La lysine impliquée dans la conjugaison fait généralement partie d’un motif consensus de sumoylation KXD/E, où représente un acide aminé hydrophobe tel que l’isoleucine (I), la valine (V) ou la leucine (L), X n’importe quel acide aminé, D/E un acide aminé aspartique ou glutamique, respectivement (403). Quoique majoritaire, ce mécanisme de conjugaison n’est pas exclusif. Pour environ 25% des protéines sumoylées, incluant entre autres DAXX, Mdm2 et ER, la sumoylation survient sur des résidus lysines qui ne font pas parti d’un motif consensus de sumoylation (173, 404-406). Il s’avère même que certaines protéines qui possèdent le motif ne soient pas sumoylées (407). De plus, plusieurs groupes ont identifié des prolongements au motif consensus de SUMO. En effet, ils démontrent que la conjugaison de SUMO peut être régulée par les acides aminés environnants, tels que des résidus prolines (SC : synergy control motif) (408), des résidus phosphorylables (PDSM : phosphorylation-dependent sumoylation motif) (409) et des résidus acides (NDSM : negatively charged amino acid-dependent sumoylation motif) (410) (Figure 17A). Toutes ces variations du motif de sumoylation ont un impact sur la conjugaison car ils affectent le recrutement et l’action de l’unique conjugase de la voie SUMO, Ubc9.
Toute conjugaison des Ubls nécessite l’action d’E2-conjugases mais Ubc9 se distingue des autres par son habileté à pouvoir reconnaître directement les protéines cibles. En effet, Ubc9 possède deux domaines qui sont impliqués dans la reconnaissance du substrat. Le premier est le site actif, qui reconnaît le motif consensus de SUMO (411, 412) et le second est une poche basique qui interagit favorablement avec des charges négatives (410) (Figure 17B). Ainsi, la présence d’acides aspartique (D), glutamique (E) ou de phosphates directement en aval du site SUMO agit comme catalyseur et favorise la sumoylation de la protéine cible en accentuant l’interaction d’Ubc9 avec cette dernière.
Figure 17 : Mécanismes entourant la conjugaison de SUMO
A: Alignement des différents motifs de sumoylation. B: Schématisation des domaines impliqués dans la reconnaissance du substrat présents chez Ubc9. C: Schématisation des deux modes d’actions utilisés par les E3-ligases pour augmenter la spécificité et la reconnaissance entre Ubc9 et le substrat.D: Schématisation des types de sumoylation. Selon le type de protéines SUMO et le nombre de motifs SUMO présents sur la protéine cible, la résultante de la conjugaison peut être la mono-sumoylation unique ou multiple et/ou la poly- sumoylation. La poly-sumoylation peut être simple (SUMO-2 ou 3) ou mixte (mélange de SUMO-2/3 et/ou de SUMO-1). Image inspirée de (Shen-Hsi Yang et al. 2006; Gareau et al. 2010; Geoffroy and Ronald T Hay 2009).
Le fait qu’Ubc9 puisse reconnaître directement le substrat fait en sorte que l’action des E3-ligases (qui servent d’adaptateur entre Ubc9 et la protéine cible) n’est pas essentielle à la conjugaison. Par contre, leur présence catalyse la conjugaison de SUMO car ils favorisent le rapprochement et la reconnaissance d’Ubc9 avec le substrat. Les E3-ligases
C: Actions des E3-ligases
E3 Substrat GG E3333 G G Ubc9 S1 Stabilisation indirecte GG E3 Substrat S1 G Ubc9 Initiation du complexe …D/E..S/T… P Ubc9
Site actif Domaine basique Charges négatives Motif SUMO … KXD/E… B: Domaines de reconnaissance du substrat Substrat S1 ~ Mono-sumoylation S1 S1 S2/3 ~ ~ ~ ~~ ~ ~~ Substrat Mono-sumoylation multiple S2/3 Substrat S1 ~ S2/3 ~ S2/3 Poly-sumoylation simple ou mixte D:Types de sumoylation : Lysine ~ : Lien isopeptidique S1 S2/3 : SUMO-1 : SUMO-2 ou 3 Termine la chaîne A: Alignement des différents
prolongement du motif SUMO
K x D/E x x S P P x(0-3) K x D/E x(0-3) P K x D/E x x (E/D)4 Motif SC PDSM NDSM Motif SUMO
accentuent le transfert de SUMO sur le substrat selon deux mécanismes (Figure 17C). Dans le premier cas (stabilisation indirecte), l’interaction de l’E3-ligase avec la protéine cible n’est pas nécessaire. Cette dernière interagit seulement avec l’hétérodimère Ubc9-SUMO et permet de coordonner le positionnement de ce dernier afin d’obtenir une conjugaison optimale. En second lieu (initiation du complexe), l’interaction de la E3-ligase avec le substrat est l’étape initiale et permet alors le recrutement d’Ubc9-SUMO dans le complexe, facilitant ainsi la sumoylation (413).
Tous ces mécanismes impliqués dans la conjugaison apportent une spécificité d’action à la voie SUMO et cette spécificité est accentuée par la diversité des isoformes de SUMO et de SUMO-protéases pouvant être utilisées.
Ainsi, selon l’isoforme de SUMO utilisée lors de la conjugaison et le nombre de lysines sumoylables sur la protéine cible, il s’en suivra alors une ou multiple mono- sumoylation ou poly-sumoylation (Figure 17D). En effet, SUMO-2/3 et 4 possèdent dans leur portion Nterm une lysine en position 11 (K11) qui fait partie d’un motif consensus de sumoylation et la présence de ce site permet donc à ces SUMO d’être elles-mêmes sumoylées, menant à la formation de chaîne de poly-SUMO (415). SUMO-1 ne possède pas cette lysine et il est admis que la conjugaison de SUMO-1 ne peut mener qu’à la mono- sumoylation. Toutefois, des chercheurs ont démontrés que SUMO-1 peut être utilisé en fin de chaîne, permettant ainsi l’arrêt de la poly-sumoylation et la formation de chaînes mixtes de SUMO-1, 2 et 3 (416). De plus, la formation de chaînes de poly-SUMO-1 a été observée
in vitro au niveau de lysines ne faisant pas partie d’un motif SUMO, soit les lysines 7, 16,
17 et 117 (417, 418). Il n’est donc pas exclu que la poly-SUMO-1 in vivo puisse être mise en évidence ultérieurement.
Pour l’isoforme SUMO-4, quoiqu’il possède la K11, son implication dans la poly- sumoylation n’a pas encore été démontrée. De plus, il est plus que vraisemblable que l’interaction de SUMO-4 avec un substrat soit la résultante d’une interaction non-covalente impliquant un motif d’interaction/liaison à SUMO (SIM/SBD) (voir section suivante) et
non dû à une conjugaison traditionnelle (lien isopeptidique), puisqu’une proline se trouve en amont de son motif diglycine (GG) et empêche sa maturation (419).
Finalement, la spécificité de la voie SUMO est également dépendante de l’action des SUMO-protéases. Chez les mammifères, on retrouve six isoformes impliqués dans la déconjugaison et la maturation des SUMO, soit SENP1-3 et SENP5-7. Leur localisation cellulaire et leur spécificité pour les différentes SUMO varient d’un isoforme à l’autre (402). Par exemple, SENP1 est retrouvé dans le cytoplasme et le noyau, et est la protéase majoritaire pour la déconjugaison de SUMO-1. SENP2 cible également SUMO-1 mais favorise la déconjugaison de SUMO-2/3 à celle de SUMO-1. SENP3 et 5 ciblent exclusivement SUMO-2/3 alors que SENP6 et 7 sont impliqués dans le clivage des chaînes de SUMO-2/3.