Proteolysis in eukaryotic cells is mainly mediated by the ubiquitin (Ub)-proteasome system (UPS) and the autophagy-lysosome system (hereafter autophagy). The UPS is a selective proteolytic system in which substrates are recognized and tagged with ubiquitin for processive degradation by the proteasome. Autophagy is a bulk degradative system that uses lysosomal hydrolases to degrade proteins as well as various other cellular constituents. Since the inception of their discoveries, the UPS and autophagy were thought to be independent of each other in components, action mechanisms, and substrate selectivity. Recent studies suggest that cells operate a single proteolytic network comprising of the UPS and autophagy that share notable similarity in many aspects and functionally cooperate with each other to maintain proteostasis. In this review, we discuss the mechanisms underlying the crosstalk and interplay between the UPS and autophagy, with an emphasis on substrate selectivity and compensatory regulation under cellular stresses.
Traditionally, small-molecule or antibody-based therapies against human diseases have been designed to inhibit the enzymatic activity or compete for the ligand binding sites of pathological target proteins. Despite its demonstrated effectiveness, such as in cancer treatment, this approach is often limited by recurring drug resistance. More importantly, not all molecular targets are enzymes or receptors with druggable 'hot spots' that can be directly occupied by active site-directed inhibitors. Recently, a promising new paradigm has been created, in which small-molecule chemicals harness the naturally occurring protein quality control machinery of the ubiquitin-proteasome system to specifically eradicate disease-causing proteins in cells. Such 'chemically induced protein degradation' may provide unprecedented opportunities for targeting proteins that are inherently undruggable, such as structural scaffolds and other non-enzymatic molecules, for therapeutic purposes. This review focuses on surveying recent progress in developing E3-guided proteolysis-targeting chimeras (PROTACs) and small-molecule chemical modulators of deubiquitinating enzymes upstream of or on the proteasome.
Kim, Sung-Moon;Jang, Sang-Ho;Son, Na-Rae;Han, Ching-Tack;Min, Kwan-Sik;Lee, Hak-Kyo;Hwang, Sue-Yun
Animal cells and systems
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v.16
no.4
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pp.280-288
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2012
Targeted degradation of proteins through ubiquitin-mediated proteolysis is an important control mechanism in various cellular processes. The process of ubiquitin conjugation is achieved by three enzyme complexes, among which the ubiquitin ligase complex (E3) is in charge of substrate specificity. The SCF (SKP1-CUL1-F-box) family portrays the largest and the most characterized member of the E3 ligases. For each SCF complex, the ubiquitination target is recognized by the F-box protein subunit, which interacts with the substrate through a unique C-terminal domain. We have characterized a novel F-box protein CFL-1 that represents a single LRR-type F-box (FBXL) in the Caenorhabditis elegans genome. CFL-1 is highly homologous to FBXL20 and FBXL2 of mammals, which are known to regulate synaptic vesicle release and cell cycle, respectively. A green fluorescence protein (GFP)-reporter gene fused to the cfl-1 promoter showed restricted expression around the amphid and the anus. Modulation of CFL-1 activity by RNAi affected the time interval between defecations. RNAi-treated worms also exhibited reduced tendency to form dauer when exposed to daumone. The potential involvement of CFL-1 in the control of defecation and pheromone response adds to the ever expanding list of cellular processes controlled by ubiquitin-mediated proteolysis in C. elegans. We suggest that CFL-1, as a single LRR-type F-box protein in C. elegans, may portray a prototype gene exerting diverse functions that are allocated among multiple FBXLs in higher organisms.
Seo, Jun Ho;Park, Chun Il;Kim, Se Joo;Kang, Jee In
Anxiety and mood
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v.15
no.2
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pp.122-126
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2019
Objective : Dynamic proteolysis, through the ubiquitin-proteasome system, is an important molecular mechanism for the constant regulation of synaptic plasticity and stress responses in humans. In this study, we examined whether genetic variants in the ubiquitin-specific peptidase (USP) genes were associated with psychological traits of resilience and susceptibility to neuropsychiatric disorders for each gender. Methods : A total of 344 Korean healthy youths (190 males, 154 females) were included in the study. A genotyping of rs2241646 of USP2 and rs346006 of USP46 was performed. The Connor-Davidson Resilience Scale and Brief Fear of Negative Evaluation Scale were administered for measuring trait resilience and social anxiety, respectively. The genetic associations of the USP variants were tested using multiple analyses of covariance with psychological traits as dependent variables after controlling for age in each gender. Results : For USP2 rs2241646, women with the TT genotype showed significantly higher resilience and lower social anxiety, as compared to those carrying the C allele. There were no associations between USP46 rs346005 and the psychological traits in both genders. Conclusions : The present study showed a possible genetic association between the USP2 rs2241646 and stress resilience and trait anxiety in women. The findings suggest that ubiquitin-proteasome system may be related to the resilience and susceptibility to stress-related neuropsychiatric disorders such as anxiety disorders, possibly through the regulation of dynamic proteolysis responses to stress.
Homeostatic regulation of meristematic stem cells accomplished by maintaining a balance between stem cell self-renewal and differentiation is critical for proper plant growth and development. The quiescent center (QC) regulates root apical meristem homeostasis by maintaining stem cell fate during plant root development. Cell cycle checkpoints, such as anaphase promoting complex/cyclosome/cell cycle switch 52 A2 (APC/CCCS52A2), strictly control the low proliferation rate of QC cells. Although APC/CCCS52A2 plays a critical role in maintaining QC cell division, the molecular mechanism that regulates its activity remains largely unknown. Here, we identified SCFFBS1, a ubiquitin E3 ligase, as a key regulator of QC cell division through the direct proteolysis of CCS52A2. FBS1 activity is positively associated with QC cell division and CCS52A2 proteolysis. FBS1 overexpression or ccs52a2-1 knockout consistently resulted in abnormal root development, characterized by root growth inhibition and low mitotic activity in the meristematic zone. Loss-of-function mutation of FBS1, on the other hand, resulted in low QC cell division, extremely low WOX5 expression, and rapid root growth. The 26S proteasome-mediated degradation of CCS52A2 was facilitated by its direct interaction with FBS1. The FBS1 genetically interacted with APC/CCCS52A2-ERF115-PSKR1 signaling module for QC division. Thus, our findings establish SCFFBS1-mediated CCS52A2 proteolysis as the molecular mechanism for controlling QC cell division in plants.
Ubiquitin (Ub) is post-translationally modified by Ub itself or Ub-like proteins, phosphorylation, and acetylation, among others, which elicits a variety of Ub topologies and cellular functions. However, N-terminal (Nt) modifications of Ub remain unknown, except the linear head-to-tail ubiquitylation via Nt-Met. Here, using the yeast Saccharomyces cerevisiae and an Nt-arginylated Ub-specific antibody, we found that the detectable level of Ub undergoes Nt-Met excision, Nt-deamination, and Nt-arginylation. The resulting Nt-arginylated Ub and its conjugated proteins are upregulated in the stationary-growth phase or by oxidative stress. We further proved the existence of Nt-arginylated Ub in vivo and identified Nt-arginylated Ub-protein conjugates using stable isotope labeling by amino acids in cell culture (SILAC)-based tandem mass spectrometry. In silico structural modeling of Nt-arginylated Ub predicted that Nt-Arg flexibly protrudes from the surface of the Ub, thereby most likely providing a docking site for the factors that recognize it. Collectively, these results reveal unprecedented Nt-arginylated Ub and the pathway by which it is produced, which greatly expands the known complexity of the Ub code.
International Journal of Industrial Entomology and Biomaterials
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v.13
no.1
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pp.31-35
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2006
The ubiquitin conjugating enzyme 2 (E2) is core component of ubiquitin proteasome pathway (UPP) which represents a selective mechanism for intracellular proteolysis in eukaryotic cells. The E2 has been implicated in the intracellular transfer of ubiquitin to target protein. We show here the involvement of E2 in antiviral immune of Bombyx mori to Bombyx mori nuclear polyhedrosis virus (BmNPV). In this study, mRNA fluorescent differential display PCR (FDD-PCR) was performed with BmNPV highly resistant silkworm strain NB and susceptible silkworm strain 306. At 24 h post BmNPV infection, FDD-PCR with the arbitrary primer AP34 showed that one cDNA band was down-regulated in the midgut of resistant strain, but highly expressed in susceptible strain. The deduced amino acid sequence of this cDNA clone share 99% identity with the recently published B. mori ubiquitin conjugating enzyme E2 (Genbank NO: DQ311351). Fluorescent quantitative PCR corroborated down regulation of E2 in resistant strain. We there conclude that BmNPV infection evokes strong response of susceptible strain including activation of UPP. BmNPV may evolve escape mechanisms that manipulate the UPP in order to persist in the infected host. In addition, the identification of down-regulation of E2 in resistant strain, as well as structure data, are essential to understanding how UPP operates in silkworm antiviral immune to BmNPV disease.
Asymmetric cell division is a fundamental mechanism for the generation of body axes and cell diversity during early embryogenesis in many organisms. During intrinsically asymmetric divisions, an axis of polarity is established within the cell and the division plane is oriented to ensure the differential segregation of developmental determinants to the daughter cells. Studies in the nematode Caenorhabditis elegans have contributed greatly to our understanding of the regulatory mechanisms underlying cell polarity and asymmetric division. However, much remains to be elucidated about the molecular machinery controlling the spatiotemporal distribution of key components. In this review we discuss recent findings that reveal intricate interactions between translational control and targeted proteolysis. These two mechanisms of regulation serve to carefully modulate protein levels and reinforce asymmetries, or to eliminate proteins from certain cells.
The tumor suppressor protein p53 is stabilized by the herpes-virus-associated ubiquitin-specific protease (HAUSP), a deubiquitinating enzyme. We previously isolated and characterized a mouse orthologue of HAUSP, mHAUSP. mHAUSP cDNA consisted of 3,312 bp encodes 1,103 amino acids with a molecular weight of approximately 135 kDa containing highly conserved Cys, Asp (I), His, and Asn/Asp (II) domains. In this study, we carried out site-directed mutagenesis of 6 conserved amino acids (Cys224, Gln231, Asp296, His457, His465, and Asp482) in Cys box, QQD box, and His box. Interestingly, the conserved Gln 231 was not essential for the catalytic activity of mHAUSP. However, the other conserved amino acids were required for deubiquitinating activity of mHAUSP. We performed isopeptidase assay and confirmed that mHAUSP is able to remove ubiquitin from ubiquitinated substrates. In addition, we observed that mHAUSP induces apoptosis in HeLa cells.
Parkinson's disease (PD) is one of the most common neurodegenerative diseases in the elderly population and is caused by the loss of dopaminergic neurons. PD has been predominantly attributed to mitochondrial dysfunction. The structural alteration of α-synuclein triggers toxic oligomer formation in the neurons, which greatly contributes to PD. In this article, we discuss the role of several familial PD-related proteins, such as α-synuclein, DJ-1, LRRK2, PINK1, and parkin in mitophagy, which entails a selective degradation of mitochondria via autophagy. Defective changes in mitochondrial dynamics and their biochemical and functional interaction induce the formation of toxic α-synuclein-containing protein aggregates in PD. In addition, these gene products play an essential role in ubiquitin proteasome system (UPS)-mediated proteolysis as well as mitophagy. Interestingly, a few deubiquitinating enzymes (DUBs) additionally modulate these two pathways negatively or positively. Based on these findings, we summarize the close relationship between several DUBs and the precise modulation of mitophagy. For example, the USP8, USP10, and USP15, among many DUBs are reported to specifically regulate the K48- or K63-linked de-ubiquitination reactions of several target proteins associated with the mitophagic process, in turn upregulating the mitophagy and protecting neuronal cells from α-synuclein-derived toxicity. In contrast, USP30 inhibits mitophagy by opposing parkin-mediated ubiquitination of target proteins. Furthermore, the association between these changes and PD pathogenesis will be discussed. Taken together, although the functional roles of several PD-related genes have yet to be fully understood, they are substantially associated with mitochondrial quality control as well as UPS. Therefore, a better understanding of their relationship provides valuable therapeutic clues for appropriate management strategies.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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