 and 60, five  of which are conserved in ubiquitin. In vitro, mainly K22, K48 and K54 are used for NEDD8 chain  formation.  K27  and  K33  were  also  found  to  be  modified  with  NEDD8  although  they  occurred  with a lower abundance (Jeram et al., 2010; Jones et al., 2008). However, an existence of NEDD8  chains  under  normal  cellular  conditions  still  needs  to  be  verified  as  proteomic  analyses  were  performed using tryptic digest prior to mass spectrometry. Although a double glycine motif was  identified  at  K11,  K22,  K48  and  K60  of  NEDD8,  it  is  not  clear  whether  NEDD8  or  ubiquitin  is  attached since they are not distinguishable in this approach (Jones et al., 2008). Additionally, in  human cells and in vitro NEDD8 can be attached to ubiquitin but seems to be a bad acceptor for  itself or ubiquitin, arguing against the existence of NEDD8 chains (Singh et al., 2012; Whitby et  al., 1998).  

 

1.3.2.1 APPBP1/UBA3, the NEDD8‐activating enzyme  

In eukaryotes, E1 enzymes consist of three conserved domains: an adenylation domain which is  already present in a common E1 ancestor, MoeB, and two eukaryotic specific domains (reviewed  in  (Hochstrasser,  2000)).  One  of  those  evolutionary  newer  domains  contains  the  catalytic  cysteine and the other one, which is located at the C terminus, is involved in transferring the UBL  to  the  E2.  This  so  called  “ubiquitin  fold  domain”  (UFD)  adopts  a  ubiquitin‐like  structure  and  plays  a  crucial  role  in  the  interaction  with  the  E2.  Comparison  of  the  heterodimeric  APPBP1/UBA3  with  the  ubiquitin  E1  UBA1  reveals  sequence  and  structural  homology  of  APPBP1 to the N‐terminal part of UBA1 and of UBA3 to its C‐terminal part (Hochstrasser, 2000; 

Lake et al., 2001; Walden et al., 2003b).  

The  overall  structure  of  APPBP1/UBA3  can  be  described  as  a  canyon  with  a  groove  in  the  middle.  A  crossover  loop  connects  the  adenylation  domain  with  the  catalytic  cysteine  domain  and divides the canyon into two clefts (Walden et al., 2003b). In the structure of APPBP1/UBA3  bound  to  NEDD8  and  ATP,  the  globular  domain  of  NEDD8  occupies  one  cleft  and  its  flexible          C terminus points towards ATP (Figure 6). Furthermore, there is a bipartite interaction between  APPBP1/UBA3 and NEDD8. On the one hand, the conserved acidic surface of NEDD8 contacts a  part of the catalytic cysteine domain of APPBP1 forming a polar interface. On the other hand, the  hydrophobic  surface  of  NEDD8  interacts  with  a  conserved  part  of  the  adenylation  domain  in  UBA3. Interestingly, all residues involved in these hydrophobic interactions are also present in 

Referenzen

ÄHNLICHE DOKUMENTE

As our data showed that p14ARF directly inhibits the activity of isolated Hdm2 RING domain, we propose a potential biochemical mechanism of the ARF effect on

Since it was published for several different FAT10 substrates, such as p62 and USE1 [22,23] that FAT10ylation targets substrate proteins for proteasomal degradation, we

Mammalian expression constructs for His 6 and Xpress-tagged human FAT10 (HisX- FAT10) and HA-tagged human NUB1L (HA-NUB1L) were gen- erated and transiently transfected into HEK293

We show that auto- FAT10ylation has no influence on the activity of the remaining USE1 – FAT10 conjugate, and that USE1 – although covalently modified by one FAT10 molecule –

It will enable us the get in touch with home at more reasonable conditions then trough the satellite supported telephone systems in the open ocean.. During the past week we

Con- sistent with previous findings (25), we observed that catalyti- cally inactive Ubc6(C87 A) HA protein was completely stable when ectopically expressed in DOAJO cells

The unique properties of UBA6 challenge two major paradigms of ULM conjugation: first, UBE1 and UBA6 are the first examples of E1 enzymes that both activate the same member of the

However, as E6AP overexpression was still able to repress estrogen receptor signaling under Herc2 knockdown conditions and vice versa Herc2 was able to inhibit estrogen