Differenti tipi di ubiquitinazione e loro significato biologico

Poiché le catene di ubiquitina possono essere formate utilizzando diversi residui di lisina presenti nell’ubiquitina stessa, e grazie alla sua elevata specificità di legame alle proteine bersaglio, l’ubiquitinazione delle proteine costituisce un segnale multifunzionale e come tale influenza diversi processi biologici. Il modo attraverso il quale l’ubiquitina viene legata ai substrati proteici, determina il destino delle proteine bersaglio. Una proteina può infatti venire modificata su di un singolo o su diversi residui di lisina (Wilkinson, 2001). Quando un’unica molecola di ubiquitina viene coniugata ad un solo residuo di lisina, ci si riferisce ad una reazione di monoubiquitinazione, viceversa, quando più residui di lisina del substrato sono coinvolti nel legame all’ubiquitina si parla di multiubiquitinazione. Infine, più molecole di ubiquitina possono essere legate ad un residuo di lisina del substrato per formare una catena di poliubiquitina (poliubiquitinazione) (Figura 6A).

Sia la monoubiquitinazione che la multiubiquitinazione costituiscono un segnale per il controllo di diversi processi cellulari inclusi la trascrizione, la funzionalità degli istoni, l’endocitosi, il traffico di proteine di membrana e la localizzazione subcellulare (Hicke and Dunn., 2003; Muratani and Tansey.,2003; Hicke, 2001; Katzmann et al., 2002) (Figura 6B).

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Figura 6: Meccanismi di modificazione delle proteine da parte dell’ubiquitina. I substrati

possono essere modificati attraverso il legame di una singola molecola di ubiquitina con un singolo residuo di lisina (monoubiquitinazione), oppure mediante l’interazione di più molecole singole di ubiquitina su residui di lisina multipli (multiubiquitinazione), o infine tramite la formazione di catene costituite da più molecole di ubiquitina su di un singolo residuo di lisina (poliubiquitinzaione). La monoubiquitinazione regola diversi processi cellulari quali l’endocitosi, il trasporto intracellulare l’attivazione trascrizionale, il riparo al DNA e l’attività degli istoni. La multiubiquitinazione è ancora poco caratterizzata e risulta svolgere funzioni nei processi di endocitosi. La poliubiquitinazione può avvenire su diversi residui di lisina presenti nell’ubiquitina e di conseguenza servire per diversi processi biologici. Catene generate utilizzando la Lys 48 costituiscono il segnale per la degradazione proteosoma-dipendente. Catene formate attraverso residui di Lys 63 sono implicate nella regolazione del riparo al DNA, nell’attivazione chinasica, nella funzione ribosomiale e nel trasporto delle proteine di membrana. Catene originate dall’utilizzo della Lys29 sono coinvolte nel reclutamento dell’enzima E4. Le catene generate attraverso l’utilizzo degli altri residui (lys6, lys11, lys27 e lys33) sono ancora poco caratterizzate.

Ad esempio, i recettori dei fattori di crescita, una volta attivati, vengono generalmente rimossi dalla superficie cellulare e trasportati nei compartimenti endosomiali; successivamente, possono essere degradati o alternativamente possono tornare sulla membrana cellulare ed essere nuovamente impiegati per un altro ciclo. Il processo descritto viene finemente regolato da meccanismi di ubiquitinazione. Diverse permeasi e trasportatori in S. cerevisiae così come recettori delle tirosin chinasi (receptor tyrosin kinases, RTKs) in cellule animali, sono soggetti a mono o a multiubiquitinazione (Haglund et al., 2003; Terrell et al., 1998; Galan et al., 1997).

Un altro processo cellulare coordinato da eventi di ubiquitinazione è il riparo del DNA. In particolare, recentemente sono stati condotti diversi studi sul meccanismo di sintesi del DNA lesionato coordinato dal fattore replicativo PCNA (proliferating cell nuclear antigen), in grado di reclutare la DNA polimerasi. La diversa ubiquitinazione a cui può sottostare PCNA, è responsabile del reclutamento di polimerasi distinte; infatti PCNA monoubiquitinato interagisce con la polimerasi replicativa, viceversa, in seguito a poliubiquitinazione costituita da una catena le cui ubiquitine si legano attraverso la lys63

21 è la polimerasi di translesione ad essere coinvolta (Bienko et al., 2005; Kannouche and Wing, 2004).

L’ubiquitinazione è un processo fondamentale anche nella regolazione della trascrizione: gli istoni infatti sono stati il primo substrato scoperto in grado di interagire con la molecola di ubiquitina, ad oggi molti lavori hanno determinato come l’ubiquitinazione degli istoni possa essere responsabile di ulteriori modificazioni post- traduzionali negli istoni stessi (metilazione, acetilazione), in grado di alterare la struttura della cromatina (Muratani and Tansey, 2003). Alcuni esempi verranno illustrati in seguito.

L’ubiquitina contiene sette residui di lisina conservati (Lys6, Lys11, Lys27, Lys29, Lys33, Lys48 e Lys63), in grado di generare catene di poliubiquitina interagendo con il residuo di glicina posto all’estremità carbossi-terminale di una molecola di ubiquitina adiacente (Hershko and Ciechanover,1998; Ciechanover, 1994, 2005; Hershko, 2005).

Generalmente l’utilizzo del residuo Lys48 è finalizzato alla formazione di catene di ubiquitina che costituiscono il segnale di riconoscimento per il proteosoma. Tuttavia, alcuni studi dimostrano che anche i residui Lys11 e Lys29, potrebbero svolgere la stessa funzione proteolitica (Arnason and Ellison, 1994; Johnson et al., 1995); viceversa è stato dimostrato che i legami che sfruttano altri residui di lisina per formare catene di poliubiquitina, quali Lys63 (Deng et al., 2000; Wang et al., 2001; Geetha et al., 2005; Adhikary et al., 2005; Herman-Bachinsky et al.,2007; Scialpi et al., 2008), Lys29/33 (Chastagner et al., 2006; Al-Hakim et al., 2008) e Lys6 (Nishikawa et al., 2004) sono implicati nella regolazione di processi cellulari proteolisi-indipendenti quali cambiamenti dell’attività proteica o della localizzazione subcellulare ed interazioni proteina-proteina (Shenell and Hicke, 2003) (Figura 7). In particolare, la formazione di catene di poliubiquitina che utilizzano il residuo Lys63 è stata associata alla regolazione della risposta al danno al DNA, della risposta infiammatoria, dell’endocitosi ed della sintesi di proteine ribosomiali (Pickart and Fushman., 2004).

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Figura 7: Differenti funzioni esercitate dall’ubiquitina. E’ riportata una rappresentazione

schematica dell’ubiquitina e dei diversi legami che può formare. L’ubiquitina è costituita da diversi residui di lisina (Lys6, Lys11, Lys27, Lys29, Lys33, Lys48 e Lys63) in grado di formare catene di multiubiquitinazione. Le funzioni svolte dalle catene che utilizzano i residui Lys6, Lys11, Lys27, Lys29 e Lys33 non sono ancora note. La Lys 48 marca le proteine substrato per la degradazione mediata dal proteosoma, mentre i legami che utilizzano la Lys63 possono servire per numerose funzioni: il riparo al DNA, l’endocitosi e il trasporto vescicolare, la funzione ribosomiale e l’attivazione di chinasi (Weissman, 2001)