Études structurales et fonctionnelles sur les mécanismes de régulation des interactions entre protéines SUMOs et les domaines SIMs.

La modification post-traductionnelle par les « Small Ubiquitin-Like MOdifyers (SUMOs) » est un processus majeur de régulation qui influence plus d’une centaine de protéines. Cette modification (SUMOylation) touche plusieurs fonctions nucléaires telles que la réparation de l’ADN, la réplication et la transcription. La SUMOylation affecte une protéine le plus souvent en permettant la formation de nouvelles interactions protéine-protéines avec des facteurs de régulations qui possèdent un court segment hydrophobe dans leur séquence connu sous le nom de « SUMO interacting motif (SIM) ». Bien que les interactions SUMO-SIMs soient bien documentées, la description de leur régulation n’est pas complète. Cette thèse décrit des études fonctionnelles et structurales sur différents mécanismes de régulation des interactions SUMO-SIMs. Plus précisément, elle décrit les effets de l’acétylation et de la queue N-terminale des protéines SUMOs sur leur capacité à réguler les interactions entre SUMOs et les SIMs de trois protéines : le suppresseur de tumeur « promyelocytic leukemia (PML) », le corépresseur de transcription « Death Domain Associated Protein 6 (Daxx) » et « Protein Inhibitor of Activated STAT (PIAS) », une ligase E3 pour SUMO.  La première étude décrit l’effet de l’acétylation de SUMO1 sur sa capacité à interagir avec les SIMs de PML et de Daxx. À partir d’expériences de titrage calorimétrique et d’études cristallographiques, nous avons démontré que l’acétylation précise de certains résidus conservés chez SUMO1 (K39 et K46) réduit fortement l’affinité avec les deux SIMs testés. En contraste, nous démontrons que l’acétylation du résidu K37 sur SUMO1 à un effet inhibiteur spécifique pour le SIM de Daxx. Les structures cristallographiques des complexes formés entre les variants acétylés de SUMO1 avec les SIMs concordent avec les données des titrages et suggère une plasticité dans la formation des liens sur la surface d’interaction. Partant de ce constat, nous postulons que la plasticité observée dans la structure des complexes acétylés démontre un mécanisme de régulation des interactions SUMO-SIMs par l’acétylation de résidus conservés chez SUMO1.  Dans la deuxième étude, nous avons identifié un deuxième SIM à l’extrémité C-terminale de protéines de la famille (PIAS1-2-3). Nous démontrons que ce SIM est capable de lier SUMO1 et que structurellement la phosphorylation de résidus clés dans ce domaine ainsi que l’acétylation de SUMO1 peut contrôler cette interaction. Une comparaison avec le premier SIM des variants PIAS démontre que les deux SIMs sont affectés différemment par la phosphorylation et l’acétylation. En outre, nous avons déterminé que le nouveau SIM identifié joue un rôle important dans la formation d’un complexe ternaire répresseur de la transcription, formé des protéines PIAS, SUMO1 et de l’enzyme de conjugaison « UBiquitin Conjugating enzyme E2I (UBC9) ». Pris ensemble, ces résultats donnent une description atomique de l’interaction d’un nouveau SIM chez PIAS avec SUMO1 et décris comment la phosphorylation et l’acétylation peuvent sélectivement réguler la spécificité des SIM trouvés chez les variants PIAS.   Finalement, dans la dernière étude, nous avons exploré le rôle de la queue N-terminale des paralogues SUMO1 et 2 sur sa capacité à moduler les interactions SUMO-SIMs. Nous avons démontré que la queue N-terminale de SUMO1, mais pas SUMO2, avait un effet auto-inhibiteur sur les interactions SUMO-SIMs et que cet effet dépendait de la présence de résidus chargés négativement présent dans le SIM. Aussi, nous avons démontré que l’effet auto-inhibiteur était spécifique à la surface d’interaction des SIMs sur SUMO1. De plus à partir d’études cristallographiques et de calorimétrie, nous avons démontré que l’effet auto-inhibiteur de la queue N-terminale de SUMO1 peut être neutralisé par la présence de zinc. La structure cristallographique du complexe entre SUMO1 et le SIM de PML démontre que le zinc stabilise la formation de liens entre des résidus chargés négativement du SIM et de la queue N-terminale de SUMO1. De plus, le zinc induit la formation d’une hélice α dans la queue N-terminale de SUMO1 qui est normalement intrinsèquement désordonnée.  En résumé, cette étude donne une description atomique de l’effet de l’acétylation sur les interactions SUMO-SIMs, décris un nouveau SIM dans la famille de protéines PIAS et identifie un nouveau rôle de la queue N-terminale de SUMO1 ainsi que comment cette région peut définir la sélectivité des paralogues SUMOs. Post-translational modification with the « Small Ubiquitin-Like MOdifyer (SUMO) » is a major regulatory process (commonly referred to as SUMOylation) that regulates hundreds of proteins associated with a diverse array of biological activities including several nuclear functions such as DNA repair, replication and transcription. SUMOylation of a protein can impact its function in many ways most often by providing an additional binding surface for forming protein-protein interactions with regulatory factors through short hydrophobic regions on their binding partners known as « SUMO interacting motif (SIM) ». Although SUMO-SIM interactions are well documented, there are nevertheless outstanding questions that still need to be addressed regarding their controlling mechanisms. This thesis reports functional and structural studies on the regulatory mechanisms that govern SUMO-SIM interactions. More precisely, we studied how acetylation and the amino-terminal tail of SUMO proteins affects the interaction of SUMO with model SIMs from three proteins: the « promyelocytic leukemia (PML) » tumor suppressor, the transcriptional corepressor « Death Domain Associated Protein 6 (Daxx) » and the SUMO E3 ligase « Protein Inhibitor of Activated STAT (PIAS) ».  The first study reports the role that acetylation of SUMO1 plays on its binding to the SIMs of PML and Daxx. Isothermal Titration Calorimetry (ITC) experiments demonstrated that acetylation of SUMO1 at conserved residues (K39 and K46) dramatically reduces the binding to the SIMs of PML and Daxx. In contrast, SUMO1 acetylation at K37 dramatically reduced binding to the SIM of Daxx but only had minimal impact on binding to the SIM of PML. Crystal structures of the SUMO1 acetylated variants bound to the two SIMs support the ITC titrations and suggest that there is plasticity in SUMO-SIM interactions. The plasticity observed in the structures of these complexes would provide a robust mechanism for regulating SUMO-SIM interactions using a combination of signalling mechanisms that control post-translational modifications. In the second study, we identified and characterized a novel SIM at the C-terminal extremity of three of the four known variants of the PIAS-family proteins (PIAS1-2-3). We demonstrated that this SIM binds to SUMO1 and structurally show that phosphorylation of the SIM or acetylation at select lysine residues of SUMO1 alters this interaction. In addition, we determined that it plays an important role in the formation of ternary complex made of SUMO1, PIAS1 and the « UBiquitin Conjugating enzyme E2I (UBC9) » in human cells. Together, these results provide an atomic description of the interaction between the C-terminal SIM of PIAS proteins and SUMO1 as well as important insight into how posttranslational modifications selectively regulate the specificity of the SIMs found in PIAS1-2-3. Finally, our third study explores the intrinsically disordered N-terminal tail of SUMO paralogs and their ability to regulate SUMO-SIM interactions. We demonstrate that the N-terminal region of SUMO1, but not SUMO2, has an auto-inhibitory effect on the binding to SIMs and that this effect is dependent on the presence of acidic or phosphorylated residues that within the SIM. In addition, we also determined that this inhibition does not affect the interaction of SUMO1 with its E2 conjugating enzyme UBC9. Using titration calorimetry and crystallographic screening, we identified zinc as a negative regulator of this auto-inhibitory effect. The crystallographic structure of the complex between SUMO1 and the SIM of PML shows that zinc stabilises the formation of interactions with the negatively charged residues within the SIM and the N-terminal tail of SUMO1. Interestingly, zinc also appears to stabilize the formation of an α-helix within the N-terminal tail of SUMO1 which is normally intrinsically disordered.   In summary, this thesis describes the underlying atomic regulatory mechanisms of SUMO-SIM interactions by acetylation, reveals a novel SIM within the PIAS SUMO E3 ligase family and describes an unprecedented role of the N-terminal region of SUMO1 and provides important insight on how this region can define SUMO paralog specificity.

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