Elucidating ubiquitin recognition by the HECT-type ubiquitin ligase HUWE1

• Main Author: Mony Nair, Rahul
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2021
• Subjects: ddc:570
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/22103; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-221030; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-221030; https://doi.org/10.25972/OPUS-22103; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/22103/Rahul_Mony_Nair_Thesis.pdf

The small protein modifier ubiquitin is at the heart of an immensely versatile posttranslational modification system that orchestrates countless physiological and disease-associated cellular processes. Key to this versatility are the manifold modifications that can be assembled from ubiquitin “building blocks” and are associated with specific functional outcomes for the modified substrates. In particular, ubiquitin molecules can form polymeric chains of distinct lengths and linkage types that give rise to distinct chain conformations, thereby providing recognition sites for specific signaling receptors/effectors. The class of E3 enzymes (ubiquitin ligases) provides critical specificity determinants in ubiquitin linkage formation; it is therefore crucial to unravel precisely how E3 enzymes operate in order to understand the structural basis of ubiquitin signaling and exploit these insights for therapeutic benefit. Overexpression and deregulation of the HECT-type ubiquitin ligase HUWE1 is implicated in several different cancer types and neurodegenerative disorders. It is largely unknown which factors control the ubiquitin modifications formed by HUWE1, how the catalytic HECT domain interacts with functionally distinct ubiquitin molecules (donor, acceptor and regulatory ubiquitin molecules) and which conformational transitions enable these interactions during ubiquitin chain formation. One aim of this study was to structurally elucidate the recognition of donor ubiquitin by the HECT domain of HUWE1. To this end I utilized a ubiquitin activity-based probe to reconstitute a proxy for a donor ubiquitin-linked conjugate of the HECT domain of HUWE1 and determined its structure by X-ray crystallography. This structure reveals that the donor ubiquitin binds to the C-lobe of HUWE1 in the same way as NEDD4-type ligases, corroborating the idea that HECT ligases utilize a conserved mode of donor ubiquitin recognition. independent of their linkage and substrate specificities. With the help of biochemical analyses, I also validated specific features of the structure, in particular the positioning of the C-terminal tail of the ligase, which was known to be critical for activity. In the newly determined structure, which reflects an “L-shaped”, active state of the HECT domain, this tail is fully resolved and coordinated at the N-lobe-C-lobe interface. I defined residues that are critical for this coordination and showed that they are also essential for the activity of HUWE1, including auto-ubiquitination, free ubiquitin chain formation, and substrate ubiquitination. Furthermore, I discovered that the N-lobe of HUWE1 harbors a ubiquitin-binding exosite similar to NEDD4-type ligases and E6AP. My in-vitro activity and binding assays show that HUWE1 uses the exosite for isopeptide bond formation, but that it is dispensable for thioester bond formation. The binding assays further show that the donor ubiquitin loaded HECT domain binds an additional ubiquitin molecule at the exosite more tightly than the apo HECT domain, which possibly suggests allosteric communication between the two sites. Finally, I showed that the ubiquitin activity-based probe (ubiquitin-propargylamine) can label the catalytic cysteine of HUWE1 and NEDD4-type with close to quantitative turn- over, while it does not react with the HECT domain of the evolutionarily more divergent E6AP. The determinants underlying these differential reactivities remain to be explored. Taken, together my results significantly enhance our mechanistic understanding of the catalytic domain of HUWE1 and pinpoint linchpins for therapeutic interventions with the activity of this disease-relevant enzyme. === Der kleine Proteinmodifikator Ubiquitin ist das Herzstück eines immens vielseitigen posttranslationalen Modifikationssystems, das unzählige physiologische und krankheitsassoziierte zelluläre Prozesse orchestriert. Der Schlüssel zu dieser Vielseitigkeit sind die vielfältigen Modifikationen, die sich aus Ubiquitin-"Bausteinen" zusammensetzen lassen und mit spezifischen funktionellen Ergebnissen für die modifizierten Substrate verbunden sind. Insbesondere können Ubiquitin-Moleküle Ketten unterschiedlicher Länge und Verknüpfungstypen bilden, die zu unterschiedlichen Kettenkonformationen führen und dadurch Erkennungsstellen für spezifische Signalrezeptoren/-effektoren bieten. Die Klasse der E3-Enzyme (Ubiquitin-Ligasen) liefert kritische Spezifitätsdeterminanten für die Bildung von Ubiquitin-Bindungen; daher ist es entscheidend, die genaue Funktionsweise der E3-Enzyme zu entschlüsseln, um die strukturelle Grundlage der Ubiquitin-Signalisierung zu verstehen und diese Erkenntnisse für therapeutische Anwendungen zu nutzen. Die Überexpression und Deregulierung der Ubiquitin-Ligase HUWE1 aus der Klasse der HECT-E3-Ligasen ist an mehreren verschiedenen Krebsarten und neurodegenerativen Erkrankungen beteiligt. Es ist weitgehend unbekannt, welche Faktoren durch die von HUWE1 gebildeten Ubiquitin-Modifikationen kontrolliert werden, wie die katalytische HECT-Domäne mit funktionell unterschiedlichen Ubiquitin-Molekülen (Donor-, Akzeptor- und regulatorische Ubiquitin-Moleküle) interagiert und welche Konformationsübergänge diese Interaktionen während der Ubiquitin-Kettenbildung ermöglichen. Ein Ziel dieser Studie war es, die Erkennung des Donor-Ubiquitin-Moleküls durch die HECT-Domäne von HUWE1 strukturell aufzuklären. Zu diesem Zweck verwendete ich eine ´ubiquitin activity-based probe´, um ein Konjugat der HUWE1-HECT-Domäne mit einem Donor-Ubiquitin-Molekül zu rekonstitutieren und die Struktur mittels Röntgenkristallographie zu bestimmen. Diese Struktur zeigte, dass das Donor-Ubiquitin-Molekül auf die gleiche Weise an den C-lobe von HUWE1 bindet wie die Klasse der NEDD4-Ligasen, was die Idee bestätigt, dass HECT-Ligasen einen vergleichbaren Mechanismus bei der Donor-Ubiquitin-Erkennung verwenden, unabhängig von ihrer Bindung und Substratspezifität. Mit Hilfe biochemischer Analysen validierte ich auch spezifische Merkmale der Struktur, insbesondere die Positionierung des C-terminal tail der Ligase, der entscheidend für die Aktivität ist. In der neu bestimmten Struktur, die einen "L-förmigen", aktiven Zustand der HECT-Domäne widerspiegelt, ist der C-terminal tail an der Grenzfläche von N-lobe und C-lobe vollständig aufgelöst und koordiniert. Ich konnte Seitenketten festmachen, die für diese Koordination kritisch sind, und habe gezeigt, dass sie auch für die Aktivität von HUWE1 wesentlich sind, einschließlich der Auto-Ubiquitinierung, der freien Ubiquitin-Kettenbildung und der Substrat-Ubiquitinierung. Darüber hinaus entdeckte ich, dass der N-lobe von HUWE1 eine Ubiquitin-bindende exosite aufweist, ähnlich wie für die Klasse der NEDD4-Ligasen und E6AP. Meine in vitro Aktivitäts- und Bindungstests ergaben, dass HUWE1 die exosite für die Bildung von Isopeptidbindungen verwendet, diese aber für die Bildung von Thioesterbindungen entbehrlich ist. Die Bindungstests zeigten ferner, dass die Donor-Ubiquitin-beladene HECT-Domäne ein zusätzliches Ubiquitin-Molekül an der exosite stärker bindet als die Apo-HECT-Domäne, was möglicherweise auf eine allosterische Kommunikation zwischen den beiden Ubiquitin-Bindestellen hindeutet. Schließlich zeigte ich, dass die ´ubiquitin activity-based probe´ (Ubiquitin-Propargylamin) das katalytische Cystein von HUWE1 und NEDD4 mit nahezu quantitativem Umsatz markieren kann, während es nicht mit der HECT-Domäne des evolutionär stärker divergierenden E6AP reagiert. Die Faktoren, die diesen unterschiedlichen Reaktivitäten zugrunde liegen, müssen noch erforscht werden. Zusammengenommen verbessern meine Ergebnisse unser mechanistisches Verständnis der katalytischen Domäne von HUWE1 und geben uns die Dreh- und Angelpunkte für therapeutische Interventionen mit der Aktivität dieses krankheitsrelevanten Enzyms an die Hand.