Ubiquitination is a post-translational modification that can take several forms. Some proteins are modified with a single ubiquitin molecule, while others are modified with polyubiquitin chains. Each type of ubiquitination is thought to have distinct biological functions. The best-characterized types of ubiquitin modification are K48-linked polyubiquitination, which serves as a signal for proteasomal degradation and K63-linked polyubiquitination, which has non-proteolytic functions such in DNA repair, signaling, and endocytosis. HECT ubiquitin ligases (HECT E3s) form a class of E3s, defined by a C terminal catalytic domain. Several lines of evidence suggested that the HECT E3s assemble a polyubiquitin chain in a sequential manner with one molecule of ubiquitin at a time being conjugated to the distal ubiquitin of the chain. In the process of chain elongation, not all HECT E3s target a common internal lysine of ubiquitin, leading to diversification of chain type specificity in HECT E3s. For example, yeast Rsp5 forms K63 chains, while human E6AP forms K48 chains. Two important mechanistic questions were addressed in my work: 1) what are the determinants of chain type specificity of HECT E3s, and 2) what allows the distal ubiquitin of a chain to be continuously oriented near the active site of the HECT domain in the course of a sequential polyubiquitination reaction? I have determined that the chain type specificity of Rsp5 is a function solely of the HECT domain. Further, through the generation of chimeric HECT E3s, I demonstrated that chain type specificity determinants are located within the last 60 amino acids of the C lobe of the HECT domain. To address the second question, we solved the structure of Rsp5 HECT domain in complex with non-covalently bound ubiquitin in collaboration with Jue Chen’s laboratory (Purdue University). From the structure, we found that the N lobe of the HECT domain binds ubiquitin in a manner distinct from other known ubiquitin binding domains, and I have shown that Rsp5 proteins defective for ubiquitin binding are defective for chain elongation. We hypothesize that the ubiquitin binding site functions in the recruitment of the distal ubiquitin of polyubiquitin chain for efficient polyubiquitination. / text

Les évidences scientifiques révèlent l’implication des actions proinflammatoires de l’angiotensine II (Ang II) dans le développement de l’athérosclérose. Cependant, la caractérisation des bases moléculaires de l’Ang II sur le tissu vasculaire n’est pas totalement élucidée. La majorité des actions de l’Ang II implique l’activation d’une variété de cascades de signalisation dont les voies mitogen-activated protein kinases (MAPKs) ; c-Jun N-terminal kinases (JNKs), p38 kinases et extracellular signal-regulated kinases (ERK) et l’activation du facteur de transcription NF-κB via le complexe IKK. Récemment, une nouvelle modification post-traductionnelle dans les actions de l’Ang II, soit la polyubiquitination de la sous-unité NF-κB essential modulator (NEMO) du complexe IKK, a été révélée. L’objectif de mon projet de recherche est de vérifier l’importance de la polyubiquitination en K63 tout en caractérisant les protéines impliquées dans la modification de NEMO dans des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV) exposées à l’Ang II. Notre étude suggère, selon une approche siARN combinant Ubc7 et Ubc13, la diminution de la phosphorylation du complexe IKK, de Akt et des MAPKs. De plus, nos résultats illustrent l’implication de TRAF6 dans la signalisation cellulaire de l’Ang II. Finalement, notre étude révèle la présence de la polyubiquitination en K63 dans la signalisation cellulaire de l’Ang II par chromatographie d’affinité. Cette étude met en évidence l’implication de la polyubiquitination en K63 dans la signalisation de l’Ang II dans des CMLV et implique Ubc13 et Ubc7 dans le remodelage vasculaire et l’inflammation dépendante de l’Ang II dans des CMLV. / Several studies have demonstrated that the proinflammatory and growth promoting actions of Angiotensin II (Ang II) are implicated in cardiovascular disease. However, the underlying molecular mechanisms involved in Ang II actions are still not completely elucidated. Most of the known biological effects of Ang II are through the activation of several cell signaling pathways, such as the mitogen-activated protein kinase pathways (MAPKs; c-Jun N-terminal kinases (JNKs), p38 kinases and extracellular signal-regulated kinases (ERK)), and nuclear factor kappaB transcription factor (NF-κB) pathway by IKK complex activation. Recently, another post-translational modification, polyubiquitination of the IKK complex sub-unit NF-κB essential modulator (NEMO) has been demonstrated to be implicated in Ang II signaling. The objective of my research project was to illustrate the importance of K63-linked polyubiquitination, and characterizing the proteins involved in the modification of NEMO in vascular smooth muscle cells (VSMC) exposed to Ang II. Using siRNA, we show that Ubc7 and Ubc13 together are involved in MAPK, IKK and Akt phosphorylation in VSMC exposed to Ang II. Moreover, our results show that TRAF6, a ubiquitin ligase, is involved in Ang II signaling. Finally, our study reveals involvement of K63-linked polyubiquitination in Ang II signaling by chromatography affinity. Here, we report K63-linked polyubiquitination involvement in Ang II signaling and also identify Ubc7 and Ubc13 as a ubiquitin conjugating enzymes involved in MAPKs, ERK and NF-kB signalling pathway suggesting a role of these proteins in Ang II-dependent vascular remodelling and proinflammatory effects in VSMC.

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Die Aktivierung des NF-kB Vorläuferproteins p100 und p105 erfolgt durch eine proteasomale Trunkierung, um die aktiven p52 und p50 zu erzeugen. Zur Erforschung wurde eine Massenspektrometrie-basierende Proteomik-Strategie entwickelt, die mit der gezielten Reaktionsüberwachungstechnik plus einer Isotopenmarkierung verwendet wurde. In einem endogenen murinen embryonalen Fibroblasten-System konnte gezeigt werden, dass beide Vorläufer zu den jeweiligen Produkten in einer parallelen und sich einander bedingenden Weise in Reaktion auf einen Lymphotoxin-β-Rezeptor-Agonisten verarbeitet werden. Unsere SRM-SILAC- Methode erlaubte die Unterscheidung von Prä-Stimulationsprotein-Populationen aus Proteinen, die de novo nach der Stimulation synthetisiert wurden, und zeigte eine Tendenz für ältere Vorläufermoleküle, sich einer Degradation zu unterziehen, während die de novo-Moleküle auf die Produkte verarbeitet wurden. Die langsame und anhaltende Kinetik, die ein typisches Merkmal des nicht-kanonischen NF-κB- Weges ist. Darüber hinaus, konnten wir beobachten, dass die hydrolytische Aktivität der AAA ATPase VCP / p97 in der Bildung von de novo p52 und p50 eine Rolle spielt. Durch ein MS-basiertes Screening für strahlungsinduzierte Protein-Interaktoren eines weiteren NF-κB-Players, der die regulatorische Untereinheit des IKK-Komplexes IKKγ / NEMO bildet, konnte der Enhancer von mRNA Decapping 4 (EDC4) entdeckt werden. Durch die zusätzliche Untersuchung der E3-Ligase, Parkin, konnte eine Verbindung mit dem NF-κB-Weg durch eine lineare Ubiquitinierung hergestellt werden. Es konnte gezeigt werden, dass Parkin ist Hauptkomponenten des linearen Ubiquitin-Ketten-Assemblierungskomplexes (LUBAC). Die Proteomanalyse im Proteinkinase A (PKA) -Signalisierungsweg konnte zwei neuartige Regulationsformen identifizieren: K63-verknüpfte Polyubiquitinierung die katalytische Untereinheit von PKA, PKAC in Richtung eines lysosomalen pathways führt, und auch durch einen Pseudosubstrat-Hemmungsmechanismus. / Activation of the NF-κB precursor protein p100 and p105 by a specific proteasomal truncation to yield the active products p52 and p50 is a distinct feature of the non- canonical pathway but the mechanism governing it remains elusive. A novel mass spectrometry-based proteomics strategy was developed, using the targeted selected reaction monitoring technique in conjunction with stable isotope labeling for both absolute quantitation of proteins and to mark precursor protein populations relative to the application of the lymphotoxin β stimulation. In an endogenous murine embryonic fibroblast system, we have shown that both precursors are processed to the respective products in a parallel and interdependent manner in response to a lymphotoxin β receptor agonist. Our Dynamic SRM-SILAC method allowed distinction of pre-stimulation protein populations from proteins synthesized de novo post- stimulation, and revealed a tendency for older precursor molecules to undergo degradation while the de novo molecules went on to be processed to the products, accounting for the slow and persistent kinetics that are a hallmark of the non- canonical NF-κB pathway. In addition, the hydrolytic activity of the AAA ATPase VCP/p97 was implicated in the generation of de novo p52 and p50. An MS-based proteomics screen for specific, radiation-induced protein interactors of another key NF-κB player, the regulatory subunit of the IKK complex, IKKγ/NEMO, turned up the Enhancer of mRNA Decapping 4 (EDC4). This unexpected finding has expanded the known role of NF-κB regulation of protein levels beyond transcription into mRNA stability. Separate investigations into the ubiquitin E3 ligase, parkin, connected it to the NF-κB pathway through a linear ubiquitination it helps catalyze on IKKγ/NEMO. Proteomic analysis of polyubiquitin in the protein kinase A (PKA) signalling pathway helped to identify two novel modes of regulation: a lysosomal degradation pathway; as well as a pseudosubstrate inhibition mechanism.

Ubiquitinierungen sind dynamische, posttranslationale Proteinmarkierungen, die eine Vielzahl zellulärer Reaktionen hervorrufen. Die strukturell unterschiedlichen Signale werden von einer Ubiquitinierungsmaschinerie, bestehend aus E1-, E2- und E3-Enzymen, aufgebaut. Die Synthese von Polyubiquitin wird durch ubiquitinbindende Domänen (UBD) innerhalb der enzymatischen Kaskade stimuliert. Das E2-Enzym Ubc7 katalysiert zusammen mit dessen Kofaktor Cue1 die Polymerisierung von Ubiquitineinheiten und kennzeichnet Substratproteine mit Lysin 48 (K48)-ver¬knüpf¬ten Ubiquitinketten für den Endoplasmatische Retikulum-assoziierten Proteinabbau (ER-associated protein degradation, ERAD). In dieser Arbeit konnte mittels in vitro rekonstitu¬ierter Ubiquitinierungsreaktionen die Funktionsweise der ubiquitinbindenden CUE-Domäne von Cue1 während der Synthese von Polyubiquitin aufgeklärt werden. Verlängerungs¬reaktionen von Ubiquitinketten konnten durch Fluoreszenzmessungen verfolgt und die CUE-Domäne als Substratrezeptor von Ubc7 beschrieben werden. Anscheinend erhöht die Ubiquitin¬bindung durch Cue1 die lokale Konzentration von Ubc7 an den Ketten und positio¬niert das E2-Enzym effizient für die Übertragung der gebundenen Ubiquiti-neinheit. Die Reaktionen werden durch eine Bindungspräferenz der Cue1-CUE-Domäne für K48-ver¬knüpfte Ubiquitinmoleküle zusätzlich beschleunigt. Es ist bekannt, dass UBDs Ubiquitin¬signale entschlüsseln. Die Charakterisierung der CUE-Domäne beschreibt eine Notwendigkeit der Bindung von Ubiquitin bereits während der Entstehung von Polyubiquitin. Neben den E3-Ubiquitinligasen existieren Deubiquitinasen (DUB), die an der Reifung und dem Abbau von Ubiquitinsignalen beteiligt sind. Die proteasomalen DUBs Ubp6 und Rpn11 zeigen basale Aktivitäten in Isolation, die eingebunden in den 26S-Komplex moduliert werden. Fluoreszenz-basierte Untersuchungen von Kettenabbaureaktionen lassen erste Schlüsse über die Spezifitäten und die Abbaumechanismen der Enzyme zu. / Polyubiquitination is an essential process modulating protein function in eukaryotic cells. Only recently ubiquitin binding activity has emerged as an important factor in ubiquitin chain assembly. Cue1 is a crucial component of yeast endoplasmic reticulum associated protein degradation complexes which recruits and activates the E2 ubiquitin conjugating enzyme Ubc7. Our NMR solution structure reveals an unconventional CUE domain of Cue1 that substantially stimulates ubiquitin chain elongation by Ubc7.Results from NMR analysis combined with interaction studies and in vitro ubiquitination reactions imply that binding of CUE to a ubiquitin moiety adjacent to the acceptor ubiquitin is a prerequisite for rapid chain elongation. By this mode of action, the CUE domain counteracts the inability of associated Ubc7, to progressively elongate ubiquitin chains. Elongation of K48-linked ubiquitin chains is additionally accelerated since the CUE domain preferentially binds chains of K48-linkage. Our data support a model, where dynamic binding of ubiquitin chains assist to position Ubc7 for rapid elongation of K48-linked chains. Thus, the CUE domain acts as acceleration factor of elongation. Our study provides detailed mechanistic insight into how a ubiquitin binding domain governs polyubiquitin chain formation.