Sự tương tác giữa ubiquitin ligase kiểm soát chất lượng CHIP và các enzyme chuyển conjugate ubiquitin

Springer Science and Business Media LLC - Tập 8 Số 1 - 2008
Zhen Xu1, Ekta Kohli1, Karl I Devlin1, Michael S. Bold1, Jay C. Nix2, Saurav Misra1
1Department of Molecular Cardiology, Lerner Research Institute, The Cleveland Clinic, Cleveland, USA
2Molecular Biology Consortium, Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, USA

Tóm tắt

Tóm tắt Đặt vấn đề Ubiquitin (E3) ligases tương tác với các enzyme chuyển conjugate ubiquitin đặc hiệu (E2) để ubiquitinate các protein mục tiêu cụ thể. Sự kết hợp giữa E2 và E3 quyết định loại và hệ quả sinh học của ubiquitination, do đó việc hiểu rõ cơ sở của tính đặc hiệu trong các tương tác E2:E3 là rất quan trọng. E3 ligase CHIP tương tác với Hsp70 và Hsp90 và ubiquitinate các protein mục tiêu được chaperone bởi các protein sốc nhiệt này. CHIP tương tác với hai loại enzyme E2, UbcH5 và Ubc13-Uev1a. Tuy nhiên, vẫn chưa rõ lý do tại sao CHIP lại liên kết với các enzyme E2 này thay vì những enzyme khác, và liệu CHIP có ưu tiên tương tác với UbcH5 hay Ubc13-Uev1a, hai enzyme này hình thành các chuỗi polyubiquitin khác nhau hay không. Kết quả Cấu trúc tinh thể 2.9 Å của miền U-box của CHIP tương tác với UbcH5a cho thấy CHIP liên kết với UbcH5 và Ubc13 thông qua các đặc điểm tính đặc hiệu tương tự, bao gồm một mô típ S-P-A trên các enzyme E2. Các đặc điểm này đóng góp khác nhau vào tổng thể các tương tác giữa CHIP và hai enzyme E2. CHIP trải qua quá trình tự-ubiquitination bởi UbcH5 nhưng không phải bởi Ubc13-Uev1a. Thay vào đó, CHIP thúc đẩy sự hình thành polyubiquitin không gắn kết bởi Ubc13-Uev1a. CHIP cũng tương tác một cách hiệu quả với enzyme E2 loại III Ube2e2, trong đó các yếu tố tính đặc hiệu liên kết với UbcH5 và Ubc13 được bảo tồn cao. Kết luận Cấu trúc CHIP:UbcH5a nhấn mạnh tầm quan trọng của các yếu tố tính đặc hiệu nằm trên các vòng dài và xoắn trung tâm của U-box CHIP, cũng như trên xoắn N-termin và các vòng L4 và L7 của các enzyme E2 tương ứng. Mô típ S-P-A và các yếu tố tính đặc hiệu khác xác định tập hợp các enzyme E2 tương ứng cho CHIP, có thể bao gồm nhiều enzyme E2 loại III. Các tương tác của CHIP với UbcH5, Ube2e2 và Ubc13-Uev1a nhất quán với quan niệm rằng Ubc13-Uev1a có thể hoạt động tuần tự với các enzyme E2 khác để thực hiện quá trình polyubiquitination liên kết K63 của các chất nền CHIP.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Pickart CM: Mechanisms underlying ubiquitination. Annu Rev Biochem 2001, 70: 503–533. 10.1146/annurev.biochem.70.1.503

Pickart CM, Eddins MJ: Ubiquitin: structures, functions, mechanisms. Biochim Biophys Acta 2004, 1695: 55–72. 10.1016/j.bbamcr.2004.09.019

Passmore LA, Barford D: Getting into position: the catalytic mechanisms of protein ubiquitylation. Biochem J 2004, 379: 513–525. 10.1042/BJ20040198

Ardley HC, Robinson PA: E3 ubiquitin ligases. Essays Biochem 2005, 41: 15–30. 10.1042/EB0410015

Hatakeyama S, Nakayama KI: U-box proteins as a new family of ubiquitin ligases. Biochem Biophys Res Commun 2003, 302: 635–645. 10.1016/S0006-291X(03)00245-6

Aravind L, Iyer LM, Koonin EV: Scores of RINGS but no PHDs in ubiquitin signaling. Cell Cycle 2003, 2: 123–126.

Yang Y, Fang S, Jensen JP, Weissman AM, Ashwell JD: Ubiquitin protein ligase activity of IAPs and their degradation in proteasomes in response to apoptotic stimuli. Science 2000, 288: 874–877. 10.1126/science.288.5467.874

Nuber U, Schwarz SE, Scheffner M: The ubiquitin-protein ligase E6-associated protein (E6-AP) serves as its own substrate. Eur J Biochem 1998, 254: 643–649. 10.1046/j.1432-1327.1998.2540643.x

Chen A, Kleiman FE, Manley JL, Ouchi T, Pan ZQ: Autoubiquitination of the BRCA1*BARD1 RING ubiquitin ligase. J Biol Chem 2002, 277: 22085–22092. 10.1074/jbc.M201252200

Pickart CM, Fushman D: Polyubiquitin chains: polymeric protein signals. Curr Opin Chem Biol 2004, 8: 610–616. 10.1016/j.cbpa.2004.09.009

Thrower JS, Hoffman L, Rechsteiner M, Pickart CM: Recognition of the polyubiquitin proteolytic signal. Embo J 2000, 19: 94–102. 10.1093/emboj/19.1.94

Mukhopadhyay D, Riezman H: Proteasome-independent functions of ubiquitin in endocytosis and signaling. Science 2007, 315: 201–205. 10.1126/science.1127085

Schnell JD, Hicke L: Non-traditional functions of ubiquitin and ubiquitin-binding proteins. J Biol Chem 2003, 278: 35857–35860. 10.1074/jbc.R300018200

Winn PJ, Religa TL, Battey JN, Banerjee A, Wade RC: Determinants of functionality in the ubiquitin conjugating enzyme family. Structure 2004, 12: 1563–1574. 10.1016/j.str.2004.06.017

McDonough H, Patterson C: CHIP: a link between the chaperone and proteasome systems. Cell Stress Chaperones 2003, 8: 303–308. 10.1379/1466-1268(2003)008<0303:CALBTC>2.0.CO;2

Murata S, Chiba T, Tanaka K: CHIP: a quality-control E3 ligase collaborating with molecular chaperones. Int J Biochem Cell Biol 2003, 35: 572–578. 10.1016/S1357-2725(02)00394-1

Nikolay R, Wiederkehr T, Rist W, Kramer G, Mayer MP, Bukau B: Dimerization of the human E3 ligase CHIP via a coiled-coil domain is essential for its activity. J Biol Chem 2004, 279: 2673–2678. 10.1074/jbc.M311112200

Murata S, Minami Y, Minami M, Chiba T, Tanaka K: CHIP is a chaperone-dependent E3 ligase that ubiquitylates unfolded protein. EMBO Rep 2001, 2: 1133–1138. 10.1093/embo-reports/kve246

Connell P, Ballinger CA, Jiang J, Wu Y, Thompson LJ, Hohfeld J, Patterson C: The co-chaperone CHIP regulates protein triage decisions mediated by heat-shock proteins. Nat Cell Biol 2001, 3: 93–96. 10.1038/35070170

Jiang J, Ballinger CA, Wu Y, Dai Q, Cyr DM, Hohfeld J, Patterson C: CHIP is a U-box-dependent E3 ubiquitin ligase: identification of Hsc70 as a target for ubiquitylation. J Biol Chem 2001, 276: 42938–42944. 10.1074/jbc.M101968200

Dickey CA, Patterson C, Dickson D, Petrucelli L: Brain CHIP: removing the culprits in neurodegenerative disease. Trends Mol Med 2007, 13: 32–38. 10.1016/j.molmed.2006.11.003

Zhang M, Windheim M, Roe SM, Peggie M, Cohen P, Prodromou C, Pearl LH: Chaperoned ubiquitylation--crystal structures of the CHIP U box E3 ubiquitin ligase and a CHIP-Ubc13-Uev1a complex. Mol Cell 2005, 20: 525–538. 10.1016/j.molcel.2005.09.023

Kim HT, Kim KP, Lledias F, Kisselev AF, Scaglione KM, Skowyra D, Gygi SP, Goldberg AL: Certain pairs of ubiquitin-conjugating enzymes (E2s) and ubiquitin-protein ligases (E3s) synthesize nondegradable forked ubiquitin chains containing all possible isopeptide linkages. J Biol Chem 2007, 282: 17375–17386. 10.1074/jbc.M609659200

Windheim M, Peggie M, Cohen P: Two different classes of E2 ubiquitin-conjugating enzymes are required for the mono-ubiquitination of proteins and elongation by polyubiquitin chains with a specific topology. Biochem J 2008, 409: 723–729. 10.1042/BJ20071338

Hofmann RM, Pickart CM: In vitro assembly and recognition of Lys-63 polyubiquitin chains. J Biol Chem 2001, 276: 27936–27943. 10.1074/jbc.M103378200

Sun L, Chen ZJ: The novel functions of ubiquitination in signaling. Curr Opin Cell Biol 2004, 16: 119–126. 10.1016/j.ceb.2004.02.005

Xu Z, Devlin KI, Ford MG, Nix JC, Qin J, Misra S: Structure and interactions of the helical and U-box domains of CHIP, the C terminus of HSP70 interacting protein. Biochemistry 2006, 45: 4749–4759. 10.1021/bi0601508

Cook WJ, Jeffrey LC, Xu Y, Chau V: Tertiary structures of class I ubiquitin-conjugating enzymes are highly conserved: crystal structure of yeast Ubc4. Biochemistry 1993, 32: 13809–13817. 10.1021/bi00213a009

Houben K, Dominguez C, van Schaik FM, Timmers HT, Bonvin AM, Boelens R: Solution structure of the ubiquitin-conjugating enzyme UbcH5B. J Mol Biol 2004, 344: 513–526. 10.1016/j.jmb.2004.09.054

Zheng N, Wang P, Jeffrey PD, Pavletich NP: Structure of a c-Cbl-UbcH7 complex: RING domain function in ubiquitin-protein ligases. Cell 2000, 102: 533–539. 10.1016/S0092-8674(00)00057-X

Flocco MM, Mowbray SL: Planar stacking interactions of arginine and aromatic side-chains in proteins. J Mol Biol 1994, 235: 709–717. 10.1006/jmbi.1994.1022

Ito K, Adachi S, Iwakami R, Yasuda H, Muto Y, Seki N, Okano Y: N-Terminally extended human ubiquitin-conjugating enzymes (E2s) mediate the ubiquitination of RING-finger proteins, ARA54 and RNF8. Eur J Biochem 2001, 268: 2725–2732. 10.1046/j.1432-1327.2001.02169.x

Plafker SM, Plafker KS, Weissman AM, Macara IG: Ubiquitin charging of human class III ubiquitin-conjugating enzymes triggers their nuclear import. J Cell Biol 2004, 167: 649–659. 10.1083/jcb.200406001

Dominguez C, Bonvin AM, Winkler GS, van Schaik FM, Timmers HT, Boelens R: Structural model of the UbcH5B/CNOT4 complex revealed by combining NMR, mutagenesis, and docking approaches. Structure 2004, 12: 633–644. 10.1016/j.str.2004.03.004

Kim M, Tezuka T, Tanaka K, Yamamoto T: Cbl-c suppresses v-Src-induced transformation through ubiquitin-dependent protein degradation. Oncogene 2004, 23: 1645–1655. 10.1038/sj.onc.1207298

Dai Q, Zhang C, Wu Y, McDonough H, Whaley RA, Godfrey V, Li HH, Madamanchi N, Xu W, Neckers L, Cyr D, Patterson C: CHIP activates HSF1 and confers protection against apoptosis and cellular stress. Embo J 2003, 22: 5446–5458. 10.1093/emboj/cdg529

Hofmann RM, Pickart CM: Noncanonical MMS2-encoded ubiquitin-conjugating enzyme functions in assembly of novel polyubiquitin chains for DNA repair. Cell 1999, 96: 645–653. 10.1016/S0092-8674(00)80575-9

VanDemark AP, Hofmann RM, Tsui C, Pickart CM, Wolberger C: Molecular insights into polyubiquitin chain assembly: crystal structure of the Mms2/Ubc13 heterodimer. Cell 2001, 105: 711–720. 10.1016/S0092-8674(01)00387-7

Eddins MJ, Carlile CM, Gomez KM, Pickart CM, Wolberger C: Mms2-Ubc13 covalently bound to ubiquitin reveals the structural basis of linkage-specific polyubiquitin chain formation. Nat Struct Mol Biol 2006, 13: 915–920. 10.1038/nsmb1148

Petroski MD, Zhou X, Dong G, Daniel-Issakani S, Payan DG, Huang J: Substrate modification with lysine 63-linked ubiquitin chains through the UBC13-UEV1A ubiquitin-conjugating enzyme. J Biol Chem 2007, 282: 29936–29945. 10.1074/jbc.M703911200

Christensen DE, Brzovic PS, Klevit RE: E2-BRCA1 RING interactions dictate synthesis of mono- or specific polyubiquitin chain linkages. Nat Struct Mol Biol 2007, 14: 941–948. 10.1038/nsmb1295

Andersen PL, Zhou H, Pastushok L, Moraes T, McKenna S, Ziola B, Ellison MJ, Dixit VM, Xiao W: Distinct regulation of Ubc13 functions by the two ubiquitin-conjugating enzyme variants Mms2 and Uev1A. J Cell Biol 2005, 170: 745–755. 10.1083/jcb.200502113

Sheffield P, Garrard S, Derewenda Z: Overcoming expression and purification problems of RhoGDI using a family of "parallel" expression vectors. Protein Expr Purif 1999, 15: 34–39. 10.1006/prep.1998.1003

Pflugrath JW: The finer things in X-ray diffraction data collection. Acta Crystallogr D 1999, 55: 1718–1725. 10.1107/S090744499900935X

McCoy AJ, Grosse-Kunstleve RW, Adams PD, Winn MD, Storoni LC, Read RJ: Phaser crystallographic software. J Appl Cryst 2007, 40: 658–674. 10.1107/S0021889807021206

Brunger AT, Adams PD, Clore GM, DeLano WL, Gros P, Grosse-Kunstleve RW, Jiang JS, Kuszewski J, Nilges M, Pannu NS, Read RJ, Rice LM, Simonson T, Warren GL: Crystallography & NMR system: A new software suite for macromolecular structure determination. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr 1998, 54: 905–921. 10.1107/S0907444998003254

Emsley P, Cowtan K: Coot: model-building tools for molecular graphics. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr 2004, 60: 2126–2132. 10.1107/S0907444904019158

Laswkowski RA, MacArthur MW, Moss DS, Thornton JM: PROCHECK: a program to check the stereochemical quality of protein structures. J Appl Cryst 1993, 26: 283–291. 10.1107/S0021889892009944

DeLano WL: The PyMol Molecular Graphics System.[http://www.pymol.org]

Murata S, Minami M, Minami Y: Purification and assay of the chaperone-dependent ubiquitin ligase of the carboxyl terminus of Hsc70-interacting protein. Methods Enzymol 2005, 398: 271–279. 10.1016/S0076-6879(05)98022-1

Huang J, Sheung J, Dong G, Coquilla C, Daniel-Issakani S, Payan DG: High-throughput screening for inhibitors of the e3 ubiquitin ligase APC. Methods Enzymol 2005, 399: 740–754. 10.1016/S0076-6879(05)99049-6

Thông tin
Thông tin xuất bản

Springer Science and Business Media LLC

Tập 8 Số 1

Thông tin tác giả