Modifications post-traductionnelles des protéines
Ubiquitination : E3 ubiquitine ligases de la famille RBR

Les E3 ubiquitine ligases sont classées en trois grandes familles (New insights into ubiquitin E3 ligase mechanism 2014 et HECT and RING finger families of E3 ubiquitin ligases at a glance 2012).

• la famille HECT,
• la famille RING, à domaine RING ou RING-related, les U-box ne contenant pas d'atomes de zinc y sont intégrées,
• la famille RBR (RING-Between-RING).

La famille RBR (RING-Between-RING) catalyse l’ubiquitination par un mécanisme en deux étapes, distinct de celui des ligases HECT ou RING (The ring between ring fingers (RBR) protein family 2007).

Les premières protéines RBR ont été découvertes :

• chez la drosophile (Ariadne-1: A Vital Drosophila Gene Is Required in Development and Defines a New Conserved Family of RING-Finger Proteins 2000),
• puis, chez l'homme avec la parkine dont les mutations sont impliquées dans l'apparition précoce de la maladie de Parkinson (The Role of Parkin in Familial and Sporadic Parkinson’s Disease 2010).

Structure des RBR

1. La structure de la parkine comprend (New insights into ubiquitin E3 ligase mechanism 2014) :

• un domaine UBL (Ubiquitin-Like) N-terminal,
• un domaine RING0, domaine liant le zinc,
• un domaine RING1, domaine Ring-finger, qui recrute classiquement l'enzyme de conjugaison E2,
• un domaine IBR (In-Between-RING) central, de structure apparentée à RING2,

• 

  un domaine RING2 C-terminal, responsable de l’activité catalytique et fonctionnant selon un mécanisme de type HECT plutôt que RING.

2. Dans sa forme compacte inactive, la parkine est auto-inhibée.

• RING0 qui cache la cystéine catalytique de RING2.
• Une hélice α REP (REP helical linker), lien entre les domaines IBR et RING2, recouvre le site de liaison à E2 situé dans RING1.
• Le domaine UBL N-terminal jouerait un rôle régulateur secondaire (Confronting Neurodegeneration: Insights into Parkin Function as a Protective Enzyme in Parkinson’s Disease 2014).

Par contre, le déclencheur exact de la réactivation de la parkine (phosphorylation du domaine UBL ?) reste encore débattu (Regulation of Parkin E3 ubiquitin ligase activity 2012).

3. D’autres membres de la famille, comme HHARI, présentent d'autres processus d'autoinhibition (Structure of HHARI, a RING-IBR-RING Ubiquitin Ligase: Autoinhibition of an Ariadne-Family E3 and Insights into Ligation Mechanism 2013).

Mécanisme d'ubiquitination par les RBR

Mécanisme général

Le mécanisme d’ubiquitination des RBR est hybride, combinant des caractéristiques :

• des ligases RING par la reconnaissance du complexe E2~Ub,
• des ligases HECT par la formation d’un intermédiaire thioester.

Ainsi,

• RING1 interagit avec E2~Ub ( complexe E2~ubiquitine).
• RING2, via sa cystéine catalytique, forme une liaison thioester intermédiaire avec l’ubiquitine transférée depuis E2.

Exemple du complexe LUBAC

LUBAC (Linear UBiquitin chain-Assembly Complex) illustre une application particulière des RBR.

Il catalyse la formation de chaînes linéaires d’ubiquitine, reliant la Gly76 C-terminale d’une ubiquitine à la Met1 N-terminale de la suivante (A ubiquitin ligase complex assembles linear polyubiquitin chains 2006).

1. Le complexe LUBAC trois sous-unités principales :

• SHARPIN contenant un domaine PH, UBL et NZF,
• HOIL-1L, possédant un domaine UBL, NZF et RBR (RING1, IBR et RING2),

Ces deux protéines semblent, toute deux, intervenir dans l'autoinhibition de LUBAC.

• HOIP, sous-unité catalytique, formée de domaines PUB, NZF, UBA, RBR et d’un LDD (The PUB Domain Functions as a p97 Binding Module in Human Peptide N -Glycanase 2006), NZF, UBA (Ubiquitin-associated domain), faisant partie de la plus grande classe des domaines UBD, RBR et LDD.

2. Le domaine CBR (Catalytic IBR) de HOIP est le domaine catalytique de LUBAC qui comporte ;

• 

  un motif zinc-finger (ZF1) dans le domaine RING 2
• un motif zinc-finger (ZF2) dans le domaine hélical C-terminal du domaine LDD.

3. Le domaine LDD (Linear ubiquitin chain Determining Domain) de HOIP constitue l’élément catalytique terminal du complexe LUBAC, essentiel à la formation des chaînes linéaires d’ubiquitine (Structural basis for ubiquitylation by HOIL-1 2023).

Il agit comme une plateforme structurale et catalytique permettant l’orientation et l’activation concertée des ubiquitines donneuse et accepteur (Structures, functions, and inhibitors of LUBAC and its related diseases 2022).

a. Le LDD assure la reconnaissance et la stabilisation du couple d’ubiquitines impliqué dans la réaction.

• L’ubiquitine donneuse est liée de manière covalente à la cystéine catalytique (Cys885) du domaine RING2 de HOIP.
• L’ubiquitine accepteur est recrutée de manière non covalente par le LDD, via une interaction structurée autour de son extrémité N-terminale (Met1).

b. Le domaine LDD adopte une conformation hélicoïdale allongée, formant une interface double :

• une interface avec RING2 qui aligne la Cys885 et le groupement carbonyle de Gly76 de l’ubiquitine donneuse,
• une interface avec l’ubiquitine accepteur, où la His887 du LDD joue un rôle clé dans la catalyse.

c. His887 agit comme une base générale, déprotonant l’amine N-terminale de la Met1 de l’ubiquitine accepteur et l'activant pour détruire la liaison thioester E2~Ub.

Ce processus active l’amine pour une attaque nucléophile sur le groupement carbonyle du thioester RING2~Ub, ce qui conduit à la formation d’une liaison peptidique linéaire entre les deux ubiquitines.

d. En imposant cette géométrie stricte entre les ubiquitines, le LDD exclut la participation des lysines de l’ubiquitine accepteur, empêchant ainsi la formation de chaînes K48 ou K63, et déterminant donc la linéarité spécifique des chaînes M1, caractéristique unique du LUBAC.

4. Les chaînes M1-ubiquitine ainsi formées jouent un rôle fondamental dans :

• la signalisation NF-κB,
• la réponse inflammatoire,
• la stabilisation de complexes de signalisation tels que NEMO/IKKγ.

Mécanismes de l'ubiquitination