Regulation of proteotoxicity through atypical NEDDylation

par Chantal Maghames

Thèse de doctorat en Biologie Santé

Sous la direction de Dimitris Xirodimas.

Le jury était composé de Dimitris Xirodimas, Robin Fåhraeus, Gwénaël Rabut, Guillaume Bossis.

Les rapporteurs étaient Robin Fåhraeus, Gwénaël Rabut.

  • Titre traduit

    Régulation de protéotoxicité via la NEDDylation atypique


  • Résumé

    Les cellules sont constamment exposées à des stress « protéotoxiques » qui altèrent leurs protéines. Si les protéines endommagées ne sont pas réparées ou éliminées, elles peuvent former des agrégats toxiques pouvant conduire à l’émergence de plusieurs maladies, telle que les maladies neurodégénératives et le cancer. Pour éviter cette toxicité, les cellules ont développé plusieurs stratégies qui collaborent et communiquent afin d'assurer le contrôle de qualité des protéines et maintenir l’intégrité du protéome cellulaire. L’ensemble de ces stratégies forment le réseau de l’homéostasie protéique ou « protéostasie ». Ce réseau inclus les chaperonnes moléculaires, les systèmes protéolytiques (lysosomes, protéasomes) et des systèmes de séquestration des protéines endommagées. L’Ubiquitine et les protéines apparentées à l’Ubiquitine telle que SUMO et NEDD8, sont des effecteurs essentiels de ce réseau. Ces molécules modifient leurs substrats de façon covalente, grâce à l’action d’une cascade d’enzymes E1, E2 et E3. En principe, on considérait que chacune de ces voies employait sa propre cascade enzymatique pour la modification post-traductionnelle de ses substrats. L’Ubiquitination joue un rôle essentiel dans la réponse au stress cellulaire, surtout en assurant la dégradation protéasomique des protéines mal repliées. Récemment, notre laboratoire a trouvé que plusieurs stress protéotoxiques telle que l’inhibition du protéasome, un choc thermique et un stress oxydatif, causent une augmentation de NEDDylation. De manière remarquable, cette augmentation ne dépend pas de l’enzyme d’activation de NEDD8 NAE, mais plutôt de celle de l’Ubiquitine Ube1. De plus, elle se caractérise par la formation des chaînes poly-NEDD8 et des chaînes mixtes entre NEDD8 et Ubiquitine. Ce processus est réversible et une restauration cellulaire est obtenue une fois le stress atténué. Le but de notre projet est de caractériser la réponse de NEDD8 au stress cellulaire ou ce qu’on appelle « la NEDDylation atypique » en vue de comprendre son effet biologique pendant ces conditions. Nos résultats montrent que la NEDDylation atypique dépend des protéines de stress Hsp70/90 et qu’elle cible principalement les protéines nouvellement synthétisées et mal repliées. On montre que, suite à leur modification par NEDD8/Ubiquitin, ces protéines sont transloquées du cytosol au noyau, où elles sont dégradées par le protéasome. Cependant, des conditions de stress prolongé causent une atténuation de l’activité nucléaire des protéasomes 26S, ce qui provoque alors l’accumulation des protéines endommagées sous forme d’inclusions nucléaires. Ces dernières sont réversibles et peuvent être éliminées par le protéasome une fois le stress atténué. Afin d’identifier les cibles de NEDD8 dans des conditions de stress, nous avons développé une approche protéomique basée sur une stratégie de mutation ponctuelle (NEDD8R74K). Cette stratégie permet l’identification des sites spécifiques de NEDDylation au sein des protéines cibles. Cette approche en combinaison avec le SILAC a permis l’identification de NEDD8, Ubiquitine, SUMO-2 et les protéines ribosomiques en tant que principales cibles de NEDD8 en réponse au stress. Ce qui était plus intéressant est que, en appliquant l’étude protéomique SILAC, on a pu constater que le rôle essentiel de la NEDDylation atypique est d’induire l’agrégation/séquestration d’un ensemble spécifique de protéines au sein des inclusions nucléaires. De plus, nous avons montré que l’agrégation induite par NEDD8 protège les protéasomes nucléaires d’une sévère déficience et permet une meilleure survie cellulaire pendant le stress. Notre étude présente NEDD8 comme un nouvel effecteur dans le réseau de protéostasie, elle identifie une nouvelle inclusion nucléaire cytoprotectrice et montre que la NEDDylation atypique est essentielle pour la réponse cellulaire au stress.


  • Résumé

    Cells are continuously endangered by a variety of proteotoxic stresses that cause protein misfolding and accumulation. Defects in repair or elimination of protein damage can lead to the formation of toxic aggregates that have been associated with diseases, such as neurodegenerative disorders and cancer. To prevent this toxicity, cells have evolved multiple quality control processes that interact and cooperate to maintain protein homeostasis leading to cellular fitness. These processes form “the proteostasis network”, and include molecular chaperones, proteolytic machineries (lysosomes, proteasomes) and pathways for protein damage sequestration. One of the main effectors of this network is the Ubiquitin and the Ubiquitin-like molecules, such as SUMO and NEDD8. These molecules covalently modify proteins through the action of E1, E2 and E3 enzymes. Historically, it was believed that each pathway employed its own and unique set of enzymes to post-translationally modify its substrates. Ubiquitination is essential for the cellular response to stress, especially by targeting misfolded proteins for proteasomal degradation. However, we recently discovered that proteotoxic stresses including proteasome inhibition, heat shock and oxidative stress induce a global increase in protein NEDDylation. Surprisingly, this increase does not depend on the NEDD8 activating enzyme NAE, but rather on the Ubiquitin activating enzyme Ube1, and is characterized by the formation of poly-NEDD8 chains and mixed chains between NEDD8 and Ubiquitin. Importantly, this process is reversible and cell recovery is accomplished once stress is alleviated. In this study, we focused on characterizing the NEDD8 response to stress or “atypical NEDDylation” in order to understand its biological relevance under these conditions.Our results showed that atypical NEDDylation depends on Hsp70/90 and targets mainly newly synthesized damaged proteins. We showed that, after their NEDDylation/Ubiquitination, misfolded proteins are progressively translocated from the cytosol into the nucleus for proteasomal degradation. However, upon prolonged stress conditions, the activity of nuclear 26S proteasome is compromised, resulting in the accumulation of these conjugates into nuclear inclusions. These inclusions are reversible and eliminated by nuclear proteasomes once stress is alleviated. In order to identify NEDD8 targets upon these conditions, we developed a proteomic approach based on a point mutation strategy (NEDD8R74K) that enables a site-specific analysis of NEDDylated proteins. This approach in combination with SILAC allowed the identification of NEDD8, Ubiquitin, SUMO-2, and ribosomal proteins as the major NEDD8 targets upon stress. Interestingly, by SILAC proteomics we found that the main function of atypical NEDDylation is to induce the aggregation/sequestration of a specific subset of proteins within the nuclear inclusions. We showed that this NEDD8-induced aggregation protects nuclear proteasomes from a severe impairment and allows a better cell survival upon proteotoxic stress.Our study defines NEDD8 as a new effector in the proteostasis network, identifies a new cytoprotective nuclear inclusion and shows that atypical NEDDylation is essential for the cellular response to stress.

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