Universität zu Köln

Eckhoff, Julia (2016). Mechanistic and structural characterization of the SUMO-specific protease Ulp2. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Posttranslational attachment of the small ubiquitin-related modifier (SUMO) to a protein, commonly known as sumoylation, is a highly dynamic process of conjugation and deconjugation. This work is concerned with the latter. It characterizes the S. cerevisiae SUMO-specific protease Ulp2, giving insight into its mechanism, its structure, as well as its role in vivo. Ulp2 dismantles poly-SUMO sequentially starting from the distal end (exo mode) down to two linked SUMO moieties. This differentiates Ulp2 from all other members of the Ulp/SENP family of proteases that have been analyzed, so far. Previous studies suggested rather stochastic mechanisms for all of them. Apparently, Ulp2 recognizes a region at the N-terminus or surrounding surfaces of SUMO that are not accessible in moieties of the chain other than the most distal one. Full accessibility to the N-terminus needs to be granted in order to achieve full cleavage efficiency. Additionally, Ulp2 requires at least tri-SUMO to bind and/or to process a target chain. Binding seems to happen in a cooperative manner, meaning that all three binding sites have to be occupied in order to achieve interaction. It was found that in each one of the units of a trimeric SUMO chain a different surface area is involved in SUMO/Ulp2 interactions in the event of cleaving off the most distal unit. The entire mechanism and preferences of Ulp2 are contained in its catalytic domain (UD). In the course of this work, the crystal structure of this domain was solved. The structural insights confirmed Ulp2’s family affiliation with Ulp1, and underscored its close relation to SENP7. Nevertheless, the structure shows concrete unique regions. In vivo studies showed that polymeric SUMO is not subjected to degradation alongside the anchor protein it is attached to, but rather liberated beforehand. Ulp2 was identified as the major, if not only, SUMO-specific protease involved in this SUMO recycling process. In the light of the mechanistic findings, the in vivo analysis led to a model in which Ulp2 is in an antagonistic relationship with STUbLs: While it prevents SUMO chains from getting long enough for STUbLs to capture them, once a STUbLs has bound polymeric SUMO, it obstructs the chain in such a way that it is not possible for Ulp2 to attack it, thus the substrate inevitably files into degradation by the proteasome.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Sumoylierung, die posttranslationale Modifikation eines Proteins mit SUMO (small ubiquitin-related modifier), ist ein Wechselspiel aus Konjugation und De-konjugation. Im folgenden Text liegt der Fokus auf letzterem, genauer auf der SUMO-spezifische Protease Ulp2. Diese Arbeit charakterisiert Ulp2 sowohl mechanistisch als auch strukturell und erlaubte durch In-vivo-Experimente, den mechanistischen Gegebenheiten eine Funktion auf Zellebene zuzuordnen. Ulp2 baut poly-SUMO-Ketten von ihrem distalen Ende her ab. Das unterscheidet es von Ulp1, der einzigen anderen bekannten S. cerevisiae SUMO-Protease, und seinen humanen Orthologen, SENP6 und SENP7, die Ketten eher stochastisch prozessieren. Tri-SUMO ist die Mindestvoraussetzung an eine Kette, um von Ulp2 erkannt zu werden. Die Oberfläche von Ulp2 scheint drei verschiedene SUMO-Bindestellen aufzuweisen, die simultan besetzt sein müssen, damit die Interaktion ausreichend stark ist. Sterisch unbeschränkter Zugang zum Aminoterminus des distalen SUMO ist Voraussetzung für maximale Prozessierungseffizienz. Scheinbar erkennt Ulp2 eine Region am N-Terminus oder umliegende Oberflächen von SUMO, die in anderen Glieder einer poly-SUMO-Kette weniger zugänglich sind. Es zeigte sich, dass Ulp2 in jedem seiner drei Bindungspartner eine andere Oberfläche erkennt. Sämtliche genannte Eigenschaften sind in der aktiven Domäne angelegt. Im Zuge dieser Arbeit wurde die Kristallstruktur der aktiven Domäne von Ulp2 (UD) gelöst. Sie zeigte klare Ähnlichkeiten, aber auch signifikante Unterschiede zwischen der Tertiärstruktur und der Oberflächenbeschaffenheit (Ladung/Hydrophilie) von Ulp2 und Ulp1. Die Ähnlichkeit zu SENP7 ist wesentlich größer, doch auch hier gab es prägnante Divergenzen. In-vivo-Experimente in S. cerevisiae zeigten, dass polymeres SUMO nicht gemeinsam mit seinem Substrat abgebaut, sondern vorab von Ulp2 dekonjugiert wird. Zusammenfassend ergibt sich ein Modell, in dem Ulp2 die Kettenlänge von SUMO-Konjugaten in einem gewissen dynamischen Rahmen hält und damit auch eine antagonistische Rolle zu STUbLs (SUMO-targeted Ubiquitin ligases) einnimmt, die ausschließlich poly-SUMO-Ketten binden können, um das an ihnen haftende Substratprotein seinem Abbau zuzuführen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Eckhoff, Julia Julia.eckhoff@gmx.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-69485
Date:	2016
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Institute for Genetics
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language SUMO English SUMO-specific protease English deconjugation English Ulp2 English proteolysis defect English
Date of oral exam:	5 July 2016
Referee:	Name Academic Title Dohmen, Jürgen Prof. Dr. Hofmann, Kay Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6948