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Numéro
Med Sci (Paris)
Volume 32, Numéro 4, Avril 2016
Page(s) 329 - 332
Section Nouvelles
DOI https://doi.org/10.1051/medsci/20163204006
Publié en ligne 2 mai 2016

La poly-ubiquitination, régulateur essentiel de la voie de signalisation NF-κB

La poly-ubiquitination est un processus essentiel de la signalisation cellulaire [1, 2] ().

(→) Voir la Nouvelle de J.F. Peyron, m/s n° 12, décembre 2001, page 1327 et la Synthèse de E. Andermarcher et al., m/s n° 2, février 2005, page 141

Cette modification post-traductionnelle consiste en la liaison covalente d’une chaîne d’ubiquitine, petite protéine de 76 acides aminés, à une protéine cible. Elle permet de réguler la formation de complexes de signalisation d’une façon extrêmement flexible et dynamique : flexible par la diversité des topologies de chaînes décrites, qui sont déterminées par la position de l’acide aminé de l’ubiquitine engagé dans la liaison à l’ubiquitine voisine et dictent le devenir de la protéine cible ; dynamique par les machineries d’ubiquitination, de dé-ubiquitination et d’édition des chaînes d’ubiquitine qui en assurent le caractère réversible. La poly-ubiquitination est catalysée par une machinerie E1/E2/E31 [1], dans laquelle les E3 ubiquitine ligases, très diverses, sélectionnent les cibles à modifier.

L’importance de la poly-ubiquitination est particulièrement bien illustrée dans l’exemple de la voie NF-κB (nuclear factor-kappa B), régulateur majeur de l’inflammation, de l’immunité et de la survie cellulaire. En l’absence de stimulation, les facteurs NF-κB sont retenus inactifs dans le cytoplasme par un inhibiteur. Dans la voie d’activation canonique2, en réponse à une stimulation (par exemple la présence d’IL[interleukine]-1β, Figure 1 ), l’inhibiteur IκBa (inhibitor of NF-κB) est phosphorylé par le complexe IKK (IκB kinase) et dégradé par le protéasome [14] () ce qui autorise la translocation nucléaire des facteurs NF-κB et donc leur activité transcriptionnelle. L’activation d’IKK nécessite la kinase TAK1 (transforming growth factor beta-activated kinase 1) qui phosphoryle les sous-unités régulatrices IKKa/β. La poly-ubiquitination non dégradative, et en particulier les chaînes en K63 et les chaînes linéaires en M1 (c’est-à-dire les chaînes dans lesquelles la lysine en position 63 [K63] ou la méthionine aminoterminale [M1] de l’ubiquitine est engagée dans la liaison à l’ubiquitine voisine), est essentielle à l’activation du complexe IKK. Elle jouerait ici un rôle d’échafaudage en recrutant la kinase TAK1 via sa sous-unité régulatrice TAB2 (TAK1 binding protein 2), et le substrat IKK via sa sous-unité régulatrice NEMO (NF-κB essential modulator). Cependant, l’identité de la (ou des) protéine(s) en amont d’IKK et de TAK1 modifiées par ubiquitination reste sujet à débat : si des formes modifiées d’IRAK1 (interleukin 1 receptor-associated kinase 1), TRAF6 (TNF [tumor necrosis factor] receptor-associated factor 6), TAB2, TAK1 et NEMO sont en effet détectées à la suite de la stimulation par l’IL-1β par exemple, aucune de ces protéines modifiées ne semble suffisante pour activer IKK in vitro.

(→) Voir l’Éditorial de N. Benaroudj, m/s n° 2, février 2005, page 115

thumbnail Figure 1.

Exploitation virale de la machinerie d’ubiquitination pour l’activation de la voie NF-κB. Le modèle d’activation canonique de la voie par la protéine virale Tax d’HTLV-1 (partie droite) est comparé au modèle physiologique d’activation par l’IL-1β via le récepteur IL-1R (partie gauche). L’inhibiteur IκBα est phosphorylé par le complexe IKK et dégradé par le protéasome, induisant la translocation nucléaire des facteurs de transcription NF-κB. Le complexe IKK est lui-même activé par phosphorylation par TAK1. La poly-ubiquitination non dégradative sous forme de chaînes d’ubiquitine (Ub) liées à des protéines cibles ou libres permettrait le recrutement de TAK1 via TAB2 et du complexe IKK via NEMO, au niveau de la membrane plasmique dans le cas d’une stimulation par l’IL-1β et au niveau de radeaux lipidiques des membranes cellulaires dans le cas d’une stimulation par Tax. Ho et al. [5] montrent pour la première fois l’exploitation des chaînes libres d’ubiquitine par une protéine virale, via l’activation de l’E3 ubiquitine ligase RNF8. CADM1 : cell adhesion molecule 1 ; HTLV-1 : rétrovirus humain T-lymphotrope de type 1 ; IκBa : inhib-iteur de NF-κB ; IKK : IκB kinase ; IL-1β : interleukine 1β ; IL-1R : récepteur de l’IL-1 ; IRAK1 : interleukin 1 receptor-associated kinase 1 ; MyD88 : myeloid differentiation primary response 88 ; NEMO : NF-κB essential modulator ; NF-κB : nuclear factor-kappa B ; RNF8 : ring finger 8 protein ; OPTN : optineurine ; TAB2 : TAK1 binding protein 2 ; TAK1 : transforming growth factor beta-activated kinase 1 ; TAX1BP1 : Tax1-binding protein 1 ; TRAF6 : TNF [tumor necrosis factor] receptor-associated factor 6.

Le rétrovirus humain T-lymphotrope de type 1 (HTLV-1) constitue un excellent outil pour disséquer l’activation des voies NF-κB canonique et non-canonique. Ce rétrovirus est en effet l’agent étiologique de deux pathologies dans lesquelles l’activation constitutive de la voie NF-κB viro-induite est critique : une pathologie neuro-inflammatoire, la paraparésie spastique tropicale3, et une hémopathie maligne, la leucémie T de l’adulte [3] ().

(→) Voir la Synthèse de G. Rizkallah et al., m/s n° 8-9, juin-juillet 2015, page 629

HTLV-1 code la protéine régulatrice Tax qui, outre son rôle essentiel de transactivateur viral, est un inducteur très puissant des voies NF-κB canonique et non-canonique. Dans la voie canonique, le modèle actuel suggère que le virus exploite la machinerie d’ubiquitination pour modifier Tax par des chaînes en K63, permettant ainsi l’interaction de Tax avec TAB2 et NEMO et l’activation d’IKK [4] (Figure 1). Cependant, si l’on sait que l’enzyme E2 de conjugaison Ubc13 : Uev1a4 est impliquée dans l’ubiquitination de Tax, la nature de l’E3 ubiquitine ligase ciblant Tax reste inconnue. Les travaux de l’équipe de Chou-Zen Giam apportent un éclairage nouveau sur cette question [5].

Étude de l’activation de la voie NF-κB à partir de composants sub-cellulaires

Dans cette étude [5], les auteurs exploitent deux systèmes expérimentaux subcellulaires. Le premier consiste à utiliser des extraits cytosoliques de cellules HeLa5 auxquels est ajoutée la protéine Tax purifiée afin de caractériser l’activation de la voie NF-κB. Le second, utilisé pour l’étude fine de l’ubiquitination, est un système totalement in vitro reposant sur la co-incubation de protéines recombinantes.

L’activation canonique de la voie NF-κB dans les extraits cytosoliques en présence de Tax est vérifiée en étudiant la phosphorylation d’IκBa (Figure 1). Lors d’une sur-expression de l’hétérodimère E2 Ubc13 : Uev1a, l’activation de la voie NF-κB, due à Tax, augmente. En revanche, l’effet opposé est observé pour des extraits cytosoliques de cellules dans lesquels l’expression de Ubc13 : Uev1a a été préalablement inhibée (Ubc13KD pour knockdown, c’est-à-dire rendu silencieux par interférence par shARN). Ces résultats valident le système expérimental et posent alors la question de la nature de l’E3 ubiquitine ligase exploitée par Tax.

Identification de la protéine RNF8 comme partenaire de Tax et impact sur la voie NF-κB canonique

Les données de la littérature ont amené les auteurs à considérer la protéine RNF8 (ring finger 8) comme un candidat possible jouant le rôle d’E3 ubiquitine ligase utilisée par Tax. Après avoir confirmé l’interaction entre RNF8 et Tax dans un système cellulaire (lignée HEK 239T6), le système sub-cellulaire d’extraits cytosoliques a été utilisé pour tester l’impact fonctionnel de RNF8 sur l’activation de la voie NF-κB par Tax. Deux principaux résultats ont été obtenus. Tout d’abord, pour des extraits provenant de cellules exprimant peu ou pas RNF8 (cellules RNF8KD [knockdown] ou RNF8KO [knockout]), une diminution de la phosphorylation des facteurs IKKa/β et IκBa et de la dégradation d’IκBa induites par Tax, donc de l’activation canonique de NF-κB, a été observée. Inversement, l’expression ectopique de la protéine RNF8 a entraîné une augmentation de l’activation des facteurs TAK1 et IKK et une phosphorylation accrue d’IκBa. Ces résultats permettent donc de conclure au rôle potentialisateur de RNF8 dans l’activation canonique de la voie NF-κB par Tax.

Implication des chaînes libres d’ubiquitine dans l’activation de la voie NF-κB par Tax

L’équipe de Chou-Zen Giam a ensuite déterminé l’impact de Tax sur l’activité ubiquitine ligase de RNF8 en mettant à profit le système in vitro. RNF8 a été incubée avec une enzyme E1 d’activation de l’ubiquitine et de diverses combinaisons d’hétérodimères E2 contenant Ubc13, en présence ou en absence de Tax. Ces expériences ont montré que RNF8 catalyse la production de chaînes de di- et de poly-ubiquitine, plus spécifiquement en K63, et que Tax stimule cette activité. Cette activité de RNF8 est en accord avec ses effets sur l’activation de NF-κB, puisque les mutants de RNF8 qui ne provoquent pas d’augmentation de l’ubiquitination en K63 n’ont pas d’effet sur NF-κB. De manière inattendue cependant, aucune des protéines ajoutées au système in vitro ne présente une augmentation de son ubiquitination en K63 en présence de RNF8, y compris Tax. Ces éléments indiquent donc que Tax stimule la production, par RNF8, de chaînes libres d’ubiquitine en K63 non ancrées sur une cible protéique (Figure 1). Ces résultats s’inscrivent parfaitement dans une série de découvertes récentes, réalisées en particulier par l’équipe de Zhijian J. Chen. Celle-ci a identifié les chaînes libres d’ubiquitine en K63 comme de véritables seconds messagers intracellulaires, produits au sein de complexes de signalisation, qui sont directement responsables de l’activation, d’une part, des kinases TAK1 et IKK, au cours de l’activation de NF-κB [6], et, d’autre part, de celle des senseurs viraux intracellulaires RIG-I (retinoic acid-inducible gene 1) et MDA5 (melanoma differentiation-associated protein 5), au cours de la réponse innée antivirale [7, 8]. Les travaux de Ho et collaborateurs sont les premiers à montrer une exploitation virale de ce mécanisme [5].

Perspectives

Comme pour la plupart des voies de signalisation étudiées à l’heure actuelle, la redondance des mécanismes régulateurs, l’implication des membranes comme plateformes d’assemblage et les interactions avec d’autres voies de signalisation restent des questions prégnantes pour qui s’intéresse à la signalisation NF-κB. À la suite des résultats obtenus par Ho et ses collaborateurs [5], il sera important de déterminer la pertinence physiologique de l’ubiquitination de Tax et de la production de chaînes libres pour l’activation d’IKK. En effet, si RNF8 ne catalyse pas l’ubiquitination de Tax, les résultats de Ho et al. n’excluent cependant pas un rôle de l’ubiquitination de Tax par une autre E3 ubiquitine ligase en contexte cellulaire. Il sera intéressant d’analyser si les mutants non ubiquitinés de Tax conservent, ou non, leurs propriétés d’interaction et d’activation de RNF8. Les propriétés différentes de Tax codée par HTLV-1 et de Tax codée par HTLV-2, un rétrovirus apparenté mais très peu pathogène, qui active la voie NF-κB canonique par un mécanisme indépendant de son ubiquitination [9], pourraient également être expliqué par l’activation de RNF8. La comparaison du rôle de RNF8 dans l’activation canonique et non canonique de NF-κB par Tax, qui a été effleurée dans cette étude, nécessitera d’être approfondie par des expériences complémentaires.

Il sera aussi crucial de replacer ce mécanisme dans le contexte cellulaire. En effet, l’activation du complexe IKK par Tax se déroule au contact de radeaux lipidiques dans les membranes cellulaires (Figure 1), où Tax serait recrutée, entre autres, par CADM1 (cell adhesion molecule 1) [10, 11]. Or, une étude récente indique que l’association de NEMO aux chaînes libres d’ubiquitine favorise son association aux membranes [12]. Il sera donc important d’analyser le recrutement éventuel de RNF8 par Tax à la surface de ces membranes et l’importance des chaînes libres dans le recrutement du complexe IKK. Les autres protéines cellulaires modulant l’activation de NF-κB induite par Tax, comme l’optineurine et TAX1BP1 (Tax1-binding protein 1) [13], devront également être replacées dans ce modèle.

Enfin, les auteurs suggèrent que l’exploitation de RNF8 pourrait contribuer à d’autres fonctions de Tax telles que l’activation des MAP kinases (mitogen-activated protein kinases), l’inhibition de la réponse aux dommages à l’ADN et l’accumulation de défauts mitotiques, des processus dans lesquels TAK1 ou RNF8 ont été impliquées. Par la stimulation de la production de chaînes d’ubiquitine libres, Tax pourrait également interférer avec la signalisation en aval des senseurs viraux. La validation de ces hypothèses constituera une avancée importante pour la compréhension de l’exploitation virale des chaînes libres d’ubiquitine.

Liens d’intérêt

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.


1

L’ubiquitination s’effectue en trois étapes : activation de l’ubiquitine par la formation d’une liaison thioester avec une enzyme activatrice de l’ubiquitine (E1), puis transfert de l’ubiquitine sur une enzyme de conjugaison à l’ubiquitine (E2), et enfin transfert de l’ubiquitine sur la protéine cible, catalysé par une ubiquitine ligase (E3) qui forme la liaison peptidique entre l’ubiquitine et un résidu lysine ou la méthionine aminoterminale de la protéine cible.

2

L’activité des dimères NF-κB peut être régulée selon deux voies de signalisation dites classique (canonique) et alternative (non canonique). La voie classique s’applique aux dimères composés des sous-unités RelA(p65), c-Rel et/ou p50 qui sont retenus dans le cytoplasme par des inhibiteurs spécifiques. La voie alternative, activée par un nombre plus limité de récepteurs concerne les dimères associant RelB à p52 ou p50.

3

Myéloneuropathie démyélinisante caractérisée cliniquement, entre autres, par une paralysie progressive des jambes.

4

L’enzyme E2 de conjugaison est un hétérodimère formé du complexe Ubc13/Uev1a.

5

Lignée cellulaire immortelle d’origine humaine issue de cellules cancéreuses.

6

Lignée cellulaire transformée d’origine humaine issue de rein embryonnaire et comportant l’antigène T du virus simien 40 (SV40).

Références

  1. Peyron JF. Les multiples rôles de l’ubiquitinylation des protéines. Med Sci (Paris) 2001 ; 17 : 1327–1329. [CrossRef] [EDP Sciences] (Dans le texte)
  2. Andermarcher E, Bossis G, Farras R, et al. La dégradation protéasomique : de l’adressage des protéins aux nouvelles perspectives thérapeutiques. Med Sci (Paris) 2005 ; 21 : 141–149. [CrossRef] [EDP Sciences] [PubMed] (Dans le texte)
  3. Rizkallah G, Mahieux R, Dutartre H. Transmission intercellulaire de HTLV-1: des mécanismes loin d’être complètement élucidés. Med Sci (Paris) 2015 ; 31 : 629–637. [CrossRef] [EDP Sciences] [PubMed] (Dans le texte)
  4. Kfoury Y, Nasr R, Journo C, et al. The multifaceted oncoprotein Tax : subcellular localization, posttranslational modifications, and NF-kappaB activation. Adv Cancer Res 2012 ; 113 : 85–120. [CrossRef] [PubMed] (Dans le texte)
  5. Ho YK, Zhi H, Bowlin T, et al. HTLV-1 Tax stimulates ubiquitin E3 ligase, ring finger protein 8, to assemble lysine 63-linked polyubiquitin chains for TAK1 and IKK activation. PLoS Pathog 2015 ; 11 : e1005102. [CrossRef] [PubMed] (Dans le texte)
  6. Xia ZP, Sun L, Chen X, et al. Direct activation of protein kinases by unanchored polyubiquitin chains. Nature 2009 ; 461 : 114–119. [CrossRef] [PubMed] (Dans le texte)
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  11. Pujari R, Hunte R, Thomas R, et al. Human T-cell leukemia virus type 1 (HTLV-1) tax requires CADM1/TSLC1 for inactivation of the NF-kappaB inhibitor A20 and constitutive NF-kappaB signaling. PLoS Pathog 2015 ; 11 : e1004721. [CrossRef] [PubMed] (Dans le texte)
  12. Catici DA, Horne JE, Cooper GE, Pudney CR. Polyubiquitin drives the molecular interactions of the NF-kappaB essential modulator (NEMO) by allosteric regulation. J Biol Chem 2015 ; 290 : 14130–14139. [CrossRef] [PubMed] (Dans le texte)
  13. Journo C, Filipe J, About F, et al. NRP/Optineurin cooperates with TAX1BP1 to potentiate the activation of NF-kappaB by human T-lymphotropic virus type 1 tax protein. PLoS Pathog 2009 ; 5 : e1000521. [CrossRef] [PubMed] (Dans le texte)
  14. Benaroudj N. Le protéasome, une machinerie cellulaire qui dégrade les proteines. Med Sci (Paris) 2005 ; 21 : 115–116. [CrossRef] [EDP Sciences] [PubMed] (Dans le texte)

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Liste des figures

thumbnail Figure 1.

Exploitation virale de la machinerie d’ubiquitination pour l’activation de la voie NF-κB. Le modèle d’activation canonique de la voie par la protéine virale Tax d’HTLV-1 (partie droite) est comparé au modèle physiologique d’activation par l’IL-1β via le récepteur IL-1R (partie gauche). L’inhibiteur IκBα est phosphorylé par le complexe IKK et dégradé par le protéasome, induisant la translocation nucléaire des facteurs de transcription NF-κB. Le complexe IKK est lui-même activé par phosphorylation par TAK1. La poly-ubiquitination non dégradative sous forme de chaînes d’ubiquitine (Ub) liées à des protéines cibles ou libres permettrait le recrutement de TAK1 via TAB2 et du complexe IKK via NEMO, au niveau de la membrane plasmique dans le cas d’une stimulation par l’IL-1β et au niveau de radeaux lipidiques des membranes cellulaires dans le cas d’une stimulation par Tax. Ho et al. [5] montrent pour la première fois l’exploitation des chaînes libres d’ubiquitine par une protéine virale, via l’activation de l’E3 ubiquitine ligase RNF8. CADM1 : cell adhesion molecule 1 ; HTLV-1 : rétrovirus humain T-lymphotrope de type 1 ; IκBa : inhib-iteur de NF-κB ; IKK : IκB kinase ; IL-1β : interleukine 1β ; IL-1R : récepteur de l’IL-1 ; IRAK1 : interleukin 1 receptor-associated kinase 1 ; MyD88 : myeloid differentiation primary response 88 ; NEMO : NF-κB essential modulator ; NF-κB : nuclear factor-kappa B ; RNF8 : ring finger 8 protein ; OPTN : optineurine ; TAB2 : TAK1 binding protein 2 ; TAK1 : transforming growth factor beta-activated kinase 1 ; TAX1BP1 : Tax1-binding protein 1 ; TRAF6 : TNF [tumor necrosis factor] receptor-associated factor 6.

Dans le texte

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