Insights into NEDD8 function and the regulation of its ... - KOPS [PDF]

AutoNEDDylierung findet dabei in der N‐terminalen Verlängerung der katalytischen. Kerndomäne der E2s statt, die in den m

0 downloads 7 Views 8MB Size

Recommend Stories


The TRAPP Complex: Insights into its Architecture and Function
So many books, so little time. Frank Zappa

Nedd8 Regulation of ENaC
Make yourself a priority once in a while. It's not selfish. It's necessary. Anonymous

Novel Insights into the Physiological Function of the APP
Don't fear change. The surprise is the only way to new discoveries. Be playful! Gordana Biernat

Novel Insights into the Function of Dead Organs Enclosing Embryos
We must be willing to let go of the life we have planned, so as to have the life that is waiting for

Novel insights into the regulation of antioxidant-response-element
I want to sing like the birds sing, not worrying about who hears or what they think. Rumi

Structural insights into eukaryotic aquaporin regulation
At the end of your life, you will never regret not having passed one more test, not winning one more

Modelling of Thyroid Peroxidase Reveals Insights into Its Enzyme Function and Autoantigenicity
Live as if you were to die tomorrow. Learn as if you were to live forever. Mahatma Gandhi

Experimental insights into the scaling and vari
Pretending to not be afraid is as good as actually not being afraid. David Letterman

Insights into the genus Diaporthe
Learn to light a candle in the darkest moments of someone’s life. Be the light that helps others see; i

Insights into the Pathogenesis of Pediatric IBD
Before you speak, let your words pass through three gates: Is it true? Is it necessary? Is it kind?

Idea Transcript


 

Insights into NEDD8 function  and the regulation of its  conjugation system 

  Dissertation     

zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der  Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)                                     vorgelegt von   

Dana Pagliarini 

 

an der 

                Mathematisch‐Naturwissenschaftliche Sektion  Fachbereich Biologie      Tag der mündlichen Prüfung: 07. Juni 2013                                  1. Referent: Prof. Dr. Martin Scheffner                                  2. Referent: Prof. Dr. Thomas U. Mayer  Konstanzer Online-Publikations-System (KOPS) URL: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:352-238219

                                                                                                                                                             Für meine Eltern 

Table of contents    Abbreviations                                                                                                                                                             i    Abstract                                                                                                                                                                       ii     Zusammenfassung                                                                                                                                                  iii        1.   Introduction                                                                                                                                                  1              1.1 Ubiquitin‐proteasome system    

         1 

                   1.1.1 Ubiquitin‐conjugation cascade 

         2 

                   1.1.2 Modes of ubiquitination 

         4 

                   1.1.3 Ubiquitin recycling and the proteasome 

         6 

            1.2 Ubiquitin‐like proteins (UBLs) 

         6 

                   1.2.1 SUMO 

         7 

                   1.2.2 Other UBLs 

         8 

            1.3 NEDD8 

         9 

                   1.3.1   Substrates and functions of NEDD8 

       10 

                              1.3.1.1 Cullins 

       10 

                              1.3.1.2 NEDD8 and transcriptional regulation  

       12 

                              1.3.1.3 Further substrates and functions of NEDD8 

       13   

                   1.3.2   NEDD8‐conjugation cascade 

       14 

                              1.3.2.1 APPBP1/UBA3, the NEDD8‐activating enzyme 

       16 

                              1.3.2.2 NEDD8‐conjugating enzymes 

       18 

            1.4 Aim of the studies 

       21 

     2.   Material and Methods 

22

            2.1 Material 

22

                   2.1.1   Solutions and media 

22

                   2.1.2   Chemicals and Reagents 

24

                   2.1.3   Bacterial strains 

25

                   2.1.4   Mammalian cell lines 

26

                   2.1.5   Antibodies 

26

                   2.1.6   Primers 

27

                   2.1.7   Plasmids constructed and used in this study 

28

                   2.1.8   Other plasmids used in this study 

29

                   2.1.9   DNA‐ and protein markers 

30

            2.2 Methods 

30

                   2.2.1   PCR and cloning 

30

                               2.2.1.1   Polymerase chain reaction (PCR) 

30

                               2.2.1.2   Gene synthesis 

30

                               2.2.1.3   Site directed mutagenesis 

30

                               2.2.1.4   Restriction digest 

31

                               2.2.1.5   Agarose gel electrophoresis 

31

                               2.2.1.6   Purification of DNA from agarose gels 

31

                               2.2.1.7   Ligation  

31

                               2.2.1.8   Transformation of DNA into chemical competent E. coli  

31

                               2.2.1.9   Preparation of DNA in low and high scale 

31

                               2.2.1.10 Measurement of DNA and RNA concentrations 

32

                               2.2.1.11 DNA sequencing 

32

                   2.2.2  Maintenance of bacterial cultures and mammalian cell lines 

32

                               2.2.2.1   Bacterial cultivation and preparation of glycerol stocks    

32

                               2.2.2.2   Maintenance of mammalian cell lines 

32

                               2.2.2.3   Freezing of cells in liquid nitrogen  

32

                   2.2.3  Protein expression and ‐purification 

32

                               2.2.3.1   Expression and purification of GST‐fusion proteins in                                               E. coli                                 2.2.3.2   Expression and purification of His‐tagged proteins in                                                 E. coli                 2.2.3.3  Expression and purification of NEDD8 and ubiquitin for                                                                  click reaction                                               2.2.3.4   Expression and purification of PCNA for click reaction 

33 33

                               2.2.3.5   In vitro translation  

34

                   2.2.4  Protein analysis 

34

                               2.2.4.1   Bradford assay 

34

                               2.2.4.2   SDS‐polyacrylamide gel electrophoresis (SDS‐PAGE) 

35

                               2.2.4.3   Coomassie Blue and colloidal Coomassie staining 

35

                               2.2.4.4   Fluorography 

35

                               2.2.4.5   Western Blot 

35

                   2.2.5   In vitro assays 

36

                                2.2.5.1   Methanol‐Chloroform precipitation of proteins 

36

                                2.2.5.2   GST‐pulldown assay 

36

                                2.2.5.3   Affinity chromatography 

36

                                2.2.5.4   In vitro NEDDylation assay 

37

                                2.2.5.5   Thioester assay 

37

                                2.2.5.6   Cu(I)‐catalyzed Huisgen azide‐alkyne cycloaddition 

37

32 33

                                2.2.5.7   Transient transfection  

37

                                2.2.5.8   TNN cell lysis and ß‐galactosidase assay 

38

                                2.2.5.9   Immunoprecipitation  

38

                                2.2.5.10 Cycloheximide chase 

38

                                2.2.5.11 Cellular fractionation 

39

                                2.2.5.12 Preparation of total RNA  

39

                                2.2.5.13 Reverse transcription 

39

                                2.2.5.14 Antibody purification     

39

                   2.2.6   In cellulo assays 

40

                                2.2.6.1   In cellulo ubiquitination and NEDDylation assays 

40

                                2.2.6.2   Immunofluorescence 

40

    3.     Results 

41

            3.1 AutoNEDDylation of NEDD8‐conjugating enzymes increases the                      affinity to their cognate E1 

41

                   3.1.1 Ubc12 and Nce2 form a thioester bond with NEDD8 but not with 

 

                              ubiquitin 

       42 

                   3.1.2 NEDD8‐conjugating enzymes are autoNEDDylated 

43

                   3.1.3 HPNI mutants of the NEDD8‐conjugating enzymes are not impaired in                                thioester formation but in autoNEDDylation 

45

                   3.1.4 AutoNEDDylation of the NEDD8 E2 enzymes predominantly occurs in                                 their N terminus 

46

                   3.1.5 AutoNEDDylation enhances the affinity of Ubc12 and Nce2 to the NEDD8                               E1 enzyme APPBP1/UBA3 

50

                   3.1.6 Fusion of NEDD8 to its E2s leads to an enhanced localization in the                                nucleus  

51

            3.2 PCNA as a new substrate for the NEDD8‐conjugation  pathway   

54

                   3.2.1 PCNA interacts with NEDD8 and ubiquitin 

54

                   3.2.2 PCNA is NEDDylated in cells being dependent on K164 

56

                   3.2.3 PCNA NEDDylation depends on the activity of APPBP1/UBA3 in cells                     3.2.4 NEDDylation of PCNA is enhanced by the E3 ligase Rad18                     3.2.5 NEDD8‐conjugating enzymes do not bind to PCNA in cells

       58  60

         

                   3.2.6 PCNA Y211F, a phosphorylation deficient mutant, is NEDDylated in cells  

60 61

                   3.2.7 Cu(I)‐catalyzed Huisgen azide‐alkyne cycloaddition as a tool to study                                functions of NEDDylated PCNA 

62

            3.3 A new isoform of the NEDD8‐conjugating enzyme Nce2 

65

                   3.3.1 mRNA encoding Nce2 isoform 2 is expressed in HEK293T cells 

67

                   3.3.2 Tertiary structure prediction for Nce2 isoform 2 reveals an                                           unstructured, flexible C terminus 

  67

                   3.3.3 Nce2 isoform 2 forms a thioester bond with NEDD8 but not with                                ubiquitin and is NEDDylated in vitro 

68

                   3.3.4 Nce2 isoform 2 is NEDDylated and ubiquitinated in cells 

70

                   3.3.5 Nce2 isoform 2 has a shorter half‐life than isoform1 and is degraded by                                the proteasome 

72

                   3.3.6 Nce2 isoform 1 and 2 differ in their subcellular localization 

74

                   3.3.7 Development of an antibody specifically recognizing Nce2 isoform 2  

75

    4.     Discussion 

77

            4.1 AutoNEDDylation as a regulatory mechanism of NEDD8‐conjugating enzymes 

77

                   4.1.1 NEDD8‐conjugating enzymes are autoNEDDylated in their unique            

        

                             N terminus                               4.1.1.1 Indications for endogenous autoNEDDylation of Ubc12 and Nce2   

       77 77

                             4.1.1.2 The HPNI‐motif of Ubc12 and Nce2 is important for isopeptide                                              bond formation 

78

                             4.1.1.3 The N termini of Ubc12 and Nce2 are crucial for an efficient                                              autoNEDDylation       

79

                   4.1.2 Possible functions of autoNEDDylation 

81

                             4.1.2.1 AutoNEDDylation as regulator of the subcellular localization of                                             Ubc12 and Nce2 

82

                             4.1.2.2 Acetylation of NEDD8 E2 enzymes as a competitive modification                                            to NEDDylation 

82

                             4.1.2.3 AutoNEDDylation enhances the affinity of NEDD8 E2s to                                              APPBP1/UBA3 

83

                             4.1.2.4 Further possible functions and impacts of autoNEDDylation 

85

4.2 Interplay between PCNA and the NEDD8 system                     4.2.1 PCNA as an interaction partner of NEDD8                     4.2.2 PCNA as a substrate for NEDD8                               4.2.2.1 Evidence for NEDDylation of PCNA in vitro and in cellulo 

88 88        89  89

                             4.2.2.2 Effects of MLN4924 on the NEDDylation of PCNA  

       91 

                             4.2.2.3 Hints for possible functions of NEDDylated PCNA 

92

                             4.2.2.4 Click reaction as tool to identify functions of monoNEDDylated                                              PCNA 

94

            4.3 A second isoform of Nce2 with individual properties 

96

                   4.3.1 Nce2 isoform 2 as a splice variant with an extended C terminus 

96

                   4.3.2 mRNA of the second isoform of Nce2 is present in HEK293T cells  

96

                   4.3.3 Nce2 isoform 2 is active in vitro and can be NEDDylated 

97

                   4.3.4 The cellular localization distinguishes Nce2 isoform 2 from isoform 1 

99

                   4.3.5 A C‐terminal unstructured region promotes insolubility in bacteria and                               rapid degradation in cells 

100

                   4.3.6 Possible functions of Nce2 variants 

101

    5.     References 

105

Eidesstattliche Erklärung 

124

Danksagung 

125

 

Abbreviations    aa 

amino acid(s) 

bp 

base pairs 

cDNA 

complementary DNA 

DMSO 

Dimethylsulfoxide 

dNTP 

Deoxynucleoside triphosphate 

DTT 

Dithiothreitol 

EDTA 

Ethylenediaminetetraacetic acid 

E1 

UBL‐activating enzyme 

E2 

UBL‐ conjugating enzyme 

E3 

UBL ligase 

FCS 

Fetal calf serum 

GST 

Glutathione‐S‐transferase 

HA‐tag 

Hemagglutinin‐tag 

His‐tag 

6x Histidin‐tag 

IP 

Immunoprecipitation 

IPTG 

Isopropyl‐β‐D‐thiogalactopyranoside 

kDa 

kilo Dalton 

mRNA 

messenger RNA 

Ni‐NTA 

Nickel‐nitrilotriacetic acid 

OD 

optical density 

ONPG 

Ortho‐nitrophenyl‐β‐galactoside 

PBS 

Phosphate buffered saline 

PCR 

polymerase chain reaction 

rpm 

revolutions per minute 

RT 

reverse transcription 

SDS 

Sodium dodecyl sulfate 

UBL 

ubiquitin‐like protein 

wt 

wild‐type 

    i

Abstract  NEDD8 belongs to the family of ubiquitin‐like proteins which share a common basic structure. In  an  enzymatic  cascade,  NEDD8  can  be  attached  to  other  proteins  via  its  C  terminus  (“NEDDylation”).  NEDDylation  plays  an  important  role  in  various  cellular  processes  including  cell cycle, transcription or the regulation of protein stability. Previous studies revealed NEDD8  to have many yet uncharacterized substrates. During this work, the sliding clamp PCNA, which  functions  in  replication  and  DNA  damage  repair,  was  identified  as  a  new  substrate  for  NEDDylation.  PCNA  is  modified  with  NEDD8  at  the  same  lysine  (K164)  residue  that  can  be  targeted  for  SUMOylation  and  ubiquitination.  Rad18,  the  E3  ligase  for  ubiquitination  of  PCNA  upon  DNA  damage,  enhances  monoNEDDylation  of  PCNA.  We  furthermore  expressed  NEDD8  and  PCNA  containing  non‐natural  amino  acids  that  can  be  used  for  the  formation  of  a  triazole  linkage  via  click  reaction.  This  “monoNEDDylated”  PCNA  provides  a  tool  for  a  functional  characterization in the future.  In a further part of this study, regulation and function of the NEDD8‐conjugating enzymes Ubc12  and Nce2 were investigated. To date, not much is known about if and how the E2 enzymes of the  NEDD8‐conjugation  cascade  are  regulated.  We  here  provide  evidence  that  these  enzymes  are  autoNEDDylated in the N‐terminal extension of the catalytic core domain, which is not present in  most  other  E2  enzymes.  This  autoNEDDylation  of  Ubc12  and  Nce2  appears  to  enhance  their  affinity  to  APPBP1/UBA3,  the  E1  enzyme  of  the  NEDD8‐conjugation  cascade.  Using  NEDD8‐E2  fusion  proteins  an  increased  efficiency  in  NEDD8  transfer  from  the  E1  to  the  E2  enzyme  compared to wt Ubc12 and Nce2 was observed. However, the exact function of autoNEDDylation  in cells, which might be a change in substrate specificity, enhanced substrate NEDDylation or a  switch‐off mechanism for the whole cascade, still needs to be determined.  To  gain  further  insights  into  function  and  regulation  of  NEDD8‐conjugating  enzymes,  a  second  isoform  of  Nce2  was  characterized  which  has  recently  been  identified  in  a  screen  for  splice  variants.  Nce2  isoform  2  mRNA  was  verified  to  be  present  in  cells.  To  prove  the  existence  of  endogenous protein, an antibody specifically recognizing the second, but not the first isoform of  Nce2 was developed. Tertiary structure prediction of the new isoform revealed an unstructured,  flexible C terminus. Using overexpressed isoform 2, a difference in the subcellular localization of  both  isoforms  was  demonstrated.  In  contrast  to  Nce2  isoform  1,  isoform  2  is  probably  not  autoNEDDylated, but regulated via ubiquitination leading to a shorter half‐life. In future studies,  the functionality and the role of Nce2 isoform 2 in cells need to be investigated.  In conclusion, identification of PCNA as a new substrate of NEDD8, evidence for a regulation of  NEDD8‐conjugating  enzymes  by  autoNEDDylation  as  well  as  the  new  isoform  of  Nce2  provide  insights into yet unknown physiological functions of NEDD8. 

ii

Zusammenfassung  NEDD8  gehört  zur  Familie  der  Ubiquitin‐ähnlichen  Proteine,  die  eine  gemeinsame  Grundstruktur  aufweisen.  In  einer  enzymatischen  Kaskade  kann  NEDD8  über  seinen  C‐ Terminus  an  andere  Proteine  konjugiert  werden  („NEDDylierung“).  Die  NEDDylierung  spielt  eine  wichtige  Rolle  in  verschiedenen  zellulären  Prozessen  wie  z.B.  dem  Zellzyklus,  der  Transkription oder der Regulation der Proteinstabilität. Frühere Studien wiesen bereits auf die  Existenz  einiger  weiterer,  bisher  noch  nicht  charakterisierter  Substrate  von  NEDD8  hin.  Im  Rahmen  dieser  Arbeit  konnte  PCNA,  das  sowohl  für  die  Replikation  als  auch  für  die  DNA‐ Reparatur  benötigt  wird,  als  neues  Substrat  für  NEDD8  identifiziert  werden.  PCNA  wird  an  demselben  Lysinrest  (K164)  monoNEDDyliert,  der  auch  SUMOyliert  und  ubiquitiniert  werden  kann. Diese MonoNEDDylierung von PCNA wird durch die E3 Ligase Rad18 verstärkt, die auch  die  Ubiquitinierung  von  PCNA  nach  DNA‐Schäden  vermittelt.  Während  dieser  Studien  wurden  zudem  NEDD8  und  PCNA  mit  nicht‐natürlichen  Aminosäuren  exprimiert,  die  in  der  sog.  „Click  Reaktion“  eine  Triazolbindung  eingehen  können.  Das  so  gebildete  „monoNEDDylierte“  PCNA  kann zukünftig für eine funktionelle Charakterisierung verwendet werden.   Ein weiterer Teil dieser Arbeit beinhaltet die Untersuchung der Regulation und der Funktion der  NEDD8‐konjugierenden  Enzyme  Ubc12  und  Nce2.  Bisher  war  nicht  sehr  viel  darüber  bekannt,  ob und wie die E2‐Enzyme der NEDDylierungskaskade reguliert werden. Im Zuge dieser Arbeit  konnte der Beweis erbracht werden, dass beide Enzyme autoNEDDyliert werden können. Diese  AutoNEDDylierung  findet  dabei  in  der  N‐terminalen  Verlängerung  der  katalytischen  Kerndomäne der E2s statt, die in den meisten anderen bekannten E2‐Enzymen nicht zu finden  ist. Die AutoNEDDylierung von Ubc12 und Nce2 scheint die Affinität zu APPBP1/UBA3, dem E1‐ Enzym  der  NEDDylierungskaskade,  zu  verstärken.  Unter  Zuhilfenahme  von  NEDD8‐E2  Fusionsproteinen  konnte  gezeigt  werden,  dass  der  Transfer  von  NEDD8  von  dem  E1‐  zum  E2‐ Enzym  im  Vergleich  zu  Ubc12  und  Nce2  wt  effizienter  ist.  Die  genaue  Funktion  der  AutoNEDDylierung  der  NEDD8  E2s  in  Zellen  gilt  es  allerdings  noch  zu  untersuchen.  Möglicherweise  resultiert  sie  in  einer  Änderung  der  Substratspezifität,  einer  erhöhten  SubstratNEDDylierung oder einem Abschaltmechanismus für die gesamte Kaskade.  Um weitere Kenntnisse über Funktion und Regulation von NEDD8‐konjugierenden Enzymen zu  erlangen, wurde eine zweite Isoform von Nce2 charakterisiert, die kürzlich in einem Screen nach  Splice‐Varianten  entdeckt  wurde.  Die  mRNA  dieser  Isoform  konnte  tatsächlich  in  Zellen  nachgewiesen  werden.  Zwecks  Detektion  des  endogenen  Proteins  wurde  ein  Antikörper  entwickelt, der spezifisch die zweite, aber nicht die erste Isoform von Nce2 erkennt. Das erstellte  Modell der Tertiärstruktur der Isoform 2 lässt einen unstrukturierten und flexiblen C‐Terminus  erkennen.  Mittels  Überexpression  von  Isoform  2  konnte  ein  Unterschied  in  der  subzellulären 

iii

Lokalisation beider Isoformen nachgewiesen werden. Überdies wird Isoform 2 im Gegensatz zur  ersten  Isoform  wahrscheinlich  nicht  autoNEDDyliert,  aber  über  Ubiquitinierung  reguliert,  die  eine  verkürzte  Halbwertszeit  des  Proteins  zur  Folge  hat.  In  zukünftigen  Studien  muss  die  Funktionalität und die Rolle der zweiten Isoform von Nce2 in der Zelle untersucht werden.  Die Identifikation von PCNA als neues Substrat von NEDD8, der Beweis einer Regulation der E2‐ Enzyme  mittels  AutoNEDDylierung  sowie  der  Nachweis  einer  neuen  Isoform  von  Nce2  ermöglichen bisher unbekannte Einblicke in die physiologische Rolle von NEDD8. 

               

iv

         

1. Introduction    Protein  function,  localization  and  stability  are  regulated  by  posttranslational  modifications  which involve for example small chemical groups such as acetyl‐, methyl‐ or phosphate moieties,  or larger groups serving as membrane anchors such as palmitoyl‐ or myristoyl groups (Han and  Martinage, 1992; Magee and Courtneidge, 1985). With the discovery of the protein ubiquitin and  its ability to serve as posttranslational modification in the 1980s, a new chapter of the functions  of  these  modifications  has  begun.  Ubiquitin  was  found  to  target  proteins  for  proteasomal  degradation  thereby  offering  the  cell  a  second  major  pathway  to  regulate  protein  levels  in  addition  to  lysosomal  degradation.  In  the  meantime,  several  proteins  with  high  structural  similarity  to  ubiquitin  were  identified  most  of  which  act  as  posttranslational  modifiers  controlling various cellular functions (Hershko and Ciechanover, 1998; Kerscher et al., 2006).  

  1.1 Ubiquitin‐proteasome system  Ubiquitin  is  a  small  protein  of  76  aa  and  8.6  kDa  which  is  highly  conserved  among  eukaryotic  organisms  (Hershko  and  Ciechanover,  1998).  Structurally,  ubiquitin  is  characterized  by  a  globular domain with a β‐grasp fold and a flexible C terminus (Figures 1 and 4B) (Vijay‐Kumar  et al., 1987). 

C

                 

N

  Figure 1. Crystal structure of ubiquitin revealing the characteristic β­grasp fold   Ribbon representation of human ubiquitin (protein data base 1UBQ; modeled with Pymol). The structure of ubiquitin  is  characterized  by  four  antiparallel  β‐sheets  grasping  an  α‐helix.  The  C  terminus  of  ubiquitin  protrudes  from  the  globular domain (Vijay‐Kumar et al., 1987). 

-1-

Introduction

1.1.1 Ubiquitin‐conjugation cascade  In  humans,  expression  of  ubiquitin  from  one  of  the  four  different  genes  first  leads  to  the  formation of an inactive precursor protein (Baker and Board, 1987; Lund et al., 1985; Wiborg et  al., 1985). Being rapidly processed by ubiquitin‐specific proteases, the functionally important C‐ terminal double glycine motif of ubiquitin is exposed (Wilkinson, 1997).   In  an  enzymatic  cascade,  ubiquitin  is  covalently  attached  to  other  proteins  via  its  C  terminus  (“ubiquitination”).  Ubiquitination  occurs  through  several  consecutive  steps  catalyzed  by  three  (or four) different classes of enzymes: ubiquitin‐activating enzymes (E1), ubiquitin‐conjugating  enzymes  (E2)  and  ubiquitin  ligases  (E3)  (Figure  2).  In  some  cases,  an  E4  enzyme  may  be  required for the formation of ubiquitin chains (Hershko and Ciechanover, 1998; Hoppe, 2005).   In  a  first  step,  the  carboxyl  group  of  the  C‐terminal  glycine  of  ubiquitin  forms  a  high  energy  thioester linkage with an active site cysteine residue of one of two E1 enzymes, UBA1 or UBA6.  This  step  is  ATP‐dependent  and  involves  the  formation  of  a  ubiquitin  adenylate  intermediate  (Jin  et  al.,  2007;  Pelzer  et  al.,  2007;  Pickart,  2001).  The  E2  is  then  able  to  accept  activated  ubiquitin from its cognate E1, forming a thioester linkage. In the last step, which in most cases  requires  the  presence  of  an  E3,  ubiquitin  is  transferred  to  the  lysine  residue  of  a  substrate  protein by the formation of an isopeptide bond (Pickart, 2001) (Figure 2). An asparagine residue  in the conserved HPNI/V motif next to the catalytic cysteine of the E2 enzyme plays a crucial role  for accomplishing this transfer, as it might be important for oxyanion intermediate stabilization  during lysine attack (Wu et al., 2003b).  Structural and functional analyses indicate that E3s consist of at least two functional domains:  one  domain  (i.e.  RING/RING‐like  or  HECT)  is  interacting  with  the  cognate  E2  while  the  other  mediates the specific interaction with the substrate, thereby conferring substrate specificity on  the whole conjugation cascade. Depending on their mode of action, E3 ligases can be divided into  two major classes: HECT and RING/RING‐like ligases (Metzger et al., 2012). HECT ligases contain  a HECT (Homologous to E6AP Carboxyl Terminus) domain which consists of an N‐terminal and a  C‐terminal  lobe.  The  N‐terminal  lobe  is  necessary  for  the  interaction  with  the  E2  enzyme,  whereas the C‐terminal lobe contains a catalytic cysteine which forms a thioester linkage with  ubiquitin before transferring it to the substrate (Huang et al., 1999).  

              -2-

Introduction      

ATP AMP+PPi

                                           

Figure 2. Ubiquitin­conjugation cascade  Ubiquitin is first activated by the E1 and then transferred to one of a number of E2 enzymes. RING E3 ligases facilitate  the conjugation of ubiquitin to the substrate by acting as adaptors between E2s and substrates. In contrast, HECT E3  ligases form thioester bonds with ubiquitin and subsequently transfer it to the substrate. By repeating these steps, the  substrate can be modified with several ubiquitin moieties (modified from (Di Fiore et al., 2003)).  

  Being encoded by more than 600 genes in mammals, RING ligases represent the largest family of  E3 ligases (Li et al., 2008). This type of ligase is characterized by a RING (Really Interesting New  Gene) domain containing the consensus motif C‐X2‐C‐X(9‐39)‐C‐X(1‐3)‐H‐X(2‐3)‐C/H‐X2‐C‐X(4‐ 48)‐C‐X2–C (X stands for any aa), which is stabilized by two zinc ions (Lovering et al., 1993). By  bringing  the  E2  enzyme  and  the  substrate  into  close  proximity,  RING  ligases  allow  a  direct  transfer of ubiquitin from the E2 to the substrate.   The family of RING ligases comprises ligases that function as monomer, homo‐ or heterodimer  or as large multi‐subunit complexes.  Most of the known RING ligases possess intrinsic E3 ligase  activity,  but  there  are  also  RING  domain  containing  proteins  that  do  not  show  activity  by  themselves,  e.g.  Bard1,  Bmi1  and  HdmX.  Heterodimerization  of  these  E3  ligases  with  another  RING ligase (Brca1, Ring1B and Hdm2, respectively), which involves the interaction of the RING  domains, leads to the stimulation of ligase activity of the latter (Hashizume et al., 2001; Linares  et  al.,  2003;  Wang  et  al.,  2004).  Moreover,  other  RING  E3  ligases  like  RNF4  or  TRAF6  form 

-3-

Introduction homodimers to execute their function (Liew et al., 2010; Yin et al., 2009). Recent data about the  mechanism of ubiquitin transfer by RNF4 sheds light on why dimerization is necessary for RING  ubiquitin ligase activity. Dimerization of the RING domains facilitates the interaction with both  components of the ubiquitin‐charged E2 at the same time: one monomer binds to ubiquitin and  the other one to the E2. By altering the conformation of the active site of the E2, the E2‐ubiquitin  thioester bond is then activated and ubiquitin can be transferred to the substrate (Plechanovova  et al., 2011; Plechanovova et al., 2012).   Being  composed  of  multiple  subunits,  the  APC/C  complex  and  cullin‐RING  ligases  such  as  SCF  form  an  additional  type  of  RING  E3  ligases.  APC/C,  a  complex  consisting  of  at  least  twelve  subunits  including  the  RING  domain  containing  protein  APC11,  plays  a  major  role  in  cell  cycle  regulation,  especially  in  mitotic  progression.  Dependent  on  the  substrate  adaptor  bound,  a  specific  set  of  substrates  is  recognized,  ubiquitinated  and  degraded  by  the  proteasome  (reviewed  in  (Peters,  2006)).  The  SCF  complex  belongs  to  the  largest  family  of  ubiquitin  E3  ligases  known,  the  cullin‐RING  ligases  (see  chapter  1.3.1.1).  It  consists  of  Cullin1  as  scaffold  protein,  the  RING  ligase  RBX1,  Skp1  as  adaptor  protein  and  an  exchangeable  F‐box  protein  recognizing a specific substrate. Not only cell cycle inhibitors like p21 or p27, but also oncogenic  proteins such as Cyclin E or c‐Myc turned out to be substrates for SCF complexes, underlining its  important role in controlling the cell cycle (summarized in (Kitagawa et al., 2009)).  

  1.1.2 Modes of ubiquitination  In most cases, ubiquitination of substrates occurs via isopeptide bond formation between the C‐ terminal glycine residue of ubiquitin and the  ‐amino group of a lysine residue in the substrate.  Furthermore, there are few publications showing that serine, threonine and cysteine residues as  well  as  the  N‐terminal  amino  group  of  some  proteins  are  used  for  the  attachment  of  ubiquitin  (Cadwell and Coscoy, 2005; Ciechanover and Ben‐Saadon, 2004; Shimizu et al., 2010; Wang et al.,  2007b).   In  addition  to  mono‐  or  multiubiquitination  where  single  ubiquitin  moieties  are  conjugated  to  one or several distinct residues in the substrate protein, respectively, ubiquitin is also capable of  forming “chains” (polyubiquitination) (Figure 3). Monoubiquitination was found to be involved  in DNA damage response and endocytosis (reviewed in (Hicke, 2001)). For instance, Rad6‐ and  Rad18‐dependent  ubiquitination  of  the  sliding  clamp  PCNA  leads  to  the  recruitment  of  translesion  synthesis  polymerases  that  are  crucial  for  inducing  the  DNA  damage  tolerance  pathway  (Hoege  et  al.,  2002;  Kannouche  et  al.,  2004).  Moreover,  multiubiquitination  plays  a  particular role in the internalization and lysosomal degradation of plasma membrane receptors,  e.g. receptor tyrosine kinases (Haglund et al., 2003). 

-4-

Introduction Each  of  the  seven  internal  lysine  residues  of  ubiquitin  (K6,  K11,  K27,  K29,  K33,  K48  and  K63)  can  be  used  for  isopeptide  bond  formation  with  the  C‐terminal  carboxyl  group  of  another  ubiquitin  moiety  and  hence,  for  the  formation  of  polyubiquitin  chains  (Figure  3).  Best  characterized and most abundant are K11‐, K48‐ and K63‐linked chains (Ye and Rape, 2009). As  an  example,  the  E3  ligase  complex  APC/C  triggers  degradation  of  its  mitotic  substrates  via  formation  of  K11‐linked  ubiquitin  chains  (Jin  et  al.,  2008).  Furthermore,  the  ubiquitin‐ conjugating  enzyme  Ubc6  which  is  involved  in  ER‐associated  degradation  (ERAD),  a  protein  quality control system mainly localized in the ER membrane, is ubiquitinated and degraded via  K11‐linkage  of  ubiquitin  in  yeast  (Xu  et  al.,  2009).  Nonetheless,  K48‐linked  chains  are  a  more  common  signal  to  target  proteins  for  proteasomal  degradation  (Chau  et  al.,  1989).  For  a  long  time  it  was  believed  that  a  minimal  chain  length  of  four  ubiquitin  moieties  linked  via  K48  is  absolutely  required  for  the  recognition  by  the  proteasome  (Thrower  et  al.,  2000).  This  hypothesis  is  contradicted  by  recent  studies  indicating  that  monoubiquitinated  or  multiubiquitinated  proteins  like  PAX3  or  p105,  respectively,  can  also  be  recognized  and  degraded by the proteasome (Boutet et al., 2007; Kravtsova‐Ivantsiv et al., 2009; Shabek et al.,  2012). In contrast to K11‐ and K48‐chains, K63‐linked chains are relevant for a variety of non‐ proteolytic cellular processes like endocytosis, DNA repair or activation of kinases (Deng et al.,  2000;  Duncan  et  al.,  2006;  Spence  et  al.,  1995).  Mixed  and  forked  chains,  as  well  as  chains  formed  on  internal  lysine  residues  other  than  K11,  K48  and  K63  of  ubiquitin  are  still  under  intense investigation (Figure 3). 

                        Figure 3. Modes of ubiquitination   Ubiquitin  is  primarily  attached  to  the  ‐amino  group  of  one  or  more  lysine  residues  of  a  substrate  (mono‐  and  multiubiquitination,  respectively)  or,  in  rare  cases,  to  the  N  terminus  of  a  substrate  (not  shown).  It  contains  seven  internal lysine residues all of which can serve as an acceptor for another ubiquitin moiety, thereby forming ubiquitin  chains (polyubiquitination). K11‐, K48‐, K63‐linked and linear chains, which are linked via C‐ and N terminus of two  ubiquitin moieties, function in proteasomal degradation, DNA‐repair or intracellular signaling, whereas the function  of the other lysine linked chains and forked chains remains elusive (Ye and Rape, 2009).  

-5-

Introduction

1.1.3 Ubiquitin recycling and the proteasome  Processing  of  ubiquitin  precursor  proteins  as  well  as  recycling  of  ubiquitin  is  carried  out  by  deubiquitinating  enzymes  (DUBs)  which  mainly  exhibit  cysteine  protease  activity.  The  two  major classes of DUBs are UCHs (Ubiquitin COOH‐terminal Hydrolases) that preferentially cleave  ubiquitin  from  substrates  and  USPs  (Ubiquitin‐Specific  Proteases)  that  additionally  hydrolyze  isopeptide bonds between two ubiquitin moieties. In addition, OUTs (otubain proteases), JAMM  metalloproteases  and  MJDs  were  found  to  function  as  DUBs  (summarized  in  (Sorokin  et  al.,  2009)).   Some DUBs are associated with or even part of the 26S proteasome which degrades 80‐90 % of  intracellular proteins (Rock et al., 1994). The 26S proteasome consists of the 20S core particle  and two 19S regulatory particles. The core proteasome is composed of 14 α‐ and 14 β‐subunits  forming  four  heptameric  rings  which  build  a  channel  in  whose  inner  part  the  target  protein  is  hydrolyzed. Three of the β‐subunits possess proteolytic activities ensuring efficient cleavage of  the  target:  subunit  β1  exhibits  caspase‐like  activity,  β2  has  trypsin‐like  and  β5  chymotrypsin‐ like  activity.  The  regulatory  particles  contain  subunits  that  fulfill  three  important  functions:  interaction  with  the  ubiquitinated  substrate,  cleaving  ubiquitin  from  the  substrate  (by  isopeptidases) and unfolding the target protein (by ATPases) (reviewed in (Murata et al., 2009;  Sorokin et al., 2009)).  

  1.2 Ubiquitin‐like proteins (UBLs)  The family of ubiquitin‐like proteins (UBLs) consists of more than a dozen members in mammals  that  are  structurally  characterized  by  the  β‐grasp  fold  (Figures  1  and  4).  UBLs  use  a  similar  conjugation  mechanism  as  ubiquitin  which  involves  the  subsequent  action  of  activating  and  conjugating enzymes and, in most cases, that of ligases. Functions of UBLs vary from regulation  of protein stability, interactions or localization, autophagy and pre‐mRNA splicing to regulation  of inflammation and development (see table 1) (summarized in (Herrmann et al., 2007; Kerscher  et al., 2006; Schulman and Harper, 2009).   UBLs are conserved among eukaryotes. Nevertheless, it is speculated that they have arisen from  a common ancestor in prokaryotes which plays a role in sulfur metabolism. The reason for this  hypothesis  lies  in  the  existence  of  proteins  in  E.  coli  that  reveal  a  ubiquitin‐like  structure  and  exhibit  parallels  to  the  ubiquitin‐conjugation  cascade.  One  of  those  proteins  is  MoaD,  a  sulfur  carrier protein being involved in the biosynthesis of the molybdenum cofactor Moco (Rivers et  al.,  1993).  The  double  glycine  motif  at  the  C  terminus  of  MoaD  is  adenylated  by  MoeB,  which  shows  similarities  to  the  ubiquitin  E1  enzyme.  Adenylation  of  MoaD  leads  to  its  activation,  subsequent formation of a thiocarboxylate at its C terminus and the insertion of sulfur into the 

-6-

Introduction Moco  precursor  protein.  Interestingly,  the  eukaryotic  ubiquitin‐like  protein  URM1  might  represent  the  connection  to  the  prokaryotic  system  since  it  functions  in  sulfur  transfer,  too  (reviewed in (Hochstrasser, 2009)). 

    Table 1. Ubiquitin­like proteins   Summary of the known ubiquitin‐like proteins in humans, their functions and enzymes involved in their conjugation;  NA: data not available; NC: no conjugation to other proteins (adapted from (Herrmann et al., 2007)). 

     

Ubiquitin­like protein 

E1, E2, E3 enzymes

Functions 

NEDD8 

E1: APPBP1/UBA3 E2: Ubc12, Nce2  E3: e.g. Hdm2, RBX1/2 

Transcriptional regulation,  protein stability,  proteasomal degradation… 

SUMO1‐3 

E1: SAE1/SAE2 E2: Ubc9  E3: RanBP2, Pc2, PIAS 

Transcriptional regulation,  protein stability, protein  localization… 

ISG15 

E1: UBE1L E2: UbcH8 

IFN‐induced immune  response 

FAT10 

E1: UBA6 E2: USE1 

Proteasomal degradation,  apoptosis 

LC3/GABARAP

E1: ATG7 E2: ATG3 

Autophagy

ATG12 

E1: ATG7 E2: ATG10 

Autophagy

 

FUB1 

NA

Regulation of leukocyte  functions 

 

URM1 

E1: Uba4

Oxidative stress response 

UFM1 

E1: Uba5 E2: Ufc1 

Endoplasmic stress  response 

HUB1 

NC

Pre‐mRNA splicing 

             

         

  1.2.1 SUMO  The  small  ubiquitin‐related  modifier  (SUMO),  which  is  11.5  kDa  in  size,  is  one  of  the  best  characterized ubiquitin‐like proteins. In vertebrates, there are four SUMO paralogues revealing  the typical β‐grasp fold with a short N‐terminal extension (Bayer et al., 1998; Bohren et al., 2004;  Kamitani et al., 1998). In contrast to SUMO‐2 and SUMO‐3, the elongated N terminus of SUMO‐1  does not contain a SUMOylation site and thus, it is not able to form chains (Saitoh and Hinchey,  2000; Tatham et al., 2001). All SUMO family members need to be processed in order to expose  their double glycine motif at the C terminus (Johnson et al., 1997). However, SUMO‐4 is the only 

-7-

Introduction member  which  is  probably  not  conjugated  to  substrates  (Owerbach  et  al.,  2005).  According  to  their subcellular localization, SUMO‐1,  ‐2 and ‐3 are able to carry out distinct functions: SUMO‐1  is  mostly  found  at  the  nuclear  membrane  whereas  SUMO‐2  is  localized  in  nuclear  bodies  and  nucleoli and SUMO‐3 in the cytoplasm and in nucleoli (reviewed in (Hay, 2005)).  The  SUMO‐conjugation  cascade  starts  with  its  activation  by  the  heterodimeric  E1  enzyme  SAE1/SAE2 with SAE2 containing the active site cysteine. Ubc9, the SUMO conjugating enzyme  which is particularly found in the nucleus, is able to directly transfer SUMO to substrates without  involvement of an E3 enzyme (Desterro et al., 1999; Schwarz et al., 1998). Most SUMO substrates  contain  a  special  binding  motif  for  Ubc9  consisting  of  the  four  amino  acids  [I/V/L]‐K‐X‐[D/E]      (X stands for any aa), which also contains the lysine residue that in turn is SUMOylated (Bernier‐ Villamor et al., 2002; Johnson, 2004). SUMO E3 ligases belong to the family of RanBP2‐, Pc2‐ or  PIAS E3 ligases that have specific substrates and differ in their localization in the cell (Hay, 2005;  Johnson and Gupta, 2001; Kagey et al., 2003; Pichler et al., 2002). For SUMOylation, more than  100 substrates have been identified so far that are partially overlapping for SUMO‐1 and SUMO‐ 2/‐3. These substrates can mainly be grouped into transcriptional regulators, nuclear envelope  proteins, signaling proteins and cell membrane proteins (Rosas‐Acosta et al., 2005; Vertegaal et  al.,  2004).  For  instance,  SUMOylation  of  RanGAP1,  a  factor  which  is  necessary  for  nucleo‐ cytoplasmic  transport,  regulates  its  localization  (Matunis  et  al.,  1996).  Another  substrate  of  SUMO is PML which needs to be SUMOylated to initiate the formation of PML nuclear bodies that  are  involved  in  important  cellular  functions  like  transcriptional  regulation  (Shen  et  al.,  2006;  Sternsdorf et al., 1997).   A  unique  feature  of  the  SUMOylation  cascade  is  the  regulation  of  substrate  specificity  by  autoSUMOylation of the E2 enzyme Ubc9. SUMOylation of Ubc9 occurs in its N‐terminal α‐helix  and  does  not  affect  thioester  bond  formation  with  SUMO.  Indeed,  autoSUMOylation  of  Ubc9  leads  to  inhibited  SUMOylation  of  RanGAP1  and  enhanced  SUMOylation  of  Sp100,  which  is  at  least partially due to a SUMO‐interaction motif  (SIM) in Sp100 (Knipscheer et al., 2008).  

  1.2.2 Other UBLs  In the 1980s, ISG15 (Interferon‐Stimulated Gene product of 15 kDa) was the first ubiquitin‐like  protein  to  be  identified.  ISG15  exhibits  a  dimeric  ubiquitin  structure.  As  the  name  already  indicates, ISG15 expression is interferon‐inducible which is in line with its role in the induction  of inflammation (D'Cunha et al., 1996; Haas et al., 1987; Korant et al., 1984).   FAT10 is characterized by two head‐to‐tail linked ubiquitin‐like domains which were shown to  be  able  to  directly  interact  with  the  proteasome.  Accordingly,  FAT10  offers  a  ubiquitin‐ independent way of delivering proteins for proteasomal degradation (Fan et  al., 1996; Hipp et  al., 2005). The double glycine motif at the C terminus of FAT10 is activated by UBA6, transferred 

-8-

Introduction to USE1 and attached to other proteins as shown by the presence of FAT10 conjugates in cells  (Aichem et al., 2010; Jin et al., 2007; Pelzer et al., 2007; Raasi et al., 2001). However, only four  substrates  of  FAT10  have  been  identified  to  date,  among  these  are  USE1  which  is  autoFAT10ylated  in  a  cis‐mechanism,  the  ubiquitin‐activating  enzyme  UBA1,  p53,  and  the  autophagosomal receptor p62 (Aichem et al., 2012; Aichem et al., 2010; Li et al., 2011; Rani et al.,  2012).   Two  UBLs,  the  LC3/GABARAP  family  and  ATG12,  are  involved  in  autophagy,  a  conserved  mechanism  in  eukaryotes  to  degrade  macromolecules  and  organelles.  Although  showing  no  obvious  homology  to  ubiquitin,  they  exhibit  a  similar  structure  and  conjugating  system  (Ichimura et al., 2000; Sugawara et al., 2004; Suzuki et al., 2005). The LC3/GABARAP family (in  mammals;  Atg8  in  yeast)  is  conjugated  to  phosphatidylethanolamine  thereby  initiating  autophagosome formation. Autophagosomes are double‐membrane vesicles which deliver their  content  to  the  lysosome  (Geng  and  Klionsky,  2008;  Ichimura  et  al.,  2000;  Tanida  et  al.,  2004).  Interestingly, aggregated ubiquitinated proteins were found to be targets for so called “selective”  autophagy. Some adaptor proteins are associated with the autophagosome via LC3 and interact  with  ubiquitinated  proteins  at  the  same  time,  thereby  leading  to  lysosomal  degradation  of  the  respective  protein  (reviewed  in  (Kirkin  et  al.,  2009)).  Another  UBL,  ATG12,  is  conjugated  constitutively  to  ATG5  which  is  necessary  for  completion  of  autophagosome  formation  (Geng  and Klionsky, 2008; Ichimura et al., 2000).  

  1.3 NEDD8   NEDD8  (Neural  precursor  cell‐Expressed  Developmentally  Down‐regulated  8)  was  first  discovered in a subset of genes that are down‐regulated during mouse brain development and is  highly  conserved  from  yeast  to  humans.  With  60  %  identity  and  80  %  homology  to  ubiquitin,  NEDD8 forms its closest relative among the family of ubiquitin‐like proteins (Kumar et al., 1992;  Kumar et al., 1993). Human NEDD8 is expressed as an inactive, 81 aa precursor protein which  needs to be processed in order to be conjugated to substrates (Kamitani et al., 1997). Similar to  ubiquitin,  the  conjugation  of  NEDD8  involves  three  consecutive  steps  being  catalyzed  by  the  heterodimeric  NEDD8  E1  enzyme  APPBP1/UBA3,  one  of  the  two  E2  enzymes  Ubc12  or  Nce2,  and an E3 enzyme (Gong and Yeh, 1999; Huang et al., 2009). This process called “NEDDylation”  will be described in detail in section 1.3.2.  NEDD8  is  a  9.1  kDa  protein  with  a  high  structural  similarity  to  ubiquitin.  Its  globular  β‐grasp  fold  includes  four  antiparallel  β‐sheets  and  one  helix  on  top  of  them  (Figure  4).  In  addition,  surface charge distribution resembles that of ubiquitin: one face contains hydrophobic residues  whereas the other one is acidic (Whitby et al., 1998).  

-9-

Introduction      

     A                                                                                 B                             









Figure 4. Crystal structure of NEDD8 (A) and overlay with ubiquitin and SUMO­1 (B)  (A) The globular NEDD8 structure reveals a β‐grasp fold with four antiparallel β‐sheets and an α‐helix on top of them,  being  characteristic  for  ubiquitin  and  all  UBLs  (protein  data  base  1NDD;  modeled  using  Pymol).  The  C‐terminal  double glycine motif is marked in green.  (B) Overlay of ubiquitin (blue), SUMO‐1 (green) and NEDD8 (red). Ubiquitin and the UBLs SUMO‐1 and NEDD8 exhibit  a highly similar structure characterized by the β‐grasp fold (Welchman et al., 2005). 

  Investigation  of  NEDD8  expression  in  different  tissues  using  northern  blot  and  immuno‐ cytochemical analysis revealed NEDD8 mRNA is enriched in brain and skeletal muscle, and that  NEDD8 protein is predominantly found in the nucleus whereas ubiquitin is equally distributed  in the cell (Kamitani et al., 1997).  In  mice,  knockout  of  the  catalytic  subunit  of  the  NEDD8  E1  enzyme,  UBA3,  was  shown  to  be  lethal  in  utero  at  the  periimplantation  state.  The  reason  for  this  phenomenon  lies  in  the  involvement of the NEDD8 pathway in cell cycle progression and morphogenesis, underlining its  indispensability for early development (Tateishi et al., 2001). In S. cerevisiae, however, depletion  of the NEDD8 homologue Rub1, as well as the respective E1 or the E2 enzymes does not affect  normal cell growth (Liakopoulos et al., 1998). 

  1.3.1 Substrates and functions of NEDD8  1.3.1.1 Cullins  In 1998, Cullin4a was described as the first substrate of the NEDD8‐conjugation system (Osaka  et al., 1998). In the meantime, it turned out that modification of all canonical cullins with NEDD8  is crucial to execute their function (Hori et al., 1999; Ohh et al., 2002). Cullins are components of  multi‐protein  complexes,  the  cullin‐RING  ligases,  which  play  important  roles  in  cell  growth,  development,  signal  transduction,  transcriptional  control,  genomic  integrity  and  tumor  suppression  (see  also  1.1.1).  In  mammals,  there  are  six  canonical  cullins  (Cullin1,  Cullin2,  Cullin3, Cullin4a, Cullin4b, Cullin5) and three atypical cullins (APC2, Cullin7 and PARC) known 

- 10 -

Introduction which  together  build  more  than  500  distinct  multi‐subunit  complexes  (Petroski  and  Deshaies,  2005a; Skaar et al., 2007; Zachariae et al., 1998).    Cullin‐RING  ligases  usually  consist  of  cullins  serving  as  scaffold  proteins,  substrate  adaptors,  which recognize and bind the respective substrate, and a RING domain protein with the catalytic  activity  to  ubiquitinate  the  substrate.  NEDDylation  of  the  cullin  subunit  at  a  conserved  lysine  residue leads to a conformational change which in turn recruits the ubiquitin‐loaded E2 enzyme  (Duda  et  al.,  2008;  Kawakami  et  al.,  2001).  In  addition,  NEDDylation  seems  to  promote  dimerization of cullin‐RING ligases through their substrate recognition subunit (Wimuttisuk and  Singer, 2007). Recently, it was suggested that rotation of the RING domain of the E3 also plays a  crucial  role  in  the  activation  of  the  cullin‐RING  complex  (Calabrese  et  al.,  2011).  Both  the  NEDD8‐  and  the  ubiquitin  E3  ligase  activity  of  the  complex  are  carried  out  by  either  RBX1  or  RBX2  (Petroski  and  Deshaies,  2005a).  Moreover,  Dcn1  in  yeast  and  DCNL  proteins  in  humans  serve as a scaffold‐type E3 ligases which interact with the respective cullin and the NEDD8 E2 at  the same time thereby enhancing NEDDylation of cullins and thus, the ubiquitination activity of  cullin‐RING complexes (Kurz et al., 2008; Monda et al., 2013; Yang et al., 2007).   As  already  mentioned,  cullin  complexes  share  a  general  composition.  Dependent  on  the  cullin,  however,  several  different  substrate  adaptors  can  be  used.  So  called  SCF  complexes  consist  of  Cullin1, RBX1, the adaptor protein Skp1 and an F‐box protein which specifically interacts with  the  substrate  to  be  degraded  (Lyapina  et  al.,  1998).  One  of  the  substrates  for  the  SCF  complex  with  Skp2  as  F‐box  protein  is  p21,  an  important  regulator  of  cell  proliferation  and  differentiation.  Phosphorylation  of  p21  by  Cdk2‐Cyclin  E  enhances  its  recognition  and  ubiquitination by SCFSkp2, leading to its rapid degradation (Bornstein et al., 2003). Additionally,  not only cell cycle inhibitors but also cell cycle activators like Cyclin E are substrates for SCFSkp2  (Nakayama et al., 2000). In contrast to Cullin1, Cullin2 and Cullin5 assemble with elongin B/C as  adaptor and a SOCS‐box containing protein as substrate receptor. A well‐studied substrate of the  Cullin2‐RING  ligase  is  HIFα,  an  important  player  in  oxygen  metabolism.  A  complex  formed  by  HIFα and HIFβ under hypoxic conditions controls the expression of several genes like VEGF or  erythropoietin  (Maxwell,  2003).  Oxygen‐dependent  hydroxylation  of  HIFα  leads  to  its  recognition by the tumor suppressor protein pVHL, a substrate receptor of the Cullin2‐complex,  and  its  subsequent  ubiquitination  and  degradation  (Ivan  et  al.,  2001;  Jaakkola  et  al.,  2001;  Petroski and Deshaies, 2005a; Yu et al., 2001).   Deactivation  of  cullin‐RING  complexes  is  achieved  through  removal  of  NEDD8  by  the  CSN5  subunit of the COP9 signalosome which belongs to the family of JAMM metalloproteases (Cope et  al.,  2002;  Lyapina  et  al.,  2001).  Another  mechanism  to  silence  cullin‐RING  complexes  is  the  binding  of  Cand1  (Cullin‐Associated  and  NEDDylation‐Dissociated  1)  which  inhibits  NEDDylation and the assembly of the whole complex by specifically binding to the region of the  NEDD8  acceptor  lysine  within  the  cullin  (Zheng  et  al.,  2002).  However,  it  was  recently  shown 

- 11 -

Introduction that Cand1 also serves as an important exchange factor for cullin‐RING ligase adaptors (Pierce et  al., 2013).    1.3.1.2 NEDD8 and transcriptional regulation  In the last decade, several new substrates of NEDD8 were described, giving insights into the role  of NEDD8 in various cellular functions. Interestingly, a majority of these substrates is involved in  transcriptional regulation.    The tumor suppressor protein p53, which plays a major role in the regulation of cell cycle arrest  and  apoptosis,  is  not  only  a  substrate  for  ubiquitin  but  also  for  ubiquitin‐like  proteins  such  as  SUMO or NEDD8 (Kruse and Gu, 2009; Rodriguez et al., 1999; Scheffner et al., 1993; Xirodimas et  al., 2004). NEDDylation of p53 by the RING ligase Hdm2 was shown to inhibit its transcriptional  activity. In the case of p53, Hdm2 displays a dual specificity since it had also been described as  an  E3  ligase  for  the  ubiquitination  of  p53  (Honda  et  al.,  1997;  Xirodimas  et  al.,  2004).  Modification of p53 with NEDD8 is also promoted by FBXO11  and specifically inhibited by the  histone  acetyltransferase  Tip60  (Abida  et  al.,  2007;  Dohmesen  et  al.,  2008).  Interestingly,  C‐ terminal fusions of p53 with ubiquitin and NEDD8 to mimic its modification with these proteins  showed that p53‐ubiquitin is rather found in the cytoplasm, whereas fusions of p53 with NEDD8  localize in the nucleus (Carter and Vousden, 2008).  Another  member  of  the  p53  family,  TAp73,  also  serves  as  a  substrate  for  Hdm2‐dependent  NEDDylation. Modification of TAp73 with NEDD8 inhibits its transcriptional activity which can  in part be explained by its localization to the cytoplasm (Watson et al., 2006).  In  2008,  some  ribosomal  proteins  were  found  to  be  modified  with  NEDD8  causing  enhanced  stability  (Xirodimas  et  al.,  2008).  Further  investigation  of  the  ribosomal  protein  L11  revealed  that  its  NEDDylation  leads  to  a  localization  to  the  nucleolus  (Sundqvist  et  al.,  2009).  Upon  nucleolar stress, L11 is deNEDDylated and recruited to promoters of p53 regulated genes where  it  interacts  with  several  co‐activators.  In  addition,  binding  of  L11  to  Hdm2  at  these  promoter  sites  inhibits  interaction  of  p53  with  Hdm2,  thereby  promoting  transactivation  of  p53  target  genes.  Interestingly,  ribosome  biogenesis  is  not  affected  under  deNEDDylation  conditions  in  spite of reduced L11 levels (Mahata et al., 2011).  NEDDylation also seems to play an important role in the regulation of NFκB activity. On the one  hand,  suppression  of  the  transcriptional  activity  of  NFκB  by  BCA3  is  dependent  on  its  modification with NEDD8 (Gao et al., 2006). On the other hand, TRIM40‐catalyzed NEDDylation  of IKKγ, an inhibitor of NFκB signaling, enhances the repression of NFκB (Noguchi et al., 2011).  Another  protein  which  is  regulated  by  NEDDylation  is  AICD,  the  intracellular  domain  of  the  amyloid precursor protein (APP). APP is found in plaques that accumulate in brains of Alzheimer  patients.  Cleaving  of  APP  by  secretases  leads  to  the  formation  of  AICD  amongst  others,  whose  role in Alzheimer development and progression is only poorly understood. Modification of AICD 

- 12 -

Introduction with  NEDD8  prevents  the  interaction  with  its  co‐activator  Fe65  and  the  histone  acetyltransferase  Tip60,  resulting  in  an  inhibition  of  the  transactivator  function  for  genes  involved in e.g. cell growth and motility (Lee et al., 2008; Muller et al., 2008).     1.3.1.3 Further substrates and functions of NEDD8  Modification  with  NEDD8  does  not  only  play  roles  in  transcriptional  regulation  but  also  in  the  regulation  of  protein  stability.  The  ribosomal  protein  L11  and  the  E3  ligase  Hdm2  as  well  as  PINK1, a protein involved in Parkinson´s disease, show an enhanced stability upon modification  with NEDD8 (Choo et al., 2012; Xirodimas et al., 2004; Xirodimas et al., 2008).   In addition, NEDDylation regulates the stability of distinct receptors. Ubiquitination of EGFR is  mediated  by  the  RING‐ligase  c‐Cbl,  leading  to  its  internalization  and  lysosomal  degradation.         C‐Cbl  is  also  capable  of  NEDDylating  EGFR  and  therefore  displays  a  dual  specificity  as  Hdm2  does  for  modification  of  p53  (Oved  et  al.,  2006;  Xirodimas  et  al.,  2004).  Modification  of  EGFR  with NEDD8 leads to an increased turnover rate caused by intensified ubiquitination (Oved et al.,  2006). In the case of steroid hormone receptors, NEDD8 was even found to be required for their  ubiquitination  and  degradation.  Therefore,  inactivation  of  the  NEDD8  pathway  might  be  involved in the development of steroid hormone dependent tumors (Fan et al., 2003; Fan et al.,  2002).  Parkin, a RING‐type E3 ligase which is frequently mutated in patients suffering from Parkinson´s  disease,  reveals  an  enhanced  activity  upon  NEDDylation.  Substrates  of  parkin  take  part  in  diverse  cellular  functions  like  transcription,  neurotransmission,  synaptic  function  or  cell  cycle  control (Choo et al., 2012; Walden and Martinez‐Torres, 2012).  As  a  component  of  the  Cullin2/elongin  B/C  complex,  pVHL  is  involved  in  the  regulation  of  oxygen‐dependent ubiquitination of HIFα (see  1.3.1.1). Interestingly, pVHL is also required for  fibronectin matrix assembly, independent of Cullin2 (Stickle et al., 2004).  Toggling the binding  of pVHL to the cullin complex is achieved by its modification with NEDD8: NEDDylation leads to  its  interaction  with  fibronectin  whereas  its  association  with  Cullin2  is  inhibited  (Russell  and  Ohh, 2008).  IAPs  (Inhibitor  of  Apoptosis)  are  often  found  to  be  overexpressed  in  cancer,  thereby  contributing to cell proliferation and survival. IAPs are RING ubiquitin E3 ligases that negatively  regulate  caspase  activity  and  additionally  have  an  influence  on  cellular  survival  functions.  In  Drosophila and humans, effector caspases were identified to act as substrates for NEDDylation  by IAPs leading to their inactivation (Broemer et al., 2010). However, it was also supposed that  IAPs themselves, rather than caspases, might be substrates for NEDD8 (Nagano et al., 2012).   Very recently, both reduced levels of Ubc12 and inhibition of APPBP1/UBA3 were discovered to  impair T‐cell proliferation and cytokine production. Thereupon, NEDDylation of Shc, an adapter 

- 13 -

Introduction protein  between  the  antigen  receptor  of  T‐cells  and  the  Erk‐pathway,  was  identified  as  an  important event in T‐cell receptor signaling (Jin et al., 2013).  In proteomic analyses, many further potential substrates for NEDD8 were identified which are  mainly  involved  in  mRNA  splicing,  DNA  replication  and  repair,  chromatin  remodeling  and  proteasomal degradation (Jones et al., 2008; Xirodimas et al., 2008).  Finally, one well‐studied interaction partner of NEDD8 which targets NEDD8 and its conjugates  for  proteasomal  degradation  is  NUB1  (NEDD8  Ultimate  Buster1)  (Kamitani  et  al.,  2001).  By  interacting with the S5a subunit of the proteasome, NUB1 not only delivers NEDD8 but also the  UBL  FAT10  for  degradation  (Hipp  et  al.,  2004;  Tanji  et  al.,  2005).  Interaction  of  NEDD8  with  NUB1  additionally  results  in  inhibition  of  NEDDylation  and  enhances  ubiquitination  of  p53,  leading to its cytoplasmic localization (Liu and Xirodimas, 2010). 

  1.3.2 NEDD8‐conjugation cascade  The  NEDD8‐conjugation  cascade  is  very  similar  to  the  one  of  ubiquitin,  involving  three  specialized types of enzymes which activate NEDD8 and transfer it to a substrate (Figure 5). In  humans, NEDD8 is expressed as a precursor protein of 81 aa. The last five amino acids need to  be  cleaved  off  by  the  isopeptidase  NEDP1/Den1/SENP8  in  order  to  expose  the  C‐terminal  double  glycine  motif  which  is  crucial  for  NEDD8  attachment  to  substrates  (Gan‐Erdene  et  al.,  2003; Kamitani et al., 1997; Wu et al., 2003a). Alternatively, UCHL3, a deubiquitinating enzyme,  is capable of processing both NEDD8 and ubiquitin (Wada et al., 1998).   In a first step of the conjugation pathway, NEDD8 is activated by the heterodimeric E1 enzyme  APPBP1/UBA3  with  UBA3  comprising  the  catalytically  active  cysteine  residue.    Activation  includes  the  formation  of  a  NEDD8  adenylate  under  consumption  of  ATP,  and  the  subsequent  covalent attachment of NEDD8 C‐terminal glycine to the catalytic cysteine of UBA3, generating a  high‐energy thioester bond (Gong and Yeh, 1999). As soon as one NEDD8 is bound in a thioester,  a  second  NEDD8  interacts  with  the  adenylation  site  of  APPBP1/UBA3  and  can  be  activated.  Transfer  of  NEDD8  to  the  catalytic  cysteine  of  one  of  the  two  conjugating  enzymes  Ubc12  or  Nce2 is only accomplished if the E1 binds two NEDD8 proteins at the same time. In this so called  transthiolation  reaction,  the  E2  enzyme  takes  over  NEDD8  from  the  E1  by  the  formation  of  a  thioester linkage (Huang et al., 2009; Huang et al., 2007). Finally, an isopeptide bond is formed  between the C‐terminal glycine of NEDD8 and a lysine residue of its substrate (Oved et al., 2006;  Wada  et  al.,  1999;  Xirodimas  et  al.,  2004).  This  last  step  involves  the  action  of  an  E3  ligase  catalyzing the transfer of NEDD8. In contrast to ubiquitin of which two classes of E3 ligases are  known,  RING  ligases  seem  to  be  the  major  protein  family  playing  a  role  in  the  NEDDylation  cascade (see 1.1.1) (reviewed in (Ardley and Robinson, 2005; Watson et al., 2011)). This type of  ligase  brings  the  E2  enzyme  and  the  substrate  into  proximity  thereby  allowing  the  transfer  of 

- 14 -

Introduction NEDD8 to its substrate. However, a direct interaction between E2 and the RING domain of an E3  has  only  been  shown  for  Ubc12  and  the  E3  ligases  RBX1  and  RNF  111  so  far  (Calabrese  et  al.,  2011; Ma et al., 2013). In contrast to NEDD8 E1 and E2 enzymes, which are highly specific for  NEDD8, all RING E3 ligases involved in NEDDylation display a dual specificity for ubiquitin and  NEDD8  (Broemer  et  al.,  2010;  Huang  et  al.,  2008;  Morimoto  et  al.,  2003;  Oved  et  al.,  2006;  Walden  et  al.,  2003a;  Xirodimas  et  al.,  2004).  Nevertheless,  there  is  one  unique  E3  enzyme  for  NEDD8 without any known ligase domain: Dcn1/DCNL (yeast/humans), which acts as a scaffold‐ type  E3  ligase  enhancing  NEDDylation  of  cullins  (see  1.3.1.1)  (Kurz  et  al.,  2008;  Monda  et  al.,  2013).   

                                                                              Figure 5. NEDD8­conjugation cascade  In a first step, NEDD8 is activated by its heterodimeric E1 enzyme APPBP1/UBA3 thereby forming a thioester bond.  Subsequently, NEDD8 is transferred to the catalytic cysteine of one of its E2 enzymes, Ubc12 or Nce2. Finally, NEDD8  is conjugated to a lysine residue of a substrate which involves the action of a RING E3 ligase.  

- 15 -

Introduction DeNEDDylation of substrates is predominantly carried out by NEDP1 which cleaves NEDD8 both  from  cullins  and  other  substrates  (Chan  et  al.,  2008;  Mendoza  et  al.,  2003).  A  specific  deNEDDylating enzyme complex for cullins is the COP9 signalosome consisting of eight subunits  including CSN5 as the catalytically active one (Cope et al., 2002; Lyapina et al., 2001). Moreover,  USP21 is able to remove both NEDD8 and ubiquitin from substrates (Gong et al., 2000).  NEDD8 contains nine internal lysine residues at positions 4, 6, 11, 22, 27, 33, 48, 54 and 60, five  of which are conserved in ubiquitin. In vitro, mainly K22, K48 and K54 are used for NEDD8 chain  formation.  K27  and  K33  were  also  found  to  be  modified  with  NEDD8  although  they  occurred  with a lower abundance (Jeram et al., 2010; Jones et al., 2008). However, an existence of NEDD8  chains  under  normal  cellular  conditions  still  needs  to  be  verified  as  proteomic  analyses  were  performed using tryptic digest prior to mass spectrometry. Although a double glycine motif was  identified  at  K11,  K22,  K48  and  K60  of  NEDD8,  it  is  not  clear  whether  NEDD8  or  ubiquitin  is  attached since they are not distinguishable in this approach (Jones et al., 2008). Additionally, in  human cells and in vitro NEDD8 can be attached to ubiquitin but seems to be a bad acceptor for  itself or ubiquitin, arguing against the existence of NEDD8 chains (Singh et al., 2012; Whitby et  al., 1998).  

  1.3.2.1 APPBP1/UBA3, the NEDD8‐activating enzyme   In eukaryotes, E1 enzymes consist of three conserved domains: an adenylation domain which is  already present in a common E1 ancestor, MoeB, and two eukaryotic specific domains (reviewed  in  (Hochstrasser,  2000)).  One  of  those  evolutionary  newer  domains  contains  the  catalytic  cysteine and the other one, which is located at the C terminus, is involved in transferring the UBL  to  the  E2.  This  so  called  “ubiquitin  fold  domain”  (UFD)  adopts  a  ubiquitin‐like  structure  and  plays  a  crucial  role  in  the  interaction  with  the  E2.  Comparison  of  the  heterodimeric  APPBP1/UBA3  with  the  ubiquitin  E1  UBA1  reveals  sequence  and  structural  homology  of  APPBP1 to the N‐terminal part of UBA1 and of UBA3 to its C‐terminal part (Hochstrasser, 2000;  Lake et al., 2001; Walden et al., 2003b).   The  overall  structure  of  APPBP1/UBA3  can  be  described  as  a  canyon  with  a  groove  in  the  middle.  A  crossover  loop  connects  the  adenylation  domain  with  the  catalytic  cysteine  domain  and divides the canyon into two clefts (Walden et al., 2003b). In the structure of APPBP1/UBA3  bound  to  NEDD8  and  ATP,  the  globular  domain  of  NEDD8  occupies  one  cleft  and  its  flexible          C terminus points towards ATP (Figure 6). Furthermore, there is a bipartite interaction between  APPBP1/UBA3 and NEDD8. On the one hand, the conserved acidic surface of NEDD8 contacts a  part of the catalytic cysteine domain of APPBP1 forming a polar interface. On the other hand, the  hydrophobic  surface  of  NEDD8  interacts  with  a  conserved  part  of  the  adenylation  domain  in  UBA3. Interestingly, all residues involved in these hydrophobic interactions are also present in 

- 16 -

Introduction ubiquitin.  Nonetheless,  discrimination  between  NEDD8  and  ubiquitin  can  be  achieved  by  the       C terminus of NEDD8, which binds to the adenylation domain and the crossover loop of UBA3.  An alanine at position 72 of NEDD8 interacts with L206 and Y207 in the crossover loop. Because  of repulsion from R190 in UBA3, the corresponding arginine at position 72 of ubiquitin prevents  binding to the NEDD8 E1. R190 equates to a conserved glutamine residue in UBA1 which allows  binding  of  ubiquitin  but  not  of  NEDD8.  Along  these  lines,  an  A72R  mutant  of  NEDD8  can  be  activated by the ubiquitin E1 enzyme and vice versa (Walden et al., 2003a; Whitby et al., 1998). 

                                     

APPBP1

UBA3

    Figure 6. Structure of the APPBP1/UBA3­NEDD8­ATP complex  The overall APPBP1/UBA3 structure (blue/red) can be divided into an adenylation domain and a catalytic cysteine  domain (catalytic cysteine in green). NEDD8 (yellow) occupies one cleft in the major groove of APPBP1/UBA3 while  its  C  terminus  points  towards  the  ATP‐binding  site.  A  crossover  loop  connecting  adenylation  and  catalytic  cysteine  domain fastens NEDD8 in this position (modified from (Walden et al., 2003a)). 

  The  structure  of  the  complex  between  APPBP1/UBA3,  NEDD8  and  ATP  also  shows  that  ATP  interacts with a conserved ATP‐binding motif in the adenylation domain of APPBP1/UBA3 next  to  the  C  terminus  of  NEDD8,  thereby  enabling  an  attack  of  NEDD8  on  the  α‐phosphate  of  ATP  (Figure  6).  Two  sites  of  interaction  between  the  E1  and  ATP  were  identified:  the  adenine  ring  binds to a hydrophobic patch in UBA3 and the phosphate groups form hydrogen bonds and salt  bridges  with  several  residues  of  both  APPBP1  and  UBA3.  Mg2+,  which  is  necessary  for  the  neutralization of the negative charge of phosphate within ATP, is probably coordinated by D146  in UBA3 (Walden et al., 2003a).  To  facilitate  binding  and  activation  of  NEDD8,  conformational  changes  of  APPBP1/UBA3  and  NEDD8  need  to  occur.  By  moving  the  catalytic  cysteine  domain  away  from  the  adenylation  domain,  NEDD8  is  able  to  bind  the  E1  and  subsequently  fastened  by  the  crossover  loop.  In  addition, rotation of the C terminus of NEDD8 allows docking into the ATP binding site of UBA3 

- 17 -

Introduction (Walden et al., 2003a). In a next step, NEDD8 is attacked by the catalytic cysteine at position 216  in  UBA3,  leading  to  the  formation  of  a  thioester  linkage.  However,  because  of  a  large  gap  between  the  C  terminus  of  NEDD8  and  C216  as  shown  in  figure  6,  an  additional  rotation  of  NEDD8 and/or conformational changes in APPBP1/UBA3 might be required for the formation of  this linkage (Walden et al., 2003a).  In  2009,  the  first  inhibitor  of  APPBP1/UBA3  was  described  as  a  potential  anti‐cancer  drug  (Soucy et al., 2009). MLN4924 was shown to specifically inhibit the NEDD8‐activating enzyme by  the formation of a covalent NEDD8‐MLN4924 adduct which mimics the NEDD8‐adenylate. The  mechanism  of  action  of  MLN4924  was  proposed  as  follows:  NEDD8  is  first  activated  and  transferred to the catalytic cysteine of APPBP1/UBA3 forming a thioester bond. In a next step,  MLN4924 interacts with the adenylation site of the E1 enzyme and is finally covalently attached  to the C terminus of NEDD8. Because of a stable binding to APPBP1/UBA3, this adduct blocks its  activity  but  is  not  further  used  in  the  NEDDylation  cascade  (Brownell  et  al.,  2010).  At  the  moment,  MLN4924  is  in  clinical  trials  for  the  therapy  of  several  types  of  cancer  such  as  acute  myeloid leukemia and lymphoma (Milhollen et al., 2010; Swords et al., 2010).   

  1.3.2.2 NEDD8‐conjugating enzymes   Conjugating  enzymes  of  the  ubiquitin  and  UBL  pathways  are  generally  characterized  by  a  catalytic core domain of 150‐200 aa, which in some cases is extended at the N‐ or the C terminus.  As the evolutionary highest conserved region among E2 enzymes, the N‐terminal α‐helix of the  core  domain  was  found  to  mediate  interaction  with  the  E1  (Huang  et  al.,  2005;  Winn  et  al.,  2004).  In contrast to ubiquitin, which holds about 40 conjugating enzymes in mammals, there are only  two conjugating enzymes known for NEDD8: Ubc12 and Nce2 (Huang et al., 2009; Ye and Rape,  2009). Interestingly, Nce2 is only found in higher eukaryotes, whereas Ubc12 is conserved from  yeast to human. Ubc12 and Nce2 are ~40 % identical at amino acid level. On the structural level,  both NEDD8‐conjugating enzymes are also highly similar with the exception of a loop insertion  next to the catalytic cysteine of Nce2 consisting of six amino acids (aa 124‐129) (Figure 7).   Comparing substrate specificity of the NEDD8 E2s, it was found that Ubc12 rather NEDDylates  Cullins1‐4 using RBX1 as a ligase, whereas Nce2 prefers RBX2 as ligase and Cullin5 as substrate  (Huang et al., 2009). Like Nce2, Cullin5 and RBX2 are only present in metazoans being involved  in cytokine signaling, neuronal migration or myogenesis (Feng et al., 2007; Huang et  al., 2009;  Kile et al., 2002; Nastasi et al., 2004). For most other NEDD8 substrates, it is not clear which E2  catalyzes  NEDD8  transfer.  However,  Ubc12  seems  to  be  predominantly  used  since  its  knockdown leads to severe effects like G2/M‐arrest, aneuploidy and apoptosis. In contrast, cells 

- 18 -

Introduction comprising  a  stable  knockdown  of  Nce2  expression  reveal  a  normal  phenotype.  Nonetheless,  Nce2 overexpression partially rescues knockdown effects of Ubc12 (Huang et al., 2009).    

   A

B

                                                                                 

     







 

N

           

Figure 7. Crystal structures of the core domains of Ubc12 (A) and Nce2 (B)  Ribbon representations of NEDD8‐conjugating enzymes Ubc12 (A; protein data base 1Y8X; modeled with Pymol) and  Nce2 (B; protein data base 2EDI; modeled using Pymol) show a high structural similarity of the enzymes. The catalytic  cysteine is displayed as magenta sticks. Ubc12 and Nce2 only differ in the region next to the catalytic cysteine where a  loop insertion is present in Nce2 (arrow).  

  Both NEDD8‐conjugating enzymes contain an N‐terminal extension being unique to the NEDD8  cascade  (Huang  et  al.,  2009;  Huang  et  al.,  2004).  The  first  13  residues  of  the  N‐terminal  extension of Ubc12 dock in a groove of the adenylation domain of UBA3 under the formation of  hydrogen  bonds  and  hydrophobic  contacts,  mainly  mediated  by  F5  and  L7  (Figure  8A).  As  expected,  the  hydrophobic  motif  ‐ ‐X‐   ( ‐hydrophobic  aa;  X‐any  aa)  in  the  N  terminus  of  Ubc12,  which  plays  a  major  role  in  the  interaction  with  APPBP1/UBA3,  is  also  present  in  the        N‐terminal  extension  of  Nce2  (Huang  et  al.,  2009;  Huang  et  al.,  2004).  Moreover,  the  binding  groove within APPBP1/UBA3 is conserved through different species but not in the E1 enzymes  of  other  UBLs.  Thus,  the  N  termini  of  Ubc12  and  Nce2  bind  directly  and  selectively  to  APPBP1/UBA3. Accordingly, deletion of the N‐terminal 26 aa of Ubc12 decreases the affinity to  APPBP1/UBA3  around  25‐fold.  Nonetheless,  thioester  formation  with  NEDD8  and  transfer  of  NEDD8 to substrates can still proceed (Huang et al., 2004).   An additional interaction takes place between the core domain of Ubc12, which is conserved in  all  ubiquitin  and  UBL  conjugating  enzymes,  and  the  ubiquitin  fold  domain  (UFD)  of  UBA3  forming two sets of mainly hydrophobic contacts (Figure 8A). Binding occurs at the opposite site  of the catalytic cysteine of Ubc12 so that a rotation is required to facilitate the transesterification  reaction (Huang et al., 2005). Structure determination of Ubc12 C111A bound to NEDD8‐loaded  APPBP1/UBA3  revealed  that  this  rotation  is  performed  by  the  UFD  domain,  leading  to  a  new  surface next to the ATP‐binding site that in turn serves as an interaction site for Ubc12 (Figure 

- 19 -

Introduction 8B). Furthermore, rotation of the UFD allows the thioester‐bound NEDD8 to occupy the central  groove of the E1, thereby providing a further binding site for Ubc12. Such an interaction seems  to  be  conserved  among  ubiquitin  and  UBLs  since  thioester‐bound  ubiquitin  and  SUMO  also  interact with their cognate E2 (Huang et al., 2007; Miura et al., 1999; Reverter and Lima, 2005). 

   A 



                                 

  Figure 8. Structures of APPBP1/UBA3 in complex with Ubc12 (A) or NEDD8 and Ubc12 (B)  (A) Superposition of Ubc12 core (cyan) ‐ UFD (red) complex and APPBP1/UBA3 (blue/pink) in complex with the N‐ terminal 13 aa of Ubc12 (cyan) (Huang et al., 2005). The catalytic cysteine of Ubc12 points away from the catalytic  cysteine of UBA3.  (B)  Structure  of  the  APPBP1/UBA3  (blue/pink  and  red)–NEDD8  (thioester‐bound;  yellow)‐NEDD8  (bound  to  adenylation site; lime)‐MgATP‐Ubc12 C111A (cyan) complex. To enable the transesterification reaction, UFD rotates  around 120° thereby bringing the catalytic cysteines of Ubc12 and UBA3 into close proximity (Huang et al., 2007). 

  Once NEDD8 is transferred to the catalytic cysteine of the E2, the interaction between E1 and E2  is disrupted as flipping back of the UFD would clash with the E2. Hence, conformational changes  of APPBP1/UBA3 are important to ensure the progression of the NEDDylation cascade (Huang et  al., 2007). Correspondingly, as already shown for the ubiquitin system, a simultaneous binding  of the E1 and the E3 to the E2 enzyme is not possible since the interaction sites are overlapping  (Wenzel et al., 2011). In addition, the E3 shows a higher affinity to the thioester‐loaded E2 than  to the E2 alone (Kawakami et al., 2001; Siepmann et al., 2003).   An  identity  of  around  60  %  between  NEDD8  and  ubiquitin  raises  the  question  as  to  how  the  enzymes involved in their conjugation distinguish which one to use. It was found that both the  E1 and the E2 enzyme contribute to the specificity of the particular conjugation pathway. On the  one hand, R190 of UBA3 strongly repulses the basic side chain of R72 within ubiquitin whereas  A72  of  NEDD8  allows  binding.  In  addition,  several  other  residues  within  APPBP1/UBA3  are  involved  in  preventing  binding  of  ubiquitin  (Souphron  et  al.,  2008).  On  the  other  hand,  E2  enzymes also confer specificity by a unique interaction with the respective E1 enzyme. In case of  the  NEDD8  E2s,  there  is  a  bipartite  binding  to  APPBP1/UBA3:  their  N  terminus  docks  in  a 

- 20 -

Introduction specific  binding  site  within  the  E1  and  specific  residues  within  their  core  domain  bind  to  the  UFD of UBA3. Moreover, K147 and E151 of Ubc12 point towards the catalytic cysteine of UBA3  where unique insertions are found in the ubiquitin and SUMO E1 enzymes conferring specificity  to the respective conjugation cascade (Huang et al., 2008; Lois and Lima, 2005; Szczepanowski  et al., 2005; Wang et al., 2007a). 

  1.4  Aim of the studies  NEDD8  (Neural  precursor  cell‐Expressed  Developmentally  Down‐regulated  8)  was  originally  identified as a developmentally down‐regulated ubiquitin‐like protein. Moreover, it was found to  be  involved  in  cell  cycle regulation  by  being  covalently  conjugated  to  cullins.  In  the  meantime,  several additional substrates for NEDD8 have been identified being involved in various cellular  functions  like  e.g.  transcriptional  regulation,  cell  growth  or  apoptosis.  Similar  to  ubiquitin,  covalent  attachment  of  NEDD8  to  substrates  involves  three  consecutive  steps  catalyzed  by  activating  enzymes  E1,  conjugating  enzymes  E2,  and  ligases  E3.  For  NEDD8,  one  E1  enzyme  (APPBP1/UBA3 heterodimer), two E2 enzymes (Ubc12 and Nce2), and several substrate specific  E3  enzymes  have  been  identified  so  far. However,  only  little  is  known  about  if  and  how  these  enzymes are regulated. Furthermore, the specificity of Ubc12 and Nce2 for most of the NEDD8  substrates remains elusive. Especially, functions of Nce2 other than the NEDDylation of Cullin5  have not been identified yet.   Recent proteomics data reveal a variety of further possible substrates for NEDDylation, playing  roles  in  mRNA  splicing,  DNA  replication  and  repair,  chromatin  remodeling  and  proteasomal  degradation.  Thus,  it  seems  that  there  are  many  yet  unknown  and  uncharacterized  substrates  for the NEDDylation pathway in the cell.     This study therefore aimed at:     1. Identifying new substrates and interaction partners of NEDD8  2. Investigating the regulation of the NEDD8‐conjugation cascade  3. Characterizing a second isoform of Nce2  

  In  conclusion,  this  work  shall  not  only  contribute  to  a  better  understanding  of  physiological  functions  of  NEDD8  but  also  of  the  NEDDylation  pathway  in  general.  Currently,  this  field  is  of  special  interest  since  MLN4924,  an  inhibitor  of  the  NEDD8‐activating  enzyme,  is  tested  in  clinical  trials  for  the  treatment  of  several  types  of  cancer  such  as  acute  myeloid  leukemia  and  lymphoma. 

- 21 -

         

2. Material and Methods   

2.1 Material  2.1.1 Solutions and media  Name 

Composition 

Laemmli loading buffer (2x) 

125 mM Tris‐HCl pH 6.8, 200 mM DTT,  4 % SDS, 0.001 % Bromphenol‐blue    7.15 M β‐Mercaptoethanol, 40 % (v/v)  Glycerol, 100 mM Tris‐HCl, Orange G, pH 7.5    6 M Urea, 4 % (v/v) SDS, 125 mM Tris‐HCl     pH 6.8, 20 % (v/v) Glycerol    250 mM Tris‐HCl, 2 M Glycin, 1 % SDS, pH 8.4   0.5 M Tris‐HCl pH 6.8, 0.4 % SDS  

10x Ergänzungspuffer  Urea loading buffer (2x)  Laemmli running buffer (10x)  Stacking gel buffer  Separating gel buffer  Transfer buffer (20x)  TNE ‐T  Stripping buffer for western blots  Coomassie Blue staining solution  SDS gel fixation solution / Destain solution  DNA loading buffer (10x)     

1.5 M Tris‐HCl pH 8.8, 0.4 % SDS    12.5 mM Tris‐HCl, 100 mM Glycine, pH 8.3   10 mM Tris‐HCl, 2.5 mM EDTA, 50 mM NaCl,  0.1 % Tween 20, pH 7.5    62.5 mM Tris‐HCl pH 6.8, 2 % SDS, 100 mM     β‐Mercaptoethanol    2 g/L Coomassie Brilliant Blue R250 in  Coomassie Destain Solution    40 % Methanol, 10 % Acetic Acid    60 % Saccharose, 0.25 M EDTA,  Bromphenol‐blue         

- 22 -

Material and Methods TAE buffer (50x)  Affinity pulldown buffer  TNN lysis buffer  

RIPA lysis buffer 

Guanidinium lysis buffer 

HP buffer (cellular fractionation)   2x KE buffer (cellular fractionation)  Buffer Z (β‐gal assay)  ONPG  Luria Broth medium (LB) 

SOC medium  NMM medium 

S1 

S2 

2 M Tris‐HCl, 950 mM Acetic Acid, 50 mM  EDTA    20 mM TEA, 50 mM NaCl, 1 mM EDTA, 0,5 %  NP40, 10 % glycerol, pH 7.4    100 mM Tris‐HCl, 100 mM NaCl, 1 % NP‐40,      1 mM Pefabloc, 1 μg/mL Aprotinin/Leupeptin,  1 mM DTT, pH 8.0    25 mM Tris‐HCl, 50 mM NaCl, 0.5 %  NP40, 0.5% Deoxycholate, 0.1 % SDS, 1 mM  Pefabloc, 1 μg/mL Aprotinin/Leupeptin,         pH 8.8    100 mM Na2HP04/NaH2PO4,  6 M Guanidinium‐Hydrochloride, 10 mM  Imidazole, 10 mM β‐Mercaptoethanol, pH 8.0    10 mM HEPES‐NaOH, 20 mM NaCl, 10 mM  MgCl2, 0.5 mM ATP, pH 7.4    4 g Saccharose, 40 mM HEPES‐NaOH, 1 mM  MgCl2, 1 mM ATP, pH 7.4    100 mM NaH2PO4, 10 mM KCl, 1 mM MgS04,    50 mM β−Μercaptoethanol, pH 7.0    4 mg/mL in 100mM Na2HPO4, pH 7.0    10  g/L NaCl, 5g/L yeast extract  10g/L Bacto‐Tryptone, pH 7.5 (complemented  with 100 μg/mL ampicillin, 25 μg/mL  kanamycin or 170 μg/mL chloramphenicol  final concentrations)    20 g/L Tryptone, 5 g/L yeast Extract, 0.5 g/L  NaCl, 20 mM Glucose, pH 7    7.5 mM (NH4)2 SO4, 8.5 mM NaCl, 22 mM  KH2PO4, 50 mM K2HPO4, 1 mM MgSO4, 1 mg/L  CaCl2, 1 mg/L FeCl2, 1 μg/L CuCl2, 1 μg/L  MnCl2, 1μg/L ZnCl2, 20 mM Glucose, 10 mg/L  thiamine hydrochloride, 10 mg/L d‐biotin,      50 mg/L of all amino acids except methionine,  100 mg/mL ampicillin, pH 7.0  (+0.05 mM methionine or 0.5 mM  azidohomoalanine)    50 mM Tris‐HCl, 10 mM EDTA,  100 μg/mL RNaseA, pH 8.0    200 mM NaOH, 1 % SDS  

- 23 -

Material and Methods S3 

2.8 M KAc, pH 5.1  

T25N50 

25 mM Tris‐HCl, 50m M NaCl, pH 8.0   

Washing buffer (antibody purification) 

20 mM Tris‐HCl, 500mM NaCl, 0.2 % Triton‐X‐ 100, pH 7.5    150 mM NaCl, 200mM Glycin, pH 2.3 

Elution buffer (antibody purification) 

  2.1.2 Chemicals and Reagents  Name 

Company 

Amplifyer 

GE Healthcare 

Aprotinin/Leupeptin 

SIGMA 

Ammonium persulfate 

ROTH 

ATP 

SIGMA 

β‐Mercaptoethanol 

Merck 

BIO‐RAD protein assay 

BIORAD 

Cycloheximide 

SIGMA 

DAPI 

SIGMA 

DTT 

ROTH 

EDTA 

ROTH 

Ethidiumbromide 

ROTH 

Glutathione Sepharose 4B 

GE Healthcare 

Glycine 

ROTH 

Guanidinium Hydrochloride 

ROTH 

HA‐beads                                                 

SIGMA 

(monoclonal anti‐HA agarose conjugate)  HEPES (1M) 

Gibco 

Imidazole 

USB 

IPTG 

ROTH 

Lipofectamine 2000 

Invitrogen 

MG132 

SIGMA 

MgCl2 

ACROS organics 

Milk powder 

ROTH 

MLN4924 

Active Biochem 

Na2HPO4 

SIGMA 

NaH2PO4 

Merck 

- 24 -

Material and Methods Ni‐NTA‐Agarose 

Qiagen 

NP‐40 

MP Biomedicals 

NP‐40 for cellular fractionation 

Fluka 

ONPG 

SIGMA 

PBS 

Gibco 

PefaBloc 

Boehringer Ingelheim 

Protein A‐Sepharose 

GE Healthcare 

Q Sepharose Fast Flow 

GE Healthcare 

5x Roti Blue 

ROTH 

Rotiphorese Gel 30 

ROTH 

SDS 

ROTH 

Sepharose CL‐4B 

GE Healthcare 

SulfoLink Coupling Gel 

Pierce 

TEMED 

ROTH 

Triton‐X‐100 

ROTH 

Trizma Base (Tris) 

SIGMA 

TRIZOL Reagent 

Invitrogen 

Turbofect 

Fermentas 

Tween‐20 

ROTH 

Western Lightning ECL 

Perkin Elmer 

  2.1.3 Bacterial strains  E. coli DH5α:  F‐ endA1 glnV44 thi‐1 recA1 relA1 gyrA96 deoR nupG Φ80dlacZΔM15 Δ(lacZYA­argF)U169,  hsdR17(rK‐ mK+), λ–    E. coli BL21‐CodonPlus‐RIL competent cells:   B F– ompT hsdS(rB– mB–) dcm+ Tetr gal endA Hte [argU ileY leuW Camr] (Stratagene)    E. coli BL21 (DE3):  F– ompT gal dcm lon hsdSB(rB‐ mB‐) λ(DE3 [lacI lacUV5‐T7 gene 1 ind1 sam7 nin5])    E. coli B834 (DE3):  F‐ ompT hsdSB(rB‐ mB‐) gal dcm met (DE3)     E. coli XL10‐Gold:  Tetr D(mcrA)183 D(mcrCB­hsdSMR­mrr)173 endA1 supE44 thi­1 recA1 gyrA96 relA1 lac Hte [F¢  proAB lacI qZDM15 Tn10 (Tetr) Amy Camr] (Stratagene) 

 

    - 25 -

Material and Methods

2.1.4 Mammalian cell lines  H1299: non‐small cell lung carcinoma, p53‐/‐ ;   HEK293T: human embryonal kidney cells;   Cells  were  cultured  in  DMEM  (Gibco)  containing  10  %  FCS  (Gibco)  and  50  µg/mL  Normocin  (Invivogen) or Penicillin/Streptomycin (1:100, Gibco) on CellStar plates (Greiner). 

 

2.1.5 Antibodies  Primary antibodies  protein 

name 

species & type 

company 

dilution 

HA‐tag 

α HA 1.1 

mouse, 

Covance 

1:2500 

Qiagen 

1:1000 

Abcam 

1:1000 

Abgent 

1:100 (IF) 

monoclonal  6x His‐tag 

α His 

mouse,  monoclonal 

Myc‐tag 

α c‐Myc 9E10 

rabbit,  monoclonal 

Nce2 

α Nce2 C‐

rabbit, 

isoform 1 

term 

polyclonal 

Nce2 

α Nce2 

rabbit, 

University of 

1:200 (WB) 

isoform 2 

isoform 2 

polyclonal 

Konstanz 

1:50 (IF) 

NEDD8 

α NEDD8 

rabbit, 

Alexis 

1:1000 

Epitomics 

1:1000 

Abcam 

1:5000 

polyclonal  NEDD8 

α NEDD8 

rabbit,  monoclonal 

PCNA 

α PC10 

mouse,  monoclonal 

  Secondary Antibodies  name 

species 

company 

dilution 

HRP‐coupled α mouse 

goat 

Dianova 

1:20000 

HRP‐coupled α rabbit 

goat 

Dianova 

1:20000 

AlexaFluor568 α mouse 

donkey 

Invitrogen 

1:1000 

AlexaFluor488 α mouse 

goat 

Invitrogen 

1:1000 

   

  - 26 -

Material and Methods

2.1.6 Primers  Name 

Sequence 

AR28 

ggggatccttacccacctctgagacggag 

AR31 

ggcagggatccttatcctcctctaagagccaacaccaggtg 

AR64 

gcggtcgacttatttcaggcagcgctc

AR84 

gtcggatccatgctaacgctagcaagtaaactg

AR89 

gtccatatgctaacgctagcaagtaaactg 

AR95 

cacctcgagtcatctggcataacgtttgat 

AR109 

cccggatcctcagtgatggtgatggtgatgtctggcataacgtttgatgtagt 

AR111 

gacaggggaaatatCtctgagtttattgag 

AR112 

ctcaataaactcagagatatttcccctgtc

AR113 

gacaggggaaataGCtctgagtttattgag 

AR114 

ctcaataaactcagagctatttcccctgtc 

AR121 

gtcggatccatgactcggagggtttctgtgagag 

AR130 

GagatatacatATGcatcaccatcaccatcacatgctaattaaagtgaagacg 

AR131 

GagatatacatATGcatcaccatcaccatcacATGCAGATCTTCGTCAAGACC 

AR190 

ggcGGATCCatgctaattaaagtgaagacg 

DP7 

CAAGATCTGGCACCCCGCCATCACAGAGACAGG 

DP8 

CCTGTCTCTGTGATGGCGGGGTGCCAGATCTTG

DP9 

CAATGGTCTATCACCCCGCCATTGACCTCGAGGGC 

DP10 

GCCCTCGAGGTCAATGGCGGGGTGATAGACCATTG 

DP24 

TAACGCTAGCAAGTAGACTGAGGCGTGACGATGGTCT

DP25 

AGACCATCGTCACGCCTCAGTCTACTTGCTAGCGTTA

DP26 

ATGATCAGGCTGTTCTCGCTGAGGCAGCAGAGGAAGGAGGAGGAGTC 

DP27 

GACTCCTCCTCCTTCCTCTGCTGCCTCAGCGAGAACAGCCTGATCAT 

DP28 

GGCAGATCTATGCTAATTAAAGTGAAGACGC 

DP31 

TTGGCTCTGAGAGGAGTAATGATCAAGCTGTTCTCG 

DP32 

CGAGAACAGCTTGATCATTACTCCTCTCAGAGCCAA 

DP46 

GTCGGATCCATGCTAACGCTAGCAAGTAG 

DP59 

CTTTTGCACTGAGGTTCCTGAACTTCTTTAC 

DP60 

GTAAAGAAGTTCAGGAACCTCAGTGCAAAAG 

DP68 

GACTTGTCCCGCAAATGATG 

DP69 

CATCATTTGCGGGACAAGTCCCCAATGCTGTTACTCCACAGGAG 

DP70 

CATCCACTTTATTCCGGAAGTCCTCCTGTGGAGTAACAGCATT 

DP71 

GACTTCCGGAATAAAGTGGATGACTACATCAAACGTTATGCCAG 

- 27 -

Material and Methods Name 

Sequence 

DP72 

CTGCAATCGTCCCCTTTTATTATCTGGCATAACGTTTGATGTAGT 

DP73 

ATAATAAAAGGGGACGATTGCAGGCCCATGGACTGTGTTACA 

DP74 

AACTCGAGTCATGTTAGAGACAAACTGTAACACAGTCCATGGGC 

DP75 

CCGGATCCTCAGTGATGGTGATGGTGATGTGTTAGAGACAAACTGTAACAC 

DP76 

GGCCTCGAGTTATCTTAGTCTTAAGACAAG 

DP77 

CTGTGGAGTAACAGCATTGG 

 

2.1.7 Plasmids constructed and used in this study  Name  Dana1  Dana4  Dana7  Dana19    Dana20 

Insert  His‐NEDD8  His‐Ubiquitin  Nce2 wt‐His  His‐Nce2 N108A 

pET3a pET3a pET3a pET3a

Vector 

His‐Ubc12 N103A

pET3a

Dana45 

Ubc12 K3R/K8R/K11R

pcDNA 3HA

Dana46 

pET3a

Dana48 

Ubc12 K3R/K8R/K11R‐ His  Nce2 K7R/K9R 

pcDNA 3HA

Dana49 

Nce2 K7R/K9R‐His

pET3a

Dana51 

pcDNA 3HA

Dana54 

Fusion Nedd8 G76V ‐ Ubc12  Fusion Nedd8 G76V ‐ Nce2

Dana77 

His‐PCNA Y211F 

Dana95 

His‐Nedd8 M50A G76M  (for click reaction) 

Dana97 

HA‐ Nce2 isoform 2

pcDNA3HA

Dana98  Dana104  Dana105 

Nce2 isoform 2‐His ΔN26 Nce2 isoform2 Nce2 isoform2 C116S

pET3a pcDNA3HA pcDNA3HA

Dana106 

Nce2 isoform2 C116A

pcDNA3HA

Dana107 

Nce2 isoform 2 C116S‐His

pET3a

Dana108 

Nce2 isoform 2 C111A‐His

pET3a

pcDNA 3HA pcDNA  3.1/Genestorm  pGDR11 

- 28 -

Primers  AR130/AR31  AR131/AR28  AR89/AR109  Mutagenesis  (DP7/DP8)  Mutagenesis  (DP9/DP10)  Mutagenesis                  (DP 26/DP27)  Mutagenesis                      (DP 26/DP27)  DP46/AR95                 (from Dana52)  Mutagenesis  (DP24/DP25)  DP31/DP32  DP28/AR64  AR190/AR95                 (from Dana‐58)  Mutagenesis  DP59/DP60  subcloned from pMA‐T  (Geneart)  EcoRI/BamHI  subcloned from  Dana99 (pGEX2TK‐ Nce2 isoform2)   BamHI/XhoI  AR89/DP75  AR121/DP74  Mutagenesis  AR111/AR112  Mutagenesis  AR113/AR114  Mutagenesis  AR111/AR112  Mutagenesis  AR113/AR114 

Material and Methods

2.1.8 Other plasmids used in this study  Name  ARF41  ARF56  ARF123  ARF129  ARF134  ARF135  ARF136  ARF137  ARF139  ARF140  ARF144  ARF145  ARF162  ARF175  ARF181  β‐gal  Click NEDD8 

Insert  NEDD8  Ubc12 ΔN26‐His Nce2 wt Nce2 C116A Ubc12 wt Ubc12 C111S Ubc12 C111A Ubc12 ΔN26 Nce2 C116S Nce2 ΔN26‐His Ubc12‐His UbcH5b‐His Nce2 ΔN26 Nce2  Ubc12  β‐galactosidase His‐NEDD8 M50A  G76M   His‐Ubiquitin  G76M 

Vector  pcDNA3HA pET3a pcDNA3HA pcDNA3HA pcDNA3HA pcDNA3HA pcDNA3HA pcDNA3HA pcDNA3HA pET3a pET3a pET3a pcDNA3HA pcDNA4TOmycHisB pcDNA4TOmycHisB pRcCMV pMA‐T

GST  GST‐NEDD8  GST‐Ubiquitin  HA‐Ubiquitin  His‐Nedp1 

‐  NEDD8  Ubiquitin  Ubiquitin Nedp1 

pGEX2TK pGEX2TK pGEX2TK pcDNA3HA pcDNA3.1/V5‐His

His‐SUMO1  His‐Ub  Myc‐Rad18 

His‐SUMO1 His‐myc‐ubiquitin Myc‐Rad18  (human) 

pSG5.0‐Spl pcDNA3.1 pCAGGS

N31,N32 

His‐NEDD8

PCNA for click reaction

pSG5.0‐Spl   pET11a

(164TAG)PCNA  (yeast),   tRNA (M. barkeri)  PCNA‐SV5‐His pcDNA3.1 Genestorm (human)  PCNA K164R‐ pcDNA3.1 Genestorm SV5‐His (human) 

Click Ubiquitin 

PCNA‐SV5‐His wt  PCNA K164R‐SV5‐His  pGSTHsAPPBP1rbsUBA3  PylS  pRcCMV 

pGDR11

GST‐ APPBP1/UBA3  Pyrrolysine  Synthetase 

pGST

‐ 

pRcCMV

pRSFDuet  (Kanamycin) 

  - 29 -

Reference  M. Scheffner  M. Scheffner  M. Scheffner  M. Scheffner  M. Scheffner  M. Scheffner  M. Scheffner  M. Scheffner  M. Scheffner  M. Scheffner  M. Scheffner  M. Scheffner  M. Scheffner  M. Scheffner  M. Scheffner  M. Scheffner  ordered from Geneart  (Invitrogen)  S. Eger (AG Marx,  University of  Konstanz)  GE Healthcare  M. Scheffner  M. Scheffner  M. Scheffner  R. Hay (SCILLS,  University of Dundee)  M. Scheffner  M. Scheffner  Satoshi Tateishi  (Kumamoto  University, Japan)  M. Scheffner  M. Rubini (AG Marx,  University of  Konstanz)  S. Jentsch   (MPI,Martinsried)  S. Jentsch  (MPI,Martinsried)    (Huang and Schulman,  2005)  M. Rubini (AG Marx,  University of  Konstanz)  Invitrogen 

Material and Methods

2.1.9 DNA‐ and protein markers  ‐GeneRulerTM 1kb Plus DNA Ladder (MBI Fermentas):   20000, 10000, 7000, 5000, 4000, 3000, 2000, 1500, 1000, 700, 400, 300, 200, 75 [bp]  ‐ PageRulerTM Prestained Protein Ladder (MBI Fermentas):   170, 130, 95, 72, 55, 43, 34, 26, 17, 10 [kDa]   ‐ PageRulerTM Unstained Protein Ladder (MBI Fermentas):   200, 150, 120, 100, 85, 70, 60, 50, 40, 30, 25, 20, 15, 10 [kDa] 

  2.2 Methods  2.2.1 PCR and cloning  2.2.1.1 Polymerase chain reaction (PCR)  For cloning, Phusion Hot Start II High Fidelity DNA Polymerase (Finnzymes) was used according  to manufacturer´s instructions. For colony PCR, Taq polymerase (AG Scheffner) and Thermo Pol  10x buffer (New England Biolabs) were employed. 10 µM primers and 0.2 mM of all dNTPs were  used for each reaction.     2.2.1.2 Gene synthesis  To  synthesize  cDNA  of  the  specific  part  of  Nce2  Isoform2,  3  µl  of  primers  DP69‐DP74  (10  µM  each)  were  pooled  and  1  µl  of  the  oligo  pool  was  used  for  touch  down  PCR  (7  cycles  starting  from  60  °C  annealing  temperature  decreasing  to  57.9  °C;  3  cycles  with  57.9  °C)  with  Phusion  polymerase  (Finnzymes).  For  gene  synthesis  PCR,  1  µl  of  the  assembly  PCR  was  applied  as  template  and  DP69  and  DP74  as  primers  (27  cycles  touch  down  PCR  starting  from  60  °C  annealing temperature and decreasing in 0.3 °C steps each cycle; 3 cycles with 52 °C annealing  temperature). In a PCR using AR84 and DP74, the obtained product was fused to the unspecific  part of Nce2 which was amplified before with primers AR84 and DP68.    2.2.1.3 Site directed mutagenesis  Point  mutations  were  introduced  using  QuickChange  Site‐Directed  Mutagenesis  (Stratagene)  according  to  manufacturer´s  instructions.  Complementary  primers  containing  mutations  were  used for performing PCR. 10 µl of PCR product were digested with DpnI (NEB) and one fifth of  the digest was transformed into supercompetent XL10 gold E. coli cells.       

- 30 -

Material and Methods 2.2.1.4   Restriction digest  All restriction enzymes were obtained from NEB and incubated with DNA in the recommended  buffer in a volume of 50 µl for 2 h at 37 °C. Vectors cut with only one enzyme were additionally  treated for 1 h with 1 µl Antarctic Phosphatase (NEB) in the appropriate buffer. Before ligation,  DNA was purified using NucleoSpin Extract II kit (Clontech).    2.2.1.5   Agarose gel electrophoresis  To  prepare  1  %  or  2  %  (w/v)  agarose  gels,  agarose  was  boiled  in  TAE  buffer.  Subsequently,  ethidium  bromide  (ROTH)  was  added  to  a  final  concentration  of  0.5  µg/mL.  Gels  were  submerged  in  TAE  buffer  in  a  horizontal  gel  electrophoresis  chamber  and  run  at  3  V/cm.  Agarose  gels  were  analyzed  with  a  UV  transilluminator  and  photographed  using  the  LAS‐3000  imaging system (Fujifilm).    2.2.1.6   Purification of DNA from agarose gels  After gel electrophoresis, desired DNA fragments were excised from the agarose gel under a UV  transilluminator and purified using NucleoSpin Extract II kit (Clontech).    2.2.1.7   Ligation   Purified vector and insert were ligated using T4 ligase and either 5x rapid ligation buffer or 10x  ligation  buffer  (Fermentas).  The  whole  reaction  was  transformed  into  supercompetent  E.  coli  XL10 gold cells.    2.2.1.8   Transformation of DNA into chemical competent E. coli  Plasmid  DNA  (whole  ligation  reaction  or  100  ng  of  purified  DNA)  was  mixed  with  100  µl  chemical  competent  bacteria  and  incubated  on  ice  for  30  min.  After  a  heat  shock  for  45  sec  at    42 °C, cells were cooled down for 10 min on ice. Transformants containing Ampicillin resistance  were directly plated on LB agar plates. Transformants carrying Chloramphenicol, Kanamycin or  Zeocin  resistance  were  incubated  for  1  h  in  SOC  medium  at  37  °C  to  allow  expression  of  the  resistance genes. After plating, selection plates were incubated over night at 37 °C.     2.2.1.9   Preparation of DNA in low and high scale  Small scale plasmid purification was performed using alkaline lysis (Birnboim and Doly, 1979).  Preparation of higher amounts of DNA was carried out using 100 mL overnight culture and  PureYield Plasmid Midiprep System (Promega).       

- 31 -

Material and Methods 2.2.1.10   Measurement of DNA and RNA concentrations  DNA  and  RNA  concentration  was  measured  using  a  nanophotometer  (NorthStar  Scientific)  according to manufacturer’s instructions.    2.2.1.11 DNA sequencing  All sequencing reactions were performed by GATC (Konstanz/Köln). 

  2.2.2 Maintenance of bacterial cultures and mammalian cell lines  2.2.2.1   Bacterial cultivation and preparation of glycerol stocks     Glycerol stocks of BL21 RIL bacteria containing plasmids for protein expression were prepared  by  mixing  600  µl  sterile  glycerol  and  1.4  mL  overnight  culture.  Cryovials  containing  glycerol  stocks were stored at ‐80 °C.    2.2.2.2   Maintenance of mammalian cell lines  Mammalian cells were kept in the Heraeus CO2 incubator BBD 6220 (Thermo Fisher Scientific)  at  37  °C,  95  %  humidity  and  5  %  CO2.  All  cell  lines  were  cultured  with  DMEM  (Gibco)  supplemented  with  10  %  FCS  (v/v)  (Gibco)  and  50  µg/mL  Normocin  (Invivogen)  or  Penicillin/Streptomycin (1:100, Gibco).   To split cells, 90 % confluent dishes were washed with PBS and trypsinized with 0.05 % trypsin‐ EDTA  (Gibco).  After  a  short  incubation  at  37  °C,  detached  cells  were  collected  with  DMEM  containing 10 % FCS to stop the trypsin reaction, and transferred into a Falcon tube. Cells were  spun down at 1000 rpm for 1 min. The obtained cell pellet was resuspended and distributed in  new dishes according to requirements.     2.2.2.3   Freezing of cells in liquid nitrogen   90  %  confluent  cells  were  trypsinized  and  collected  by  centrifugation.  The  cell  pellet  was  resuspended in 1 mL FCS containing 10 % DMSO (v/v) and transferred into a cryovial. The vial  was kept in the freezing container Cryo 1°C (Nalgene) at ‐80 °C overnight and finally stored in  liquid nitrogen. 

  2.2.3. Protein expression and ‐purification  2.2.3.1   Expression and purification of GST­fusion proteins in E. coli  A  distinct  volume  of  LB  medium  containing  100  mg/mL  ampicillin  and  170  µg/mL  chloramphenicol was inoculated with bacteria from a LB agar plate or a glycerol stock and kept  overnight  at  37  °C  and  200  rpm.  The  overnight  culture  was  diluted  to  OD600nm=0.1  the  next 

- 32 -

Material and Methods morning. After growing to an OD600nm=0.6‐0.8, protein expression was induced by the addition of  IPTG to  a final concentration of 0.4  mM.  The  bacterial culture  was incubated  at  37  °C and 200  rpm  for  4‐6  h  and  then  centrifuged  at  5000  rpm  for  15  min.  The  obtained  pellet  was  resuspended with PBS/1 % Triton‐X‐100 (v/v). Bacterial lysate was then sonicated 2x with 40  pulses (duty cycle: 30‐40 %, output control: 3‐4) using BRANSON sonifier 250 and centrifuged at  13000 rpm for 15 min. Supernatant was transferred into a fresh tube and incubated with 200 µl  Glutathione  Sepharose  4B  (GE  Healthcare)  in  PBS/1  %  Triton‐X‐100  per  200  mL  diluted  overnight culture for 2 h at 4 °C. Beads were washed three times with 5 mL PBS/1 % Triton‐X‐ 100 and once with T25N50. Proteins were eluted from the beads using 10 mM Glutathione in 50  mM Tris‐HCl pH 8 or used bound to beads for GST‐pulldown (2.2.5.2).  GST‐APPBP1/UBA3 was prepared according to (Huang and Schulman, 2005).    2.2.3.2   Expression and purification of His­tagged proteins in E. coli  Bacterial lysate containing the desired protein was prepared as described in 2.2.3.1. Lysate was  incubated with 10 mM Imidazole and 100 µl Ni‐NTA‐Agarose (Qiagen) in PBS/1 % Triton‐X‐100  per  200  mL  diluted  overnight  culture  for  4  h  or  overnight  at  4  °C.  Beads  were  washed  three  times  with  5  mL  PBS/1  %  Triton‐X‐100  containing  20  mM  Imidazole  and  once  with  T25N50.  Elution was performed with 300 mM Imidazole in T25N50.    2.2.3.3   Expression and purification of NEDD8 and Ubiquitin for click reactions  Methionine  auxotrophic  E.  coli  B834  (DE3)  containing  His‐Ubiquitin  G76M  in  pGDR11  were  kindly provided by Silvia Eger (AG Marx, University of Konstanz). His‐NEDD8 M50A G76M was  cloned  into  pGDR11  and  transformed  into  chemical  competent  methionine  auxotrophic  E.  coli  B834  (DE3)  provided  by  AG  Marx,  University  of  Konstanz.  To  express  His‐Ubiquitin  or  His‐ NEDD8,  10  mL  LB  medium  containing  100  mg/mL  ampicillin  were  inoculated  with  the  respective  bacteria  and  incubated  overnight.  500  µl  overnight  culture  were  added  to  500  mL  new  minimal  media  (NMM)  containing  0.4  mM  methionine  and  grown  to  an  OD600nm  of  0.8.  Medium  was  then  changed  to  NMM  with  0.5  mM  azidohomoalanine  (provided  by  AG  Marx,  University  of  Konstanz).  After  30  min,  protein  expression  was  induced  with  1  mM  IPTG.  After  growing for 4‐6 h, bacteria were centrifuged and the pellet was stored at ‐80 °C until further use.   His‐Ubiquitin  G76M  (Aha)  and  His‐NEDD8  M50A  G76M  (Aha)  were  purified  as  described  in  2.2.3.2  and  dialyzed  using  Slide‐A‐Lyzer  MINI  Dialysis  Devices  (3.5  MWCO)  to  exchange  the  buffer to 20 mM Tris‐HCl (pH 7.5), 20 mM NaCl, 5 % glycerol.    2.2.3.4   Expression and purification of PCNA for click reaction  Plasmids  containing  tRNA  synthetase  PylS,  pyrrolysine  tRNA  and  (164TAG)  PCNA  were  kindly  provided  by  Marina  Rubini  (AG  Marx,  University  of  Konstanz).  After  co‐transformation  of  the 

- 33 -

Material and Methods plasmids  into  E.  coli  BL21  (DE3),  several  colonies  were  tested  for  expression  of  PylS  and  truncated PCNA. The colony with the best expression was used to create a glycerol stock.  10 mL LB medium containing 10 mg/mL ampicillin and 25 µg/mL kanamycin were inoculated  with the before mentioned glycerol stock and incubated at 37 °C and 200 rpm overnight. Cells  were diluted 1:100 the next morning and at OD600nm= 0.3, Plk (provided by AG Marx, University  of Konstanz) was added to a final concentration of 1 mM. Protein expression was induced with    1 mM IPTG at OD600nm= 0.8. After 6 h, cells were harvested by centrifugation.  The pellet was resuspended in lysis buffer (50 mM Tris‐HCl, 1 mM EDTA, 0.2 mg/mL lysozyme,   1 µg/mL aprotinin, 1 µg/mL leupeptin, 1 mM PefaBlock, 5 % glycerol, pH 7.5) and incubated on  ice for 30 min. Afterwards, 0.02 % IGEPAL was added and the lysate was sonicated 2x 40 pulses  (duty cycle: 30‐40 %, output control: 3‐4) using BRANSON sonifier 250.  After  centrifugation  (13000  rpm,  15  min),  150  mM  ammonium  sulfate  and  polyethyleneimine  (400 µl 5 % PEI for 10 mL lysate) were added to the supernatant and stirred for 10 min at room  temperature.  In  a  next  step,  lysate  was  centrifuged  at  15000  rpm  for  40  min.  Additional  ammonium  sulfate  (0,23  g/mL)  was  added  to  the  supernatant,  stirred  for  1  h  at  room  temperature and then centrifuged at 15000 rpm for 30 min. The same procedure was repeated  with 0,24 g/mL ammonium sulfate and the obtained pellet was resuspended in buffer A (20 mM  Tris/HCl;  20  mM  NaCl;  1  mM  EDTA;  1  mM  DTT;  5  %  glycerol,  pH  7.5).  The  protein  was  the  loaded  on  a  Q  sepharose  column  (3  mL  beads/1L  culture)  (Q  sepharose  Fast  Flow,  GE  Healthcare) and eluted with a NaCl gradient in buffer A from 100 mM‐1 M NaCl (elution of PCNA  at  300‐500  mM).  Fractions  containing  pure  protein  were  pooled  and  dialyzed  (Spectra/Por  MWCO 6‐8kDa, 14.6 mm, Serva) against buffer A containing 0.5 mM EDTA.    2.2.3.5 In vitro translation  In  vitro  translation  was  performed  using  TNT  coupled  Reticulocyte  Lysate  System  (Promega)  and S35‐labeled methionine (Perkin Elmer) according to manufacturer´s instructions. 

  2.2.4 Protein analysis   2.2.4.1   Bradford assay  Bio‐Rad  Protein  Assay  (Bio‐Rad)  was  used  to  normalize  total  protein  amounts  according  to  manufacturer´s  instructions.  200  µl  Bradford  reagent  were  mixed  with  1  µl  cell  lysate  and  absorption was measured at 595 nm using a micro plate reader (Wallac 1420 VICTOR Multilabel  Plate Reader).        

- 34 -

Material and Methods 2.2.4.2   SDS­polyacrylamide gel electrophoresis (SDS­PAGE)  SDS‐PAGE was performed according to the protocol of (Laemmli, 1970). Dependent on the size  of  proteins,  12.5  %,  15  %  or  5‐15  %  (gradient  gels)  final  concentration  of  acrylamide  in  separating  gels  was  used.  For  cellular  assays,  protein  amounts  were  equalized  either  by  β‐ galactosidase or Bradford assay. Samples were incubated with 5x or 2x loading buffer (reducing  conditions)  for  5  min  at  95  °C  or  2x  Urea  buffer  (non‐reducing  conditions)  for  15  min  at  RT.  Electrophoresis was performed at a constant current of 50 mA (or 25 mA for thioester assays).  Gels were analyzed by Coomassie blue staining, western blot or fluorography.    2.2.4.3   Coomassie Blue and colloidal Coomassie staining  After  SDS‐PAGE,  gels  were  stained  with  Coomassie  for  15  min  at  room  temperature  and  destained with destain solution for several hours. For Colloidal Coomassie staining, 5x Roti‐Blue  (ROTH) was used according to manufacturer´s manual.    2.2.4.4   Fluorography  To detect S35‐labeled proteins, gels were fixed for 15‐30 min in 40 % methanol and 10 % acetic  acid.  Signals  were  enhanced  by  incubating  gels  for  15‐30  min  in  Amplify  (Amersham  Biosciences). After drying for 2 h at 80 °C, gels were applied to an Imaging plate BASIIIs (Fuji)  and signals were detected using BASReader (Raytest).    2.2.4.5   Western Blot  Protein  samples  were  separated  by  SDS‐PAGE  and  gels  were  equilibrated  in  transfer  buffer.  PVDF  membrane  (Millipore)  was  activated  in  methanol  and  consecutively  washed  in  transfer  buffer.  Western  blotting  was  performed  in  a  wet  transfer  apparatus  (BIO‐RAD)  for  90  min  at      60  V.  Afterwards,  membranes  were  incubated  in  5  %  milk  (w/v)  in  TNE‐T  for  30  min  and  washed with TNE‐T two  times  for 10 min. After incubation with the primary  antibody for  1 h,  membranes  were  washed  three  times  for  10  min.  Secondary  antibody  coupled  to  horse  radish  peroxidase was applied for 45 min. Blots were washed three times and developed using Western  Lightning‐Plus ECL (Perkin Elmer) in the imaging system LAS‐3000 (Fujifilm).  When  necessary,  blots  were  stripped  using  stripping  buffer  for  30  min  at  room  temperature.  Afterwards,  blots  were  washed  several  times  with  TNE‐T,  blocked  again  and  incubated  with  another antibody. 

      - 35 -

Material and Methods

2.2.5 In vitro assays  2.2.5.1   Methanol­Chloroform precipitation of proteins  Proteins  were  precipitated  according  to  (Wessel  and  Flugge,  1984).  The  protein  solution  was  mixed  with  the  same  volume  Methanol:  Chloroform  (4:1)  by  vortexing.  After  centrifugation  at  13200 rpm for 5 min at room temperature, supernatant was removed and Methanol was added  (same  volume  as  before  with  Methanol  and  Chloroform).  The  mixture  was  vortexed  and  centrifuged  again.  Supernatant  was  completely  removed  and  the  protein  pellet  was  dried  in  a  water  bath  at  55  °C.  Afterwards,  the  pellet  was  resuspended  in  2  %  SDS  and  10x  Ergänzungspuffer was added. Proteins were boiled and separated using SDS‐PAGE.    2.2.5.2   GST­pulldown assay  GST  or  GST‐APPBP1/UBA3  were  expressed  and  bound  to  beads  as  described  in  2.2.3.1.  C‐ terminally  His‐tagged  E2s  were  purified  according  to  2.2.3.2.  GST‐protein  coupled  GSH‐beads  were  incubated  with  unmodified  or  autoNEDDylated  E2s  (2.2.5.4;  stopped  for  15  min  with  10  mM EDTA) in T25N50 containing BSA for at least 4 h at 4 °C. Afterwards, beads were washed 5x  with  T25N50  and  boiled  with  2x  Laemmli  loading  buffer.  Inputs  for  His‐tagged  proteins  and  pulled‐down proteins were detected via western blot using α His‐antibody. Input gels for GST‐ proteins were subjected to Coomassie staining.   GST, GST‐ubiquitin and GST‐NEDD8 were expressed and bound to beads as described in 2.2.3.1.  Beads were incubated with bacterially expressed His‐PCNA (purified according to 2.2.3.2). GST‐ protein coupled GSH‐beads were incubated with His‐PCNA in T25N50 containing BSA for 4 h at  4  °C.  Afterwards,  beads  were  washed  5x  with  T25N50  and  boiled  with  2x  Laemmli  loading  buffer. Inputs for His‐tagged proteins and pulled‐down proteins were detected via western blot  using α His‐antibody. Input gels for GST‐proteins were subjected to Coomassie staining.     2.2.5.3   Affinity chromatography  Bacterially  expressed  His‐NEDD8,  His‐ubiquitin  or  BSA  were  coupled  to  activated  NHS‐ Sepharose (Hi‐Trap NHS‐activated HP, GE Healthcare) according to manufacturer´s instructions.  Columns were afterwards equilibrated with affinity pulldown buffer and blocked with 5 mg/mL  BSA for 2 h at 4 °C.  Cell lysate was prepared from thirty 15 cm plates HEK293T cells per pulldown. Cells were lysed  in affinity pulldown buffer (500 µl / plate), sonicated and centrifuged for 1 h at 20000 rpm and        4 °C. Lysate was precleared with Sepharose beads (Sepharose CL‐4B, GE Healthcare) for 3 h at        4 °C.  Cell  lysate  was  applied  to  the  affinity  columns  (flow  ~0.5  mL/min)  over  night.  After  this,  columns were washed using 20 mL affinity pulldown buffer and proteins were eluted with 3 mL 

- 36 -

Material and Methods affinity  pulldown  buffer  including  400  mM  NaCl,  1  M  NaCl  and  6  M  Urea.  Elutions  were  precipitated using Methanol/Chloroform and resuspended in 2 % SDS. To load the samples on a  SDS gel, 10x Ergänzungspuffer was added. Finally, SDS‐PAGE was performed using a 5 % ‐ 15 %  gradient  gel  and  proteins  were  stained  with  Colloidal  Coomassie  (Roti  Blue,  ROTH).  Protein  bands  of  the  1M  NaCl  elution  were  excised  and  further  examined  by  the  mass  spectrometry  facility  of  the  University  of  Konstanz.  Upon  tryptic  digest,  samples  were  measured  on  an  LTQ  Orbitrap using LC‐MS/MS (LTQ Orbitrap Discovery with Eksigent 2D‐nano HPLC, Thermo).    2.2.5.4   In vitro NEDDylation assay  His‐NEDD8, GST‐APPBP1/UBA3 and Ubc12‐His or Nce2‐His were expressed in bacteria (2.2.3.1.  and  2.2.3.2).  HA‐tagged  E2s  or  NEDD8‐E2  fusions  and  Nce2  isoform2‐His  were  in  vitro  translated (2.2.3.5). Proteins were mixed and incubated in T25N50 containing 1 mM DTT, 2 mM  MgCl2 and 2 mM ATP. After incubation for 2 h at 30 °C (ubiquitination) or 35 °C (NEDDylation),  5x  Laemmli  loading  buffer  was  added  and  samples  were  heated  for  5  min  at  95  °C  prior  to  loading.    2.2.5.5   Thioester assay  Bacterially  expressed  His‐NEDD8  or  GST‐NEDD8,  GST‐Ubiquitin,  GST‐APPBP1/UBA3,  Ubc12‐ His, Nce2‐His, UbcH5b‐His, in vitro translated Nce2 Isoform2‐His, baculovirally expressed UBA1  and  Ubiquitin  (SIGMA)  were  used  for  thioester  assays.  Proteins  were  mixed  and  incubated  in  T25N50 under thioester conditions (1.2 mM DTT, 6.25 mM MgCl2, 3.75 mM ATP) for 30 sec to      2 min. Samples were divided and 2x Urea sample buffer or 2x Laemmli buffer was added. Only  samples containing Laemmli buffer were boiled prior to loading.    2.2.5.6   Cu(I)­catalyzed Huisgen azide­alkyne cycloaddition  His‐Ub(Aha) or His‐NEDD8(Aha) and PCNA(Plk) in 20 mM Tris‐HCl (pH 7.5), 20 mM NaCl, 5 %  glycerol  (and  0.5  mM  EDTA  for  PCNA)  were  mixed  with  1  mM  TCEP,  10  µM  TBTA  and  1  mM  CuSO4. Reaction vessels were flushed with argon to prevent Cu‐induced protein oxidation (Eger  et al., 2011). After incubation at room temperature for 1 h the reaction was stopped by addition  of 5x Laemmli loading buffer.     2.2.5.7   Transient transfection   For transient transfection, H1299 cells were transfected with Lipofectamine 2000 (Invitrogen)  and HEK293T cells with Turbofect (Fermentas) according to manufacturer´s instructions and a  ratio of transfection reagent:DNA of 2 µl:1 µg.     

- 37 -

Material and Methods 2.2.5.8   TNN cell lysis and ß­galactosidase assay  Cell pellets were lysed in TNN lysis buffer containing 1 mM DTT, 1 µg/mL aprotinin, 1 µg/mL  leupeptin and 1 mM PefaBlock in a volume dependent on the size of the pellet (30 ‐ 100 µl) (for  lysis procedure, see 2.2.5.4). 3 ‐ 5 µl lysate were pipetted into a 96 well plate and mixed with 120  µl buffer Z and 5 µl ONPG. The plate was incubated at 37 °C and absorbance was measured at  405 nm in a micro plate reader (Wallac 1420 VICTOR Multilabel Plate Reader).    2.2.5.9 Immunoprecipitation   For  immunoprecipitation  of  HA‐tagged  NEDD8  E2  enzymes  from  cytosolic  fractions  (2.2.5.11),  20 µl HA‐beads were added to 2 mL of H1299 lysate and incubated for 4 h at 4 °C. Afterwards,  beads were washed 4x with 1 mL HP buffer. Proteins were eluted by boiling in 30 µl 2x Laemmli  loading buffer.   For  immunoprecipitation  of  endogenously  NEDDylated  Ubc12,  one  well  of  a  6  well  plate  untransfected  or  transfected  HEK293T  cells  (HA‐Ubc12;  Turbofect)  was  treated  with  DMSO  or    1 µM MLN4924 for 3 h. Cells were lysed according to 2.2.5.11 to obtain cytosolic fractions and  the lysate was incubated with 1 µl α NEDD8‐antibody (Epitomics) for 1 h at 4 °C. Afterwards, 30  µl protein A‐sepharose beads were added and incubated for 4 h at 4 °C. Beads were then washed  4x with 1 mL HP buffer and boiled with 30 µl 2x Laemmli loading buffer.   To immunoprecipitate PCNA, H1299 cells were divided in a Triton‐soluble and a triton‐insoluble  fraction  according  to  (Kannouche  et  al.,  2004).  Lysates  (1  mL  each;  2  %  used  as  input)  were  precleared  for  1  h  using  30  µl  protein  A‐sepharose  beads.  Thereafter,  1  µg  α  PCNA‐antibody  (PC10,  Abcam)  and  50  µl  protein  A‐sepharose  beads  were  added  to  the  supernatant  and  incubated for 4 h at 4 °C. Beads were washed 3x with 1 mL of the respective buffer used for lysis  and boiled in 2x Laemmli loading buffer.  HA‐IP  and  Nce2‐isoform  2‐IP  were  conducted  as  follows:  two  10  cm  plates  of  HEK293T  cells  (untransfected, transfected with 4 µg HA‐Nce2 isoform 1 or 8 µg isoform 2 each) were lysed in    1 mL TNN each. 2 % of the lysate were used as input. 1 mL lysate was incubated with either 2 µl  α  HA‐antibody  (α  HA  1.1,  Covance)  or  10  µl  α  Nce2  isoform  2‐antibody  (TFA,  University  of  Konstanz; purified (2.2.5.14)) for 1 h at 4 °C. Afterwards, 50 µl Protein A‐sepharose beads were  added  and  mixture  was  incubated  for  4  h  at  4  °C.  IPs  were  washed  5x  with  1  mL  TNN  and  proteins were eluted with boiling in 50 µl 2x Laemmli loading buffer.    2.2.5.10 Cycloheximide chase  HA‐Nce2  isoform1  and  HA‐Nce2  isoform2  constructs  were  transfected  in  H1299  cells  (6  cm  dishes). After 4 h, cells were trypsinized and seed onto a 6 well plate. At the next day, cells were  treated with 60 µg/mL cycloheximide for 0 h, 1 h, 2 h and 4 h or for 4 h with cycloheximide and  10 µM MG132, harvested and lysed in TNN buffer. 

- 38 -

Material and Methods 2.2.5.11 Cellular fractionation  To divide cellular proteins in a cytosolic and several nuclear fractions, cell pellets (10 cm dish)  were  resuspended  in  2.5  mL  HP  buffer.  After  15  min  incubation on ice, cells were dounced 50  times. 125 µl of this lysate were mixed with 50 µl 10 % SDS as input sample. In a next step, the  lysate was centrifuged at 600 g for 5 min at 4 °C. The supernatant now contained only cytosolic  proteins. The pellet was resuspended again in 2.5 mL HP buffer containing 10 % NP40 (Fluka).  After 15 min swelling on ice, lysate was centrifuged at 1000 rpm for 5 min at 4 °C. Supernatant  contains  soluble  nucleosolic  proteins.  The  pellet  was  resuspended  in  1x  KE  buffer  containing      50  mM  NaCl,  incubated  on  ice  for  15  min  and  centrifuged  again.  To  obtain  different  nuclear  fractions, this procedure was repeated using 200 mM, 350 mM and 450 mM NaCl. The remaining  pellet  was  then  resuspended  in  2.5  mL  2  %  SDS  and  sonicated  with  20  pulses  (duty  cycle:           30‐40 %, output control: 3‐4) using BRANSON sonifier  250. Input and 250 µl of every fraction  were precipitated with Methanol and Chloroform (2.2.5.1).    2.2.5.12 Preparation of total RNA   Total  RNA  of  HEK293T  cells  was  obtained  from  one  confluent  10  cm  cell  culture  dish  using  TRIzol Reagent (Invitrogen) according to manufacturer´s instructions.    2.2.5.13 Reverse transcription  Reverse  transcription  was  performed  using  SuperScript  III  Reverse  Transcriptase  Kit  (Invitrogen)  according  to  manufacturer´s  instructions.  2  µg  total  RNA  of  HEK293T  cells  were  applied.  Primers  DP74  or  DP77  were  used  for  reverse  transcription  and  the  following  PCR,  where AR89 was included as forward primer.    2.2.5.14 Antibody purification  1.5 mg of bacterially expressed and purified Nce2 isoform 2‐His were coupled to 1 mL SulfoLink  resin  (Pierce)  according  to  manufacturer´s  instructions.  Afterwards,  beads  were  washed  with    10  mL  PBS,  10  mL  elution  buffer  and  30  mL  PBS.  5  mL  filtered  (0.45  µM  filter,  ROTH)  serum  were  applied  to  the  column  overnight.  In  the  morning,  serum  was  incubated  with  the  upright  standing  column  for  30  min  more.  In  a  next  step,  beads  were  washed  with  30  mL  PBS,  with         30 mL washing buffer and again with 30 mL PBS. Antibody was eluted with 10x 500 µl elution  buffer into tubes already provided with 1 M Tris‐HCl pH 8.5 to finally reach pH 7.5. 

      - 39 -

Material and Methods

2.2.6 In cellulo assays  2.2.6.1   In cellulo ubiquitination and NEDDylation assays  90 % confluent cells were transfected with His‐myc‐ubiquitin (pcDNA3.1), His‐NEDD8 (pSG5.0‐ Spl)  or  His‐tagged  substrate  using  Lipofectamine  2000  (Invitrogen).  After  24  h,  cells  were  harvested  and  one  third  was  used  for  input  lysis,  two  thirds  for  Ni‐NTA‐pulldown.  For  endogenous  PCNA  as  substrate,  input  lysis  was  performed  using  50  µl  RIPA  buffer  containing      1  µg/mL  aprotinin,  1  µg/mL  leupeptin  and  1  mM  PefaBlock,  including  sonication.  For  overexpressed  substrates,  30  µl  TNN  containing  1  mM  DTT,  1  µg/mL  aprotinin,  1µg/mL  leupeptin and 1 mM PefaBlock were used for lysis. After resuspension of cell pellets, they were  incubated for 30 min on ice and centrifuged for 30 min at 13200 rpm and 4 °C. Supernatant was  used  for  β‐galactosidase  assay  to  equalize  transfection  efficiency.  For  pulldowns,  cells  were  lysed in 500 µl Guanidinium‐HCl buffer and incubated on ice for 30 min. 100 µl sepharose beads  (sepharose  4B,  GE  Healthcare)  were  added  to  preclear  the  lysate  for  2  h  at  4  °C.  After  centrifuging, supernatant was incubated for 4 h with 50 µl Ni‐NTA‐agarose (Qiagen). Beads were  washed  two  times  with  Guanidinium‐HCl  buffer,  two  times  with  a  mixture  of  1  part  Guanidinium‐HCl  buffer  and  4  parts  50  mM  Tris‐HCl  containing  20  mM  Imidazole,  and  three  times  with  50  mM  Tris‐HCl  containing  20  mM  Imidazole.  After  removal  of  the  supernatant,  beads were boiled using a 1:1 mixture of 1 M Imidazole and 5x Laemmli loading buffer.    2.2.6.2   Immunofluorescence  Cells  were  seeded  on  12  mm  cover  slips  in  a  24  well  plate  (Greiner)  and  transfected  using  Lipofectamine 2000 (Invitrogen). 24 h after transfection, cells were washed with PBS and fixed  with 500 µl paraformaldehyde in PBS for 15 min at room temperature. Afterwards, cover slips  were washed twice with PBS. Cells were permeabilized using 500 µl 0.1 % Triton‐X‐100 (v/v) in  PBS for 5 min on ice and washed twice with PBS. Unspecific binding sites were blocked with PBS  containing 2 % (v/v) FCS and 0.5 % (v/v) Triton‐X‐100 for 1 h at room temperature. Cells were  then incubated with primary antibody in PBS containing 2 % (v/v) FCS and 0.5 % (v/v) Triton‐ X‐100 for 1 h at room temperature on a shaker. After washing three times with PBS containing    2 % (v/v) FCS and 0.5 % (v/v) Triton‐X‐100, cells were incubated with the secondary antibody  for 1 h at room temperature on a shaker in the dark. Afterwards, cells were washed again three  times  with  PBS  containing  2  %  (v/v)  FCS  and  0.5  %  (v/v)  Triton‐X‐100.  To  stain  nuclei,  cells  were then incubated with DAPI (1:20.000) for 10 min at room temperature. Cells were mounted  on  glass  slides  (Thermo  Fisher  Scientific)  using  cover  slips  (Roth)  and  Mowiol  4‐88  (Roth).  Pictures  were  taken  with  LSM  510  Meta  (Zeiss)  at  the  Bioimaging  Center  (University  of  Konstanz). 

- 40 -

         

3. Results   

3.1 AutoNEDDylation of NEDD8‐conjugating        enzymes increases the affinity to their cognate E1   Conjugation  of UBLs to substrates is  of major importance  for the regulation of  various cellular  functions. However, only little is known about how the enzymatic cascades of UBL conjugation  are regulated. Only few  modes of regulation at the E2 level  of the ubiquitination, SUMOylation  and  NEDDylation  cascade  have  been  described  so  far,  some  of  which  involve  the  posttranslational modification of the E2 with a UBL protein.   Dependent on binding to APC/C, its E2 enzyme UbcH10 is autoubiquitinated and degraded when  cells exit from mitosis (Yamanaka et al., 2000). Inhibition of activity by autoubiquitination was  also shown for Ube2t, a conjugating enzyme involved in the Fanconi anemia DNA repair pathway  (Machida et al., 2006). In both cases, ubiquitin is conjugated to a conserved lysine residue next  to  the  catalytic  cysteine  (Lin  et  al.,  2002;  Machida  et  al.,  2006).  However,  as  shown  for  Ubc7,  ubiquitin  chains  are  also  formed  directly  on  the  catalytic  cysteine  (Ravid  and  Hochstrasser,  2007).  Additionally,  modification  of  Ubc13  with  ISG15  as  well  as  SUMOylation  of                 Ube2k/E2‐25k/Hip2 in the E1 binding interface suppresses thioester formation with ubiquitin  (Pichler et al., 2005; Zou et al., 2005).   The  SUMO  conjugating  enzyme  Ubc9  uses  autoSUMOylation  to  regulate  substrate  specificity.  Modification of Ubc9 with SUMO enhances the affinity for its substrate Sp100 which contains an  SUMO  interaction  motif,  whereas  SUMOylation  of  other  substrates  like  RanGAP1  is  reduced  (Knipscheer et al., 2008).   For NEDD8‐conjugating enzymes, the only known regulatory mechanism is acetylation of Ubc12  and  Nce2  at  the  N‐terminal  methionine  which  facilitates  binding  to  a  hydrophobic  pocket  of  DCNL,  a  scaffold‐type  E3  ligase  involved  in  the  NEDDylation  of  cullins,  thereby  enhancing  the  efficiency of cullin modification (Monda et al., 2013; Scott et al., 2011). However, up to now it is  not  known  whether  there  are  additional  mechanisms  to  regulate  NEDD8  conjugation  and  how  NEDD8 substrate specificity is achieved.  

- 41 -

Results

3.1.1 Ubc12 and Nce2 form a thioester bond with NEDD8 but not            with ubiquitin  To confirm activity and specificity of the NEDD8‐conjugating enzymes, we performed thioester  assays with  bacterially expressed Ubc12‐His or Nce2‐His and  His‐NEDD8  or His‐ubiquitin (see  2.2.5.5). The ubiquitin E2 UbcH5b was used as specificity control. In the presence of the NEDD8  E1 enzyme APPBP1/UBA3, both Ubc12 and Nce2 form a thioester linkage with NEDD8 whereas  UbcH5b does not (Figure 9A, ‐DTT).  In reduced samples, higher migrating bands also appear for  both  NEDD8‐conjugating  enzymes,  representing  a  stable  covalent  modification  with  NEDD8  (Figure  9A,  +DTT).  Moreover,  NEDD8  E2  enzymes  are  not  capable  of  accepting  ubiquitin  from  the ubiquitin E1 UBA1 indicating that, under the conditions used, enzymes of the NEDD8 and the  ubiquitin‐conjugation system are specific (Figure 9B, ‐DTT). 

           A                                                       

    B                     

            Figure 9. Ubc12 and Nce2 specifically form thioester bonds with NEDD8  Bacterially  expressed  Ubc12‐His,  Nce2‐His,  UbcH5b‐His,  GST‐APPBP1/UBA3  and  His‐NEDD8  (A)  or  bacterially  expressed Ubc12‐His, Nce2‐His, UbcH5b‐His, His‐ubiquitin and baculovirally expressed UBA1 (B) were incubated as  indicated under thioester conditions. Samples were divided and afterwards reduced (+DTT) or not (‐DTT). After SDS‐ PAGE,  proteins  were  detected  by  western  blot  using  α  His‐antibody.  Ubc12  and  Nce2  form  thioester  linkage  with  NEDD8 but not with ubiquitin. 

- 42 -

Results

3.1.2 NEDD8‐conjugating enzymes are autoNEDDylated  In  figure  9A,  a  non‐reducible  modification  of  Ubc12  and  Nce2  with  NEDD8  was  observed  in  thioester  assays,  providing  a  hint  that  E2  enzymes  might  act  as  NEDD8  substrates.  Thus,  we  studied whether NEDD8‐conjugating enzymes are indeed capable of NEDDylating themselves in  vitro  and  in  cells.  In  in  vitro  NEDDylation  assays  (see  2.2.5.4),  we  detected  higher  migrating  bands of both Ubc12 and Nce2 after incubation with APPBP1/UBA3 and NEDD8, corresponding  to mono‐ and multi‐ or polyNEDDylated E2 enzymes (Figure 10A, asterisks). In the upper part of  the  gel,  unspecific  bands  appeared  upon  incubation  (Figure  10A).  NEDDylation  of  the  E2s  was  also found upon addition of NEDD8 only, presumably due to the presence of APPBP1/UBA3 in  the  reticulocyte  lysate  used  for  in  vitro  translation  (Figure  10A).  To  test  whether  NEDD8‐ conjugating  enzymes  are  NEDDylated  in  cellulo,  HA‐tagged  wt  E2s  or  catalytically  inactive  mutants  (Ubc12  C111S  and  C111A;  Nce2  C116S  and  C116A)  were  co‐transfected  with  His‐ tagged NEDD8 into H1299 cells. After 24 h, cells were harvested and one third was used for TNN  lysis (Input). Remaining  cells were lysed under denaturing conditions to avoid deNEDDylation  during lysis. Subsequently, a Ni‐pulldown was performed to enrich for NEDDylated proteins (see  2.2.6.1).  Upon  pulldown,  we  found  HA‐Ubc12  and  HA‐Nce2  to  be  NEDDylated  in  cellulo  under  overexpression  conditions  (Figure  10B).  Interestingly,  NEDDylation  of  the  E2  enzymes  was  dependent  on  the  catalytic  cysteine,  suggesting  an  autoNEDDylation  mechanism.  Notably,  cysteine to serine mutants of both conjugating enzymes (Ubc12 C111S and Nce2 C116S) formed  an oxyester bond with His‐NEDD8 (Figure 10B).  When  we  performed  a  cellular  fractionation  assay  to  investigate  the  subcellular  localization  of  NEDD8‐conjugating enzymes, we identified higher migrating bands of HA‐Ubc12 and HA‐Nce2 in  the  cytosolic  fraction  of  H1299  cells  which  could  correspond  to  NEDDylated  E2  enzymes  (see  figure 19). To confirm this presumption, we performed an α HA‐IP from the cytosolic fraction of  H1299 cells upon overexpression of HA‐Ubc12 or HA‐Nce2 (Figure 11A). By using an α NEDD8‐ antibody  for  detection,  we  indeed  found  Ubc12  and  Nce2  to  be  modified  with  endogenous  NEDD8 (Figure 11A, arrows in left panel). While HA‐Ubc12 was monoNEDDylated, at least two  NEDD8  moieties  were  attached  to  HA‐Nce2.  Moreover,  treating  the  cells  with  the  NEDD8  E1  inhibitor  MLN4924  completely  abolished  NEDDylation  of  the  E2s  (Figure  11A).  In  the  same  experiment,  we  tested  whether  modification  of  the  NEDD8‐conjugating  enzymes  with  endogenous NEDD8 occurs in an autoNEDDylation reaction. Therefore, we included catalytically  inactive mutants of the Ubc12 and Nce2. Upon α HA‐IP, we found that mutation of the catalytic  cysteine residue to an alanine inhibits NEDDylation of the E2 enzymes (Figure 11A). In order to  prove the existence of NEDDylated endogenous Ubc12, we additionally conducted an α NEDD8‐ IP from cytosolic fractions of untransfected HEK293T cells and cells transfected with HA‐Ubc12  (Figure 11B). 

- 43 -

Results                                                     A           

unspecific bands

* * *

* *

      B 

                              Figure 10. Ubc12 and Nce2 are autoNEDDylated in vitro and in cells  (A)  In  vitro  translated  (Ivt),  radiolabeled  HA‐Ubc12  and  HA‐Nce2  were  incubated  with  bacterially  expressed  His‐ NEDD8  and/or  GST‐APPBP1/UBA3  (as  indicated)  under  NEDDylation  conditions.  E2  enzymes  were  detected  using  fluorography. Both NEDD8‐conjugating enzymes are modified with NEDD8 (asterisks).  (B) H1299 cells were transfected with the indicated DNA and harvested after 24 h. One third of the cells were used for  the preparation of whole cell lysate (input). With the remaining cells, Ni‐pulldown was performed under denaturing  conditions. Western blot using α HA‐antibody shows that both HA‐Ubc12 wt (left panel) and HA‐Nce2 wt (right panel)  are  NEDDylated  in  cells  whereas  catalytically  inactive  mutants  (Ubc12  C111S  and  C111A  or  Nce2  C116S  and  C111A)are not. 

  Upon IP and western blot using α NEDD8‐antibody, we identified a band at a size of ~30 kDa in  untransfected cells which slightly shifted up in cells transfected with HA‐Ubc12 (NEDD8: 9 kDa,  Ubc12: 21 kDa, HA‐tag: 1.5 kDa) (Figure 11B, upper panel). Our results indicate that the detected  bands  correspond  to  Ubc12  and  HA‐Ubc12,  respectively,  being  covalently  modified  with  endogenous  NEDD8.  Moreover,  these  bands  disappeared  upon  treatment  with  the  APPBP1/UBA3‐inhibitor  MLN4924  (Figure  11B,  upper  panel).  Due  to  non‐reducing  conditions  used for lysis and IP, unmodified HA‐Ubc12, which formed a thioester bond with NEDD8 during  lysis,  was  also  immunoprecipitated  (Figure  11B,  lower  panel).  Notably,  we  were  not  able  to  directly show a modification of Ubc12 or Nce2 with NEDD8 in cellulo because of a low detection  efficiency of the available antibodies (data not shown). In conclusion, our data demonstrate that  NEDD8‐conjugating  enzymes  are  capable  of  autoNEDDylating  in  vitro  and  in  cellulo  using  endogenous NEDD8.  

- 44 -

Results A                               

*

*

 

                                                                                                    B                                  Figure 11. Overexpressed Ubc12 or Nce2 and endogenous Ubc12 are modified with endogenous NEDD8 in the  cytosol of H1299 or HEK293T cells  (A)  HA‐Ubc12  wt,  HA‐Nce2  wt  or  catalytically  inactive  mutants  (HA‐Ubc12  C111A/HA‐Nce2  C116A)  were  overexpressed in H1299 cells. Cells were treated with DMSO or 1 µM MLN4924 (MLN) for 3 h. Upon hypotonic lysis,    5  %  of  cytosolic  lysate  were  used  as  input  (In)  and  an  α  HA‐IP  was  performed  with  the  cytosolic  fraction.  Proteins  were first detected using western blot α NEDD8 (Alexis; left panel) and in a second step with α HA‐antibody (right  panel).  Asterisks  mark  the  size  of  unmodified  HA‐Ubc12  and  HA‐Nce2  (right  panel).  Overexpressed  NEDD8‐ conjugating enzymes are modified with endogenous NEDD8 (arrows), being dependent on the catalytic cysteine and  on the activity of APPBP1/UBA3.    (B) Untransfected HEK293T cells or cells transfected with HA‐Ubc12 were treated with DMSO or 1 µM MLN4924 for   3  h  before  harvest.  Upon  hypotonic  lysis,  5  %  of  cytosolic  lysate  were  used  as  input  (In)  and  an  α  NEDD8‐IP  was  performed with the cytosolic fraction of the lysate. Western Blot was performed with an α NEDD8‐ (Epitomics) and α  HA‐antibody.  

  3.1.3 HPNI mutants of the NEDD8‐conjugating enzymes are not             impaired in thioester formation but in autoNEDDylation  In  proximity  to  the  catalytic  cysteine,  E2  conjugating  enzymes  contain  a  conserved  HPNI/V  motif. The side chain of the asparagine residue in this motif has been proposed to stabilize the  oxyanion intermediate formed during lysine attack on the ubiquitin‐loaded E2, therefore being  crucial  for  isopeptide  bond  formation  (Wu  et  al.,  2003b).  Furthermore,  the  asparagine  is  also  indispensable for transferring SUMO from its conjugating enzyme Ubc9 to substrates (Wu et al., 

- 45 -

Results 2003b).  To  investigate  whether  mutation  of  the  conserved  asparagine  in  the  HPNI  motif  of  Ubc12  or  Nce2  affects  the  NEDDylation  cascade,  we  tested  HPNI  mutants  of  the  NEDD8‐ conjugating  enzymes  regarding  their  ability  to  form  thioester  with  NEDD8  and  to  autoNEDDylate. In a time course experiment, we found that HPNI mutants (Ubc12 N103A; Nce2  N108A)  form  thioesters  as  rapidly  as  wt  E2  enzymes  (Figure  12).  However,  autoNEDDylation,  which is very efficient for Ubc12 wt and Nce2 wt after 10 min, is completely abrogated in case of  the  HPNI  mutants  (Figure  12).  Thus,  the  asparagine  residue  in  the  HPNI  motif  of  conjugating  enzymes  plays  an  important  and  conserved  role  in  facilitating  isopeptide  bond  formation  between the C terminus of UBLs and a lysine residue of their substrate. 

                              Figure 12. Ubc12 and Nce2 HPNI mutants are not capable of autoNEDDylation in vitro    Bacterially expressed Ubc12‐His wt or HPNI mutant (N103A; HPNI mut), Nce2‐His wt or HPNI mutant (N108A; HPNI  mut),  His‐NEDD8  and  GST‐APPBP1/UBA3  were  incubated  under  thioester  conditions.  Samples  were  taken  at  the  indicated time points and divided in an afterwards reduced (+DTT) and not reduced part (‐DTT). Upon SDS‐PAGE and  western blot, proteins were detected with α His‐antibody. HPNI mutants of both conjugating enzymes form a thioester  bond with NEDD8, but are impaired in autoNEDDylation. 

  3.1.4 AutoNEDDylation of the NEDD8 E2 enzymes predominantly            occurs in their N terminus  To  gain  further  insights  into  the  mechanism  of  autoNEDDylation,  we  next  aimed  to  identify  NEDDylated  lysines  within  Ubc12  and  Nce2.  Therefore,  in  vitro  autoNEDDylated  E2  enzymes  were analyzed by mass spectrometry. Lysines 3, 8, 11, 36 and 45 of Ubc12 and lysine 7 and 9 of  Nce2  were  found  to  be  modified  with  NEDD8  (data  not  shown).  Interestingly,  most  of  the  NEDDylated  lysines  are  located  in  the  N‐terminal  extension  of  Ubc12  and  Nce2  which  is  not  found  in  most  other  UBL‐conjugating  enzymes  including  the  ubiquitin‐conjugating  enzyme  UbcH5b (Figure 13). However, after mutating K3, K8 and K11 of Ubc12, and K7 and K9 of Nce2 

- 46 -

Results to arginine, both conjugating enzymes were still capable of autoNEDDylation in vitro and in cells  (see figures 15A and 15B). Nonetheless, NEDDylation efficiency of the E2 lysine mutants in cells  was  slightly  decreased  in  comparison  to  wt  E2s  (see  figure  15B).  These  data  suggest  that  additional  lysines  or  the  very  N  terminus  are  used  for  NEDDylation.  In  mass  spectrometric  analyses of the autoNEDDylated lysine mutants of the E2 enzymes, we indeed identified lysine  15 as an additional modified lysine in Nce2, but no additional lysines were detected for Ubc12.  We  also  did  not  find  evidence  for  the  presence  of  NEDD8  chains,  indicating  that  NEDD8‐ conjugating enzymes are rather multi‐ than polyNEDDylated (data not shown). 

                                 

Figure 13. NEDD8­conjugating enzymes are predominantly NEDDylated in their unique N terminus    Alignment of the NEDD8‐conjugating enzymes Nce2 and Ubc12 and the ubiquitin E2 enzyme UbcH5b was carried out  using ClustalW (www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalw2/). Lysines identified to be NEDDylated are marked in red. NEDD8  E2 enzymes are NEDDylated in their unique N‐terminal extension. 

 

We showed that both Ubc12 and Nce2 are autoNEDDylated at different lysine residues in vitro,  which  are  almost  exclusively  located  in  the  N  termini  being  unique  to  NEDD8‐conjugating  enzymes.  Since  the  N  terminus  is  involved  in  the  interaction  with  the  E1  enzyme  and  its  modification might play a role in the regulation of this interaction, we wanted to confirm that it  is indeed the major NEDDylation site of the E2s. In NEDDylation and thioester experiments, we  found that mutants of Ubc12 and Nce2 lacking the N terminus are not NEDDylated anymore in  vitro  and  their  NEDDylation  was  strongly  impaired  in  cells  (Figure  14A  and  C).  However,  they  are not impaired in thioester formation under the conditions used (Figure 14B).        

- 47 -

Results     A                                B                                  C                                          Figure  14.  Ubc12  and  Nce2  mutants  lacking  their  N­termini  are  impaired  in  autoNEDDylation  but  not  in  thioester formation  (A) In vitro translated HA‐Ubc12 wt, HA‐Ubc12 ΔN26, HA‐Nce2 wt, HA‐Nce2 ΔN26, bacterially expressed His‐NEDD8  and GST‐APPBP1/UBA3 were incubated under NEDDylation conditions. Samples were taken after the indicated time  points. SDS‐PAGE was performed and proteins were detected using fluorography (Johanna Bialas, under supervision).  Deletion of the N‐terminal 26 aa of the E2s inhibits autoNEDDylation in vitro.   (B)  Bacterially  expressed  Ubc12‐His  wt,  ΔN26,  Nce2‐His  wt,  ΔN26,  His‐NEDD8  and  GST‐APPBP1/UBA3  were  incubated  under  thioester  conditions.  Samples  were  taken  after  the  indicated  time  points  and  divided  in  an  afterwards reduced (+DTT) and not reduced (‐DTT) part. SDS‐PAGE was performed and proteins were detected with  α His‐antibody solution. ΔN26 mutants of Ubc12 and Nce2 are not impaired in thioester linkage formation (asterisk)  with NEDD8 in vitro.  (C) H1299 cells were transfected with the indicated DNA and harvested after 24 h. One third of the cells were used for  the preparation of whole cell lysate (input). With the remaining cells, Ni‐pulldown was performed under denaturing  conditions. Western blots using α HA‐antibody reveal NEDDylation of E2 ΔN26 mutants to be impaired in cells. 

- 48 -

Results To gain first hints about the function of autoNEDDylation, fusion proteins of NEDD8 and the E2  enzymes were generated in order to mimic a modification with NEDD8 within the N terminus.  E2s fused to the C terminus of NEDD8 showed a remarkably enhanced modification with NEDD8  compared  to  wt  E2  enzymes  in  cells  (Figure  15B).  Concordantly,  these  NEDD8‐E2  fusion  proteins were more efficiently modified with NEDD8 than wt E2s in autoNEDDylation kinetics in  vitro (Figure 15C).   To  sum  up,  NEDD8‐conjugating  enzymes  are  capable  of  autoNEDDylating  their  extended               N  termini  that  are  not  present  in  most  other  conjugating  enzymes.  AutoNEDDylation  might  therefore interfere with the interaction with the NEDD8 E1 enzyme APPBP1/UBA3 and have an  influence on the processivity of the NEDDylation cascade.   





       

                       C                       

Figure  15.  Ubc12  and  Nce2  lysine  mutants  are  still  modified  with  NEDD8  and  NEDDylation  of  the  E2s  is  strongly enhanced upon fusion to NEDD8    (A) Bacterially expressed Ubc12‐His wt, K3R/K8R/K11R (K mut), NEDD8‐Ubc12‐His, Nce2‐His wt, K7R/K9R (K mut),  NEDD8‐Nce2‐His, His‐NEDD8 and GST‐APPBP1/UBA3 were incubated under NEDDylation conditions. SDS‐PAGE was  performed and  gel was stained with Coomassie stain solution. Lysine mutants of both NEDD8‐conjugating enzymes  are still NEDDylated in vitro.   (B) H1299 cells were transfected with the indicated DNA and harvested after 24 h. One third of the cells were used to  prepare whole cell lysate (input). With the remaining cells, Ni‐pulldown was performed under denaturing conditions.  Western blots using α HA‐antibody show that NEDDylation of the lysine mutants (K mut) is decreased compared to wt  E2s and NEDD8‐E2 fusions (N8 fus.) are strongly modified with NEDD8.  (C)In vitro translated (Ivt), radiolabeled HA‐Ubc12, HA‐NEDD8‐Ubc12, HA‐Nce2 or HA‐NEDD8‐Nce2 were incubated  with bacterially expressed His‐NEDD8 and GST‐APPBP1/UBA3 for the indicated time under NEDDylation conditions.  NEDD8‐E2 fusion proteins show enhanced autoNEDDylation kinetics compared to wt E2 enzymes. 

- 49 -

Results

3.1.5 AutoNEDDylation enhances the affinity of Ubc12 and Nce2 to             the NEDD8 E1 enzyme APPBP1/UBA3  Since we found that NEDD8 is conjugated to lysines in the N terminus of its E2 enzymes which is  involved  in  the  interaction  with  APPBP1/UBA3,  we  next  tested  whether  autoNEDDylation  of  Ubc12 and Nce2 might affect this interaction. To do so, we performed a GST‐pulldown assay (see  2.2.5.2)  using  GST‐tagged  APPBP1/UBA3  and  autoNEDDylated  Ubc12  or  Nce2  (note  that  autoNEDDylation reaction was stopped with EDTA before the pulldown) (Figure 16). The results  clearly  showed  that  autoNEDDylated  E2s  possess  a  higher  affinity  to  the  E1  than  unmodified  ones.  Strikingly,  an  interaction  between  Nce2  and  APPBP1/UBA3  was  only  detected  upon  NEDDylation (Figure 16).     

                      Figure 16. Affinity of Ubc12 and Nce2 to APPBP1/UBA3 is enhanced upon autoNEDDylation  Bacterially  expressed  Ubc12‐His  or  Nce2‐His  was  incubated  with  His‐NEDD8  and  GST‐APPBP1/UBA3  under  NEDDylation conditions. Reaction was stopped with 10 mM EDTA. Afterwards, a GST‐pulldown was performed using  GST and GST‐APPBP1/UBA3 and the autoNEDDylated E2s. 10 % of beads were loaded on an SDS‐PAGE and stained  with Coomassie (input; left panel). 20 % of autoNEDDylated E2s and pulldown samples were subjected to SDS‐PAGE  and  western  blot  using  α  His‐antibody  (right  panel).  APPBP1/UBA3  interacts  more  strongly  with  NEDDylated  than  with unmodified Ubc12 or Nce2. 

  The finding that modification of Ubc12 and Nce2 with NEDD8 enhances their affinity to the E1  enzyme is supported by the increased NEDDylation of NEDD8‐E2 fusion proteins in cells and in  vitro (Figures 15B and 15C). In addition, it is supported by an observation we made after in vitro  translation  of  the  E2s  and  NEDD8‐E2  fusion  proteins  containing  a  mutation  of  the  active  site  cysteine  to  serine  (Figure  17).  During  in  vitro  translation,  a  ~10  kDa  higher  migrating  band  appeared  both  for  Ubc12  C111S  and  NEDD8‐Ubc12  C111S.  Since  this  band  disappeared  in  the  presence of the APPBP1/UBA3 inhibitor MLN4924 and because it was not detected for Ubc12 wt  and  NEDD8‐Ubc12  wt,  we  concluded  that  it  corresponds  to  the  E2  forming  an  oxyester  bond  with NEDD8 present in the reticulocyte lysate (Figure 17). Moreover, adding GST‐NEDD8 to the 

- 50 -

Results in vitro translation reaction also lead to modification of Ubc12 and NEDD8‐Ubc12 C111S which  was inhibited by MLN4924. Interestingly, in the case of NEDD8‐Ubc12 C111S oxyester formation  was  much  more  efficient  compared  to  Ubc12  C111S.  Therefore,  the  higher  affinity  of  APPBP1/UBA3 to NEDDylated than to unmodified E2s might lead to an enhanced modification  of  NEDD8‐Ubc12  during  in  vitro  translation  (Figure  16  and  17).  Similar  results  were  obtained  using Nce2 C116S and NEDD8‐Nce2 C116S (data not shown). 

                                  Figure 17. Ubc12 C111S and NEDD8­Ubc12 C111S are modified with NEDD8 during in vitro translation  HA‐Ubc12 C111S and HA‐NEDD8‐Ubc12 C111S were in vitro translated according to manufacturer´s instructions. To  one fourth of the reaction, 100 µM MLN4924 was added, to another fourth GST‐NEDD8 and to one fourth, GST‐NEDD8  and 100 µM MLN4924 were added. Samples were loaded on an SDS‐PAGE and radiolabeled proteins were detected  using fluorography. NEDD8‐Ubc12 C111S is modified more strongly with NEDD8 (asterisks) or GST‐NEDD8 (arrows)  than Ubc12 C111S. 

  3.1.6 Fusion of NEDD8 to its E2s leads to an enhanced localization            in the nucleus   Fusions  of  NEDD8  or  ubiquitin  to  substrates  are  widely  used  to  study  the  function  of  these  modifications.  For  instance,  C‐terminal  fusions  of  NEDD8,  SUMO‐1  or  ubiquitin  to  the  tumor  suppressor  p53  turned  out  to  be  suitable  tools  to  study  the  localization  of  modified  p53.  The  p53‐ubiquitin  fusion  localizes  to  the  cytoplasm,  resembling  the  localization  of  monoubiquitinated  p53.  In  contrast,  the  p53‐NEDD8  fusion  is  found  in  the  nucleus,  and  p53‐ SUMO fusions reside in nuclear bodies (Carter and Vousden, 2008).   Hence,  to  further  investigate  autoNEDDylation  of  NEDD8‐conjugating  enzymes,  we  tested  whether  the  fusion  of  NEDD8  to  the  N  terminus  of  its  E2  enzymes  affects  their  subcellular  localization.  In  immunofluorescence  experiments  using  overexpressed  HA‐Ubc12  or  HA‐Nce2,  the NEDD8‐conjugating enzymes were found mainly in the cytoplasm and to a minor extent in 

- 51 -

Results the  nucleus  (Figure  18).  Additionally,  HA‐NEDD8‐Ubc12  and  HA‐NEDD8‐Nce2  were  present  in  the same compartments, indicating that fusing NEDD8 to the E2 enzymes has no major effect on  their localization in H1299 cells (Figure 18).  

                         

                                Figure 18. NEDD8­E2 fusions localize to the cytoplasm and the nucleus of H1299 cells  HA‐Ubc12, HA‐NEDD8‐Ubc12, HA‐Nce2 or HA‐NEDD8‐Nce2 were transfected into H1299 cells and stained with α HA‐ antibody (red) and DAPI (blue; scale bar   20 µm). Both NEDD8‐conjugating enzymes and fusions to NEDD8 localize  to the cytoplasm and to the nucleus. 

 

To gain deeper insights into the localization of Ubc12, Nce2 and the NEDD8‐E2 fusion proteins,  we performed a cellular fractionation assay with overexpressed E2s in H1299 cells (Figure 19).  Upon  fractionation,  we  found  the  majority  of  HA‐Ubc12  being  present  in  the  cytosol.  Nonetheless,  in  all  of  the  nuclear  fractions  and  the  pellet,  minor  amounts  were  detected.  In  contrast,  a  higher  percentage  of  HA‐NEDD8‐Ubc12  was  present  in  the  nuclear  fractions  compared to the cytoplasmic fraction (Figure 19, upper two panels). We only found Nce2 in the  cytoplasm and the soluble nuclear fraction (nucleosol), but the NEDD8‐Nce2 fusion was present  in all of the nuclear fractions (Figure  19, lower two panels). Hence, fusion  of NEDD8 to the E2  enzymes  leads  to  an  enhanced  localization  in  the  nucleus.  Additionally,  we  detected  a  higher  migrating  band  for  all  of  the  proteins  in  the  cytosolic  fraction  which  we  identified  as  their  monoNEDDylated forms (see chapter 3.1.2).   To conclude, NEDDylation of the NEDD8‐conjugating enzymes might at least partially influence  their subcellular localization.  

- 52 -

Results                                                     Figure 19. NEDD8­E2 fusions localize stronger to the nucleus than wt E2s  10  cm  plates  H1299  cells  were  transfected  with  HA‐Ubc12,  HA‐NEDD8‐Ubc12,  HA‐Nce2  or  HA‐NEDD8‐Nce2.  Cells  were lysed by douncing in hypotonic buffer and nuclear fractions were obtained using increasing NaCl concentrations.  5 % of input (total cell lysate) and 10  % of all fractions were subjected to SDS‐PAGE and  subsequent western blot.  Proteins were detected using α HA‐antibody. In comparison to wt E2s, NEDD8‐E2 fusions are rather found in nuclear  fractions. 

                            - 53 -

Results

3.2 PCNA as a new substrate for the NEDD8‐         conjugation pathway  PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen) has first been described as an autoantigen in patients  suffering  from  systemic  lupus  erythematosus  (Miyachi  et  al.,  1978).  It  adopts  a  homotrimeric  ring  structure  with  each  monomer  including  two  similar  domains.  The  inner  part  of  the  ring  predominantly  comprises  basic  residues  which  allow  binding  to  DNA  (Krishna  et  al.,  1994).  Upon loading onto DNA by the clamp loader complex RFC, PCNA is capable of acting as a sliding  clamp and thus, as processivity factor for replicative polymerases (Kelman and O'Donnell, 1995;  Lee and Hurwitz, 1990; Mossi and Hubscher, 1998).   In 2002, PCNA was identified as a substrate both for ubiquitin and SUMO in yeast (Hoege et al.,  2002). Ubiquitination and SUMOylation occur at the same lysine residue (K164) in the S phase of  the  cell  cycle.  PCNA  is  monoubiquitinated  by  the  conjugating  enzyme  Rad6  and  the  E3  ligase  Rad18 which is recruited to sites of stalled replication by RPA, a protein coating single stranded  DNA  (Davies  et  al.,  2008;  Hoege  et  al.,  2002).  In  contrast  to  PCNA  monoubiquitination,  K63‐ linked polyubiquitination is catalyzed by Ubc13/Mms2 and Rad5. Ubiquitinated PCNA functions  in  bypassing  DNA  damages  using  either  translesion  synthesis  or  error‐free  pathways,  and  the  mechanism  of  PCNA  ubiquitination  as  well  as  its  function  seem  to  be  conserved  from  yeast  to  humans (Bergink and Jentsch, 2009; Hoege et al., 2002; Kannouche et al., 2004; Watanabe et al.,  2004). In addition to Rad18, the Cullin4A‐RING complex is capable of monoubiquitinating PCNA  at  K164  during  replication  in  unperturbed  cells,  thereby  promoting  translesion  synthesis.  However,  the  same  ligase  also  regulates  PCNA  degradation  via  polyubiquitination  of  the  same  residue (Lo et al., 2012; Terai et al., 2010). SUMOylation at K164 is thought to enhance binding  of PCNA interaction partners such as the Srs2 helicase in yeast or PARI in humans, respectively,  which are involved in controlling recombination (Moldovan et al., 2012; Pfander et al., 2005). It  was  additionally  shown  that  modification  of  PCNA  with  SUMO  leads  to  a  decrease  in  the  formation of double strand breaks and inhibits recombination in case of stalled replication forks  in  human  cells  (Gali  et  al.,  2012).  In  conclusion,  modification  of  PCNA  with  ubiquitin  or  the  ubiquitin‐like protein SUMO plays an important role in maintaining the integrity of DNA. 

  3.2.1 PCNA interacts with NEDD8 and ubiquitin  Modification of proteins with ubiquitin plays a role in various cellular processes (see 1.1.2) and  most  of  the  outcomes  of  ubiquitination  are  mediated  by  proteins  containing  ubiquitin‐binding  domains  (reviewed  in  (Hurley  et  al.,  2006)).  The  identification  of  new  NEDD8‐interaction  partners  might  therefore  contribute  to  a  better  understanding  of  physiological  functions  of  NEDD8.  Thus,  an  affinity  pulldown  was  performed  in  duplicate  using  His‐NEDD8  or  His‐

- 54 -

Results ubiquitin, and BSA as a control in one of the pulldowns (Figure 20; see 2.2.5.3). These proteins  were  covalently  coupled  to  NHS‐sepharose.  Afterwards,  HEK293T  cell  lysate  was  applied  and  interacting proteins were eluted using 1 M NaCl (Figure 20). The identification of eluted proteins  was conducted using tryptic digest followed by mass spectrometry (Table 2).  

                                                               A   



                      Figure 20. Affinity pulldown with His­NEDD8, His­ubiquitin or BSA and HEK293T lysate  His‐NEDD8, His‐ubiquitin or BSA (A) and His‐NEDD8 or His‐ubiquitin (B) were covalently coupled to NHS‐sepharose  via primary amino groups. HEK293T cell lysate was applied to identify interacting proteins that were finally eluted  with 1 M NaCl. Elutions were loaded on a gradient SDS‐gel which was stained using colloidal Coomassie. 

  Table 2. Proteins identified as potential interaction partners for NEDD8 and ubiquitin                                                  Bands were excised from Coomassie stained SDS‐gels (Figure 20) and potential interacting proteins were identified  using tryptic digest followed by mass spectrometry (Proteomics Facility, University of Konstanz).   

His­NEDD8  His­ubiquitin Proteins identified in both pulldowns  APPBP1  UCHL1, UCHL3, OTUB1 (DUBs)  NUB1L  Exosome component 2 NEDD8  DCN1 Ubiquitin Ubiquitin PCNA  Elongation initiation factor 4A  RuvB like 1 and 2  RuvB like 1 and 2  Programmed cell death 8 MAD2L1  Proteins identified in one pulldown (examples) Skp1  UBA1 (E1) NEDP1  UbcH5A, UbcH7 (E2s) COP9 signalosome subunit 4 RBBP6, CHIP (E3 ligases)  p97  p97 Prp4  Proteasome subunits  DNA polymerase δ interacting  DNA polymerase δ interacting  protein 2  protein 2  Programmed cell death 6 Programmed cell death 8  Histone H4  PCNA Proteasome 26S ATPase subunit 5 SMAC3 Primase  MAD2L1

 

  In  the  affinity  chromatography  using  His‐NEDD8,  NUB1L  as  an  already  known  interacting  protein was found, showing the applicability of this approach (Tanaka et al., 2003). In addition, 

- 55 -

Results the E1 enzyme APPBP1/UBA3 was identified in both pulldowns. Using His‐ubiquitin for affinity  chromatography, several DUBs as well as the ubiquitin‐activating enzyme UBA1, the conjugating  enzymes  UbcH5a  and  UbcH7,  and  E3  ligases  were  identified.  Interestingly,  many  of  the  eluted  proteins  were  found  both  for  NEDD8  and  ubiquitin  including  p97,  PCNA  and  MAD2L1,  which  might  be  due  to  the  high  similarity  of  NEDD8  and  ubiquitin.  For  the  following  studies,  we  decided to further investigate PCNA as interaction partner of NEDD8 and ubiquitin.  To verify the interaction between PCNA and NEDD8 or ubiquitin, respectively, we performed a  GST‐pulldown assay (Figure 21). Indeed, we found that GST‐NEDD8 and GST‐ubiquitin directly  interact  with  bacterially  expressed  His‐PCNA.  Furthermore,  we  could  confirm  this  interaction  using  C‐terminally  tagged  NEDD8  and  ubiquitin  (data  not  shown).  These  results  suggest  that  PCNA binds to ubiquitinated or NEDDylated proteins in the cell.   

                    Figure 21. GST­NEDD8 and GST­ubiquitin bind to PCNA   GST‐pulldown was performed using bacterially expressed GST, GST‐NEDD8, GST‐ubiquitin and His‐PCNA. 10 % input  of  PCNA  and  pulldown  samples  were  subjected  to  SDS‐PAGE  and  stained  with  Coomassie  (input  GST‐beads;  left  panel). PCNA was detected by western blot using α PCNA‐antibody (right panel). Both ubiquitin and NEDD8 interact  with PCNA. 

  3.2.2 PCNA is NEDDylated in cells being dependent on K164  Since  several  proteins  including  PCNA,  p53  or  EGFR  are  known  to  be  modified  both  with  ubiquitin  and  ubiquitin‐like  proteins,  PCNA  could  not  only  be  a  substrate  for  ubiquitin  and  SUMO‐1  but  also  for  NEDD8  (Hoege  et  al.,  2002;  Oved  et  al.,  2006;  Rodriguez  et  al.,  1999;  Scheffner et al., 1993; Xirodimas et al., 2004). This hypothesis is affirmed by the identification of  PCNA as a possible NEDD8 substrate upon affinity pulldown from HeLa cells stably expressing  TAP‐NEDD8  (Xirodimas  et  al.,  2008).  To  investigate  whether  PCNA  is  indeed  a  substrate  for  NEDD8,  we  performed  an  in  cellulo  NEDDylation  assay  using  overexpressed  His‐NEDD8  and  included  His‐SUMO‐1  and  His‐myc‐ubiquitin  (Figure  22A).  We  indeed  found  PCNA  to  be  monoNEDDylated  in  H1299  cells.  As  mentioned  before,  ubiquitination  of  PCNA  plays  a  role  in  translesion  synthesis,  whereas  SUMOylation  is  rather  involved  in  controlling  recombination 

- 56 -

Results both in yeast and in human cells (Hoege et al., 2002; Moldovan et al., 2012; Pfander et al., 2005;  Stelter  and  Ulrich,  2003).  We  identified  monoubiquitinated  PCNA  upon  overexpression  of  His‐ myc‐ubiquitin  in  H1299  cells,  but  we  did  not  detect  modification  of  PCNA  with  overexpressed  His‐SUMO‐1 (Figure 22A).                                                                                                                                                   

                              A                                                          B                                                                          

                        

                                                                                     C                                                                                                                                                 Figure 22. PCNA is monoNEDDylated in cellulo and in vitro  (A) H1299 cells were transfected with the indicated DNA and harvested after 24 h. One third of the cells were used to  prepare whole cell lysate (input). With the remaining cells, Ni‐pulldown was performed under denaturing conditions.  Afterwards,  proteins  were  detected  using  western  blot  and  α  PCNA‐antibody.  Endogenous  PCNA  is  both  monoNEDDylated and –ubiquitinated but not modified with SUMO‐1.  (B) In vitro translated PCNA‐His‐SV5 wt or K164R (arrow) was incubated with the indicated bacterially expressed and  purified proteins under NEDDylation conditions. Ubc12 and Nce2 are capable of transferring NEDD8 onto both PCNA  wt and PCNA K164R in vitro (asterisks).  (C) H1299 cells were transfected with the indicated DNA and harvested after 24 h. One third of the cells were used for  the preparation of whole cell lysate (input). With the remaining cells, Ni‐pulldown was performed under denaturing  conditions.  Western  blots  using  α  HA‐antibody  show  that  PCNA  wt  is  both  monoNEDDylated  and  ‐ubiquitinated  whereas PCNA K164R is not. 

- 57 -

Results In  a  next  step,  we  conducted  an  in  vitro  NEDDylation  assay  using  in  vitro  translated  PCNA  (Figure  22B).  In  the  presence  of  NEDD8,  APPBP1/UBA3  and  one  of  the  conjugating  enzymes  Ubc12  or  Nce2,  two  additional  bands  of  PCNA  were  detected  presumably  representing  monoNEDDylated PCNA (Figure 22B, lanes 1 and 4). The appearance of two bands might be due  to the usage of two different lysines on PCNA or to the modification of a truncated form of PCNA  which is produced by usage of an internal start codon (Figure 22B, weak band at the bottom). In  the  absence  of  bacterially  expressed  GST‐APPBP1/UBA3,  NEDDylation  of  PCNA  might  be  accomplished  by  APPBP1/UBA3  which  is  present  in  the  reticulocyte  lysate  used  for  in  vitro  translation (Figure 22B, lanes 2 and 5).  In S phase of the cell cycle, PCNA can be SUMOylated or ubiquitinated at lysine 164 in order to  avoid  recombination  or  to  facilitate  translesion  synthesis  upon  DNA  damage  or  stresses  accompanying  replication  (Arakawa  et  al.,  2006;  Hoege  et  al.,  2002;  Kannouche  et  al.,  2004;  Terai et al., 2010). Since for example the same lysine residues in the C terminus of p53 are used  for  the  conjugation  to  both  ubiquitin  and  NEDD8,  we  hypothesized  that  this  might  also  be  the  case  for  PCNA  (Rodriguez  et  al.,  2000;  Xirodimas  et  al.,  2004).  To  test  whether  NEDD8  is  conjugated  to  K164,  we  performed  in  vitro  and  in  cellulo  NEDDylation  assays  using  a  K164R  mutant of PCNA. In the in vitro assay, we found the mutant to be as efficiently monoNEDDylated  as wt PCNA suggesting that K164 is not required for NEDDylation of PCNA (Figure 22B, lanes 7  and  10).  However,  upon  transfection  of  PCNA‐His‐SV5  wt  or  PCNA‐His‐SV5  K164R  and  HA‐ tagged  NEDD8  or  ubiquitin  into  H1299  cells,  PCNA  wt  is  both  monoubiquitinated  and                      ‐NEDDylated whereas PCNA K164R is not (Figure 22C). These data indicate that lysine residue  164 is at least necessary for NEDDylation of PCNA under overexpression conditions.  

  3.2.3 PCNA NEDDylation depends on the activity of APPBP1/UBA3             in cells  In 1998, NEDD8 was described to be activated by the ubiquitin‐activating enzyme UBA1 in vitro  although around 100‐fold less efficiently than ubiquitin (Whitby et al., 1998). Some years later,  this  result  was  supported  by  the  finding  that  mutation  of  R190  in  UBA3  to  glutamine,  the  corresponding  residue  in  UBA1,  does  not  significantly  inhibit  the  activation  of  NEDD8.  In  contrast, ubiquitin cannot be used by the NEDD8  E1 enzyme  because of clashing with R190 in  UBA3 (Souphron et al., 2008). These data suggest that there is a strict limitation of the activation  and  transfer  of  ubiquitin  to  ubiquitin  enzymes  whereas  NEDD8  might  be  used  by  ubiquitin  enzymes under certain conditions. In 2012, this hypothesis was proven correct by two studies  showing that a shift in the ratio of free ubiquitin and NEDD8 towards NEDD8 triggers its usage  by  UBA1  in  cells  (Hjerpe  et  al.,  2012;  Leidecker  et  al.,  2012).  Under  diverse  stress  conditions  such as inhibition of the proteasome or oxidative stress, free ubiquitin is depleted. At the same 

- 58 -

Results time, the amount of NEDDylated proteins increases being reversed by the knockdown of UBA1  but not by treatment with the NEDD8 E1 inhibitor MLN4924. In conclusion, an overexpression  of NEDD8 at least partially leads to its activation by UBA1 thereby mimicking stress conditions  in the cell (Hjerpe et al., 2012; Leidecker et al., 2012). To address whether monoNEDDylation of  PCNA  upon  overexpression  of  His‐NEDD8  is  mediated  by  the  NEDD8‐  or  the  ubiquitin‐  conjugation system, we treated cells with the APPBP1/UBA3 inhibitor MLN4924 for 20 h (Figure  23). As functionality control for the inhibitor we tested its effect on the autoNEDDylation of HA‐ Ubc12. We found that treatment with MLN4924 diminished autoNEDDylation of overexpressed  Ubc12  and  that  co‐expression  of  the  deNEDDylating  enzyme  NEDP1  completely  abolished  its  NEDDylation  (Figure  23A).  These  data  suggest  autoNEDDylation  to  be  mediated  by  APPBP1/UBA3  despite  overexpression  of  His‐NEDD8.  Concordantly,  MLN4924  inhibited  monoNEDDylation  of  PCNA  and  overexpression  of  NEDP1  further  reduced  the  levels  of  NEDDylated PCNA (Figure 23B, asterisks). Interestingly, upon treatment with MLN4924 a faster  migrating band than the one of the monoNEDDylated PCNA appeared in the input which might  correspond  to  PCNA  modified  with  endogenous  ubiquitin  (Figure  23B,  circle).  This  result  indicates that inhibiting APPBP1/UBA3 leads to a switch from NEDDylation to ubiquitination of  PCNA. 

    A 



         

*

°

*

          Figure 23. NEDDylation of PCNA is mediated by the NEDD8­conjugation system  H1299 cells were transfected as indicated and treated with 1 µM MLN4924 for 20 h. Cells were harvested after 24 h  and  divided  to  prepare  whole  cell  lysate  (one  third  of  the  cells)  and  to  conduct  a  Ni‐pulldown  under  denaturing  conditions (A,B). PCNA presumably modified with endogenous ubiquitin is marked with a circle. NEDDylation of both  HA‐Ubc12 (A) and endogenous PCNA (B; asterisk) is inhibited upon treatment with MLN4924. 

   

- 59 -

Results

3.2.4 NEDDylation of PCNA is enhanced by the E3 ligase Rad18  In  the  previous  chapter,  we  showed  that  PCNA  is  NEDDylated  in  vitro  and  in  cells  and  may  therefore  represent  a  new  substrate  for  NEDD8  (Figure  22).  In  addition,  it  is  assumed  that  transfer of NEDD8 to substrates is exclusively catalyzed by RING E3 ligases, and all of the so far  identified  NEDD8  E3  ligases  are  also  capable  of  conjugating  ubiquitin  (Broemer  et  al.,  2010;  Huang et al., 2008; Morimoto et al., 2003; Oved et al., 2006; Xirodimas et al., 2004). Therefore,  we tested whether Rad18, the E3 ligase for monoubiquitination of PCNA, might possess a dual  specificity  and  affected  PCNA  NEDDylation  in  cells  (Figure  24)  (Hoege  et  al.,  2002).  Indeed,  monoNEDDylation  and  monoubiquitination  of  PCNA  were  strongly  enhanced  upon  overexpression of myc‐Rad18. Furthermore, co‐expression of NEDP1, a deNEDDylating enzyme,  weakens  modification  of  PCNA  with  NEDD8,  but  not  with  ubiquitin  (Figure  24).  These  results  suggest that Rad18 might act as E3 ligase for the monoNEDDylation of PCNA in cells.     

                    Figure 24. Overexpression of Rad18 enhances NEDDylation of PCNA in cells  H1299  cells  were  transfected  with  the  indicated  DNA  and  harvested  after  24  h.  One  third  of  the  cells  were  used  to  prepare whole cell lysate (input). With the remaining cells, Ni‐pulldown was performed under denaturing conditions.  Western  blot  was  conducted  using  α  Myc‐  and  α  PCNA‐antibodies.  Both  monoNEDDylation  and  ‐ubiquitination  of  PCNA are enhanced upon overexpression of myc‐Rad18 but only NEDDylation is diminished after co‐transfection of  His‐NEDP1. 

 

3.2.5 NEDD8‐conjugating enzymes do not bind to PCNA in cells            PCNA has been described as a substrate for the ubiquitin‐like protein SUMO. Along these lines,  the SUMO conjugating enzyme Ubc9, which is able to directly bind to several SUMO substrates,  was found to interact with PCNA in a yeast two‐hybrid approach (Bernier‐Villamor et al., 2002;  Gali et al., 2012; Hoege et al., 2002).  To investigate whether PCNA also binds to the NEDD8‐conjugating enzymes Ubc12 or Nce2, we  transfected myc‐tagged E2s into H1299 cells and performed an α PCNA‐IP. Myc‐Rad18 served as  positive control (Figure 25). Due to the fact that there is a free pool of PCNA and a chromatin‐

- 60 -

Results bound  fraction,  we  divided  cell  lysate  into  a  triton‐soluble  and  triton‐insoluble  fraction.  PCNA  was  found  to  interact  with  myc‐Rad18  in  both  fractions  but  neither  Ubc12  nor  Nce2  was  co‐ immunoprecipitated in detectable amounts (Figure 25).         

                  Figure 25. NEDD8 E2s presumably do not interact with PCNA in cells  H1299 cells were transfected with the indicated DNA and harvested after 24 h. After dividing the cells into a Triton‐ soluble and a Triton‐insoluble fraction, 2 % of the cells were  used as input. With the remaining cells, an α PCNA‐IP  was performed. Western blots using α Myc antibody and α PCNA‐antibody show that PCNA binds to myc‐Rad18 but  not to Ubc12‐myc‐His or Nce2‐myc‐His. 

  3.2.6 PCNA Y211F, a phosphorylation deficient mutant, is             NEDDylated in cells   Taking  primarily  place  in  S  phase  and  in  the  chromatin‐bound  fraction,  PCNA  is  a  target  for  phosphorylation by the EGFR tyrosine kinase (Wang et al., 2006). Mutation of the tyrosine that is  subjected to phosphorylation (Y211) leads to lower PCNA levels compared to wt PCNA which is  due to increased polyubiquitination and degradation. Furthermore, polyubiquitination of PCNA  Y211F  is  independent  of  the  known  ubiquitination  machinery  of  PCNA  (i.e.  Rad6//Rad18  and  Ubc13/Mms2//Rad5). Thus, phosphorylation of PCNA by EGFR is crucial for its stability and the  execution  of  its  functions,  e.g.  in  DNA  replication  (Wang  et  al.,  2006).  To  find  out  whether  chromatin‐bound  or  free  PCNA  is  NEDDylated,  we  performed  an  in  cellulo  NEDDylation  and  ubiquitination assay using PCNA Y211F (Figure 26). Our data show that the PCNA mutant is as  efficiently monoNEDDylated and ‐ubiquitinated as PCNA wt, being enhanced by overexpression  of  myc‐Rad18.  In  addition,  mutation  of  Y211  did  not  lead  to  polyubiquitination,  which  is  confirmed  by  comparable  input  levels  of  PCNA  wt‐SV5‐His  and  PCNA  Y211F‐SV5‐His  (Figure  26). These results indicate that free, chromatin‐unbound PCNA can be modified with ubiquitin  and NEDD8. However, a conclusion about chromatin‐bound PCNA cannot be drawn. 

  - 61 -

Results                                     Figure 26. PCNA Y211F is both NEDDylated and ubiquitinated   H1299  cells  were  transfected  with  the  indicated  DNA  and  harvested  after  24  h.  One  third  of  the  cells  were  used  to  prepare whole cell lysate (input). With the remaining cells, Ni‐pulldown was performed under denaturing conditions.  Western blots using α Myc‐, α PCNA‐ and α HA‐antibody show that both PCNA wt and Y211F are monoNEDDylated  and monoubiquitinated. 

 

3.2.7 Cu(I)‐catalyzed Huisgen azide‐alkyne cycloaddition as a tool            to study functions of NEDDylated PCNA  Due  to  a  very  inefficient  NEDDylation  of  PCNA  under  in  vitro  conditions,  we  decided  to  site‐ specifically  link  NEDD8  and  PCNA  using  Cu(I)‐catalyzed  Huisgen  azide‐alkyne  cycloaddition,  abbreviated  as  “Click  Reaction”  (Figure  27)  (reviewed  in  (Li,  2011)).  This  1,  3‐dipolar  cycloaddition  between  an  alkyne‐  and  an  azide  function  results  in  the  formation  of  a  stable          1,  4‐disubstituted  triazole.  Hence,  “monoNEDDylated  PCNA”  generated  via  click  reaction  provides a tool to investigate its functions.  In order to perform the click reaction, non‐natural amino acids were incorporated into PCNA on  the  one  hand,  and  into  NEDD8  and  ubiquitin  on  the  other  hand.  We  aimed  at  linking  PCNA  containing the propargyl‐protected lysine derivative Plk including the alkyne function to NEDD8  or ubiquitin containing azidohomoalanine with the azide function. Since we found that K164 of  PCNA  might  be  the  lysine  residue  which  is  NEDDylated,  we  expressed  PCNA  comprising  the  artificial amino acid at this position. PCNA containing an amber stop codon at position 164 and  the tRNA synthetase from Methanosarcina barkeri (pyrrolysine tRNA synthetase), which is able  to recognize the amber stop codon, were therefore co‐transformed into E. coli BL21 (DE3). Upon  induction of protein expression, pyrrolysine tRNA synthetase permits the incorporation of Plk at  amino  acid  position  164  of  PCNA.  PlkPCNA  was  successfully  expressed  and  purified  using  Q‐ sepharose (Figure 28A)(Eger et al., 2011).  

- 62 -

Results  

                                  Figure 27. Schematic representation of the click reaction between PCNA and NEDD8 or ubiquitin   PCNA  containing the propargyl‐protected lysine derivative Plk at amino acid position 164 is clicked with its alkyne  function  to  the  azide‐functionalized  AhaNEDD8  or  AhaUbiquitin  in  a  Cu(I)‐catalyzed  reaction,  thereby  forming  a  triazole linkage (modified from (Eger et al., 2010; Stoimenov and Helleday, 2009). For simplification, click reaction is  shown for one monomer of PCNA. 

  Due  to  the  usage  of  the  methionine  analogue  azidohomoalanine  (Aha)  by  the  methionyl  tRNA  synthetase, NEDD8 and ubiquitin were expressed in methionine auxotrophic E. coli (Eger et al.,  2011). To achieve site specific incorporation of Aha into the C termini of NEDD8 and ubiquitin,  their  Gly76  codon  was  mutated  to  a  methionine  codon.  Moreover,  the  Met50  codon  of  NEDD8  was mutated to an alanine codon. To make sure that click reaction occurs exclusively at position  76, we inserted codons for small amino acids after the initial  methionine  codon so that Aha  at  the  N  terminus  should  be  co‐translationally  removed  by  the  endogenous  methionine  aminopeptidase.  Upon  expression  of  His‐tagged  AhaNEDD8  and  ‐AhaUbiquitin,  proteins  were  purified using Ni‐NTA‐agarose (Figure 28B).                                      





     

Coomassie stain

Coomassie stain

      Figure 28. Functionalized PlkPCNA, AhaUbiquitin and AhaNEDD8 are expressed in bacteria   (A)  PlkPCNA  and  pyrrolysine  tRNA  were  co‐expressed  in  E.  coli  BL21(DE3).  After  lysis  and  ammonium  sulfate  precipitation, PlkPCNA (arrow) was purified using Q‐sepharose. After elution with different salt concentrations, the  fraction with the highest purity and highest protein amount was dialyzed and loaded on SDS‐gel which was stained  with Coomassie (Justus Hülse, under supervision).  (B)AhaUbiquitin  and  AhaNEDD8  (arrow)  were  expressed  in  methionine  auxotrophic  bacteria  using  NMM  media  containing  0.5  mM  azidohomoalanine  (Aha).  Proteins  were  purified  with  Ni‐NTA‐agarose.  After  elution,  SDS‐PAGE  was performed followed by Coomassie staining.   

- 63 -

Results In a next step, the purified components were used in a click reaction (Figure 29). To find suitable  conditions, increasing amounts of AhaUbiquitin or AhaNEDD8 were incubated with decreasing  amounts  of  PlkPCNA  in  the  presence  of  Cu(I)  as  catalyst,  tris[(1‐benzyl‐1,2,3‐triazol‐4‐ yl)methyl]amine (TBTA) as Cu(I) stabilizing agent and tris(2‐carboxyethyl)phosphine (TCEP) as  reducing  agent  (Eger  et  al.,  2011).  AhaUbiquitin  was  successfully  linked  to  PlkPCNA  as  can  be  seen in lanes 3 and 4 (Figure 29). However, because of too many contaminating proteins in the  AhaNEDD8  preparation  (see  “Input  NEDD8”)  it  remains  unclear  whether  it  was  linked  to  PlkPCNA (Figure 29, right part). Hence, the purification of AhaNEDD8 still needs to be improved  to facilitate an efficient click reaction (see 4.2.2.4).   

                         

    Figure 29. Click reaction between PlkPCNA and AhaNEDD8 or AhaUbiquitin   Click  reaction  was  performed  using  increasing  amounts  of  PlkPCNA  and  AhaUbiquitin  or  AhaNEDD8.  The  highest  amount used was loaded as input. After 1 h, reaction was stopped with 5x Laemmli loading buffer and loaded on SDS‐ gel  which  was  finally  stained  with  Coomassie.  AhaUbiquitin  was  successfully  clicked  to  PlkPCNA,  whereas  it  is  not  clear whether a linkage was achieved between PlkPCNA and AhaNEDD8.  

                   

- 64 -

Results

3.3 A new isoform of the NEDD8‐conjugating enzyme          Nce2  In 2009, Nce2 was described as a second conjugating enzyme for NEDD8  in addition to Ubc12  (Huang et al., 2009). It shares around 40 % sequence identity with Ubc12, and contains a loop  insertion  next  to  the  catalytic  cysteine.  Such  an  insertion  of  a  flexible  loop  in  proximity  to  the  active site is also present in some ubiquitin E2 enzymes like Ubc7, for the conjugating activity of  which two acidic residues in the loop are crucial (Ju et al., 2010).   Nce2  prefers  Cullin5  as  substrate  that  is  involved  in  cytokine  signaling,  neuronal  migration  or  myogenesis, whereas Ubc12 rather NEDDylates Cullin1‐4 (Feng et al., 2007; Huang et al., 2009;  Kile et al., 2002; Nastasi et al., 2004). However, up to now the specificity of Ubc12 and Nce2 for  other NEDD8 substrates remains elusive. Thus, investigation of Nce2 functions is of considerable  importance to gain further insights into the NEDD8‐conjugation system.   Recently, the NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization) human  cDNA sequencing project, which focuses on splice variants of mRNAs, identified four new splice  variants of Nce2 in glioma cells (www.uniprot.org). Except isoform 2, all other isoforms encode a  shorter  protein  than  the  canonical  isoform,  and  presumably  do  not  display  E2  activity  (Figure  30A). The cDNA sequence of isoform 2 contains an insertion which is not present in isoform 1  and results from the usage of TG instead of an AG as alternative 3´ splicing site for the last exon  (Figure  30B).  The  insertion  leads  to  a  frame  shift  and  a  26  aa  elongation  of  the  translation  product compared to isoform 1 (Figure 30C). Because of the extended C terminus of isoform 2,  which  might  provide  an  additional  interaction  site  for  other  cellular  proteins,  we  decided  to  further investigate the properties of this isoform.                           

- 65 -

Results         A                                  B    

           

                    C              

>Nce2 isoform2, cDNA  ATGCTAACGCTAGCAAGTAAACTGAAGCGTGACGATGGTCTCAAAGGGTCCCGGACGGCAGCCAC AGCGTCCGACTCGACTCGGAGGGTTTCTGTGAGAGACAAATTGCTTGTTAAAGAGGTTGCAGAAC TTGAAGCTAATTTACCTTGTACATGTAAAGTGCATTTTCCTGATCCAAACAAGCTTCATTGTTTT CAGCTAACAGTAACCCCAGATGAGGGTTACTACCAGGGTGGAAAATTTCAGTTTGAAACTGAAGT TCCCGATGCGTACAACATGGTGCCTCCCAAAGTGAAATGCCTGACCAAGATCTGGCACCCCAACA TCACAGAGACAGGGGAGATATGTCTGAGTTTATTGAGAGAACATTCAATTGATGGCACTGGCTGG GCTCCCACAAGAACATTAAAGGATGTCGTTTGGGGATTAAACTCTTTGTTTACTGATCTTTTGAA TTTTGATGATCCACTGAATATTGAAGCTGCAGAACATCATTTGCGGGACAAGTCCCCAATGCTGT TACTCCACAGGAGGACTTCCGGAATAAAGTGGATGACTACATCAAACGTTATGCCAGATAATAAA AGGGGACGATTGCAGGCCCATGGACTGTGTTACAGTTTGTCTCTAACATGA

                              Figure 30. Isoforms of Nce2  (A) Schematic representation of predicted isoforms of Nce2. The NEDO sequencing project identified five isoforms of  Nce2  that  differ  in  length  and  partially  in  their  amino  acid  sequence.  Compared  to  isoform  1,  isoform  2  contains  a  different  and  elongated  C  terminus,  isoform  3  lacks  a  part  of  the  E1  binding  site  and  isoforms  4  and  5  are  much  shorter and differ in their C termini, too (www.uniprot.org). Catalytic cysteine (C116) is marked with a dark red line.  (B) cDNA sequence of Nce2 isoform 2. In comparison to isoform 1, isoform 2 contains an insertion and an elongation  at the 3´ end (both marked in blue) resulting in an extended translation product.  (C)  Alignment  of  Nce2  isoform  1  (Isoform  1)  and  Nce2  isoform  2  (Isoform  2)  was  conducted  using  ClustalW  (www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalw2/).  The  last  common  lysine  residue  is  marked  in  red  and  the  catalytic  cysteine  residue is marked in green. Nce2 isoform 2 contains an elongated C terminus which completely differs from isoform 1.  

- 66 -

Results

3.3.1 mRNA encoding Nce2 isoform 2 is expressed in HEK293T            cells  To  confirm  the  existence  of  Nce2  isoform  2  mRNA  in  cells,  an  RT‐PCR  was  performed  (Figure  31). For this purpose, two different reverse primers were used: one primer anneals in the 3´ end  of both the mRNA of isoform 1 and 2, the other only anneals in the unique insertion of isoform 2  (Figure 31 A). As shown in figure 31B, a PCR product was obtained with both primers (lanes 1  and 2) but not in the absence of reverse transcriptase or primers (lanes 3 and 4). PCR controls  using  vectors  containing  the  respective  cDNA  as  template  prove  the  specificity  of  the  primer  used  for  isoform  2  amplification  (lanes  5  and  6).  Thus,  mRNA  of  Nce2  isoform  2  is  indeed  present in HEK293T cells.         A                                                                                                       B                                                 

              *   *   *     *               Figure 31. Isoform 2­specific mRNA is found in HEK293T cells  (A) Schematic representation of primers used for reverse transcription of mRNAs of isoform 1 and 2 (grey arrows).  One of the primers anneals in the 3´ UTR of isoform 1 and the 3´ end of isoform 2 mRNA, the other one specifically  anneals in the insertion being only present in isoform 2. Expected sizes of PCR products are indicated above brackets.  (B) 1 % agarose gel showing PCR products after reverse transcription with isoform 1‐ and 2‐specific primer (lane 1),  isoform 2‐specific primer (lane 2), isoform 2‐specific primer without reverse transcriptase (lane 3) and without any  primer (lane 4). PCR using cDNA of isoform 2 or isoform 1 as template and the isoform 2‐specific  reverse primer was  performed as control (lanes 5 and 6). Asterisks mark unspecific products in the PCR control. An RT‐PCR product was  obtained with isoform 2‐specific primers confirming the existence of mRNA of Nce2 isoform 2 in cells. 

  3.3.2 Tertiary structure prediction for Nce2 isoform 2 reveals an            unstructured, flexible C terminus  The structure of Nce2 isoform 1 is characterized by the catalytic core domain that is present in  all  conjugating  enzymes  of  the  ubiquitin  and  UBL  field  (Figure  32A)  (Winn  et  al.,  2004).  Like  Ubc12, Nce2 additionally contains an extension at the N terminus which is unique for NEDD8‐ conjugating  enzymes  and  necessary  for  an  efficient  interaction  with  the  E1  enzyme  APPBP1/UBA3  (Huang  et  al.,  2004;  Huang  et  al.,  2005).  As  already  mentioned,  the  only  major 

- 67 -

Results structural difference between Nce2 and Ubc12 is a loop insertion next to the catalytic cysteine of  Nce2, whose function remains elusive (Huang et al., 2009).  The N‐terminal 169 aa of the second isoform of Nce2 correlate to the first isoform and thus, they  most  likely  adopt  the  same  structure.  The  C  terminus  of  Nce2  isoform  1,  which  differs  from  isoform  2  in  the  amino  acid  sequence,  forms  an  α‐helix  including  four  turns  (Figure  32A).  To  gain  an  idea  how  the  tertiary  structure  of  the  C‐terminal  part  of  isoform  2  might  look  like,  a  prediction  program  was  used  which  models  the  sequence  of  the  protein  with  the  unknown  structure  on  an  already  known  structure  of  a  protein  with  a  similar  amino  acid  sequence  (http://toolkit.tuebingen.mpg.de/hhpred). Hence, the tertiary structure of aa 170‐211 of isoform  2  was  predicted  as  an  α‐helix  containing  four  turns  which  correlates  to  that  of  isoform  1,  followed by a flexible, unstructured region and an additional small α‐helix (in collaboration with  Prof. Dr. T. Frickey, University of Konstanz) (Figure 32B).      A                                                                                  B                                                                                                                N                  C  

  C          Figure 32. Structure of Nce2 isoform 1 (A) and structure prediction for the C terminus of isoform 2 (B)  (A) Ribbon representation of the structure of Nce2 isoform 1 (aa 26‐185). Amino acids present in both isoforms are  colored in green, the last common residue (K169) is shown as red sticks and the unique C‐terminal α‐helix of isoform  1 is marked in yellow (protein data base 2EDI, modeled using Pymol).   (B) Ribbon representation of tertiary structure prediction of aa 159‐211 (C terminus) of Nce2 isoform 2. Colors as in  (A)  but  the  unique  C  terminus  of  isoform  2  (aa  170‐211)  is  depicted  in  yellow  (structure  prediction  by  http://toolkit.tuebingen.mpg.de/hhpred; modeled with Pymol). The C terminus of isoform 2 contains an α‐helix which  is connected to a second, shorter α‐helix by a flexible, unstructured linker (in collaboration with Prof. Dr. T. Frickey,  University of Konstanz). 

  3.3.3 Nce2 isoform 2 forms a thioester bond with NEDD8 but not             with ubiquitin and is NEDDylated in vitro  Nce2 isoform 1 acts as a NEDD8‐conjugating enzyme which forms a thioester bond with NEDD8  and transfers it to a substrate (Huang et al., 2009). Since the catalytic cysteine at position 116 of  isoform  1  is  also  present  in  isoform  2,  its  ability  to  form  a  thioester  linkage  with  NEDD8  was  tested. An in vitro thioester assay showed that C‐terminally His‐tagged Nce2 isoform 2 indeed is  capable of forming a thioester bond with GST‐NEDD8 but not with GST‐ubiquitin, suggesting a  role for Nce2 isoform 2 in the NEDD8‐conjugation cascade (Figure 33A, asterisk).  

- 68 -

Results Because  both  Ubc12  and  Nce2  are  autoNEDDylated  thereby  enhancing  their  affinity  to  APPBP1/UBA3  (see  chapter  3.1),  the  question  arose  whether  the  second  isoform  of  Nce2  behaves the same. In an in vitro NEDDylation assay, Nce2 isoform 2 wt was monoNEDDylated in  the  presence  of  APPBP1/UBA3  and  NEDD8  (Figure  33B).  However,  the  catalytically  inactive  mutant C116A was still NEDDylated, indicating that NEDDylation of isoform 2 occurs at least in  part not via autoNEDDylation. The modified C116S mutant of Nce2 isoform 2 displays a different  migration behavior in the SDS‐gel, pointing out that an oxyester was formed with NEDD8, again  showing Nce2 isoform 2 to be catalytically active (Figure 33B; own observations).      

                 A                                                                                                                                            

                                 B            *               Figure 33. Nce2 forms thioester linkage with NEDD8 (A) and is NEDDylated in vitro (B)  (A) Radiolabeled Nce2 isoform 2‐His (Nce2 Iso2‐His) was incubated with indicated bacterially (GST‐tagged ubiquitin,  NEDD8  and  APPBP1/UBA3)  or  baculovirally  (UBA1)  expressed  proteins  under  thioester  conditions.  Samples  were  divided in an afterwards reduced (+DTT) and not reduced part (‐DTT). A thioester linkage is formed with GST‐NEDD8  (asterisk) but not with GST‐ubiquitin.  (B) Radiolabeled Nce2 isoform 2‐His (Nce2 Iso2‐His) wt, C116S or C116A were incubated with indicated bacterially  expressed  proteins  under  NEDDylation  conditions.  Isoform  2  wt  and  C116A  are  modified  with  NEDD8  (asterisk)  whereas isoform 2 C116S forms an oxyester with NEDD8. 

  - 69 -

Results

3.3.4 Nce2 isoform 2 is NEDDylated and ubiquitinated in cells  To  gain  insights  into  the  function  and  regulation  of  Nce2  isoform  2  in  cells,  NEDDylation  and  ubiquitination  assays  were  performed  using  overexpressed  HA‐tagged  Ubc12,  HA‐Nce2       isoform 1, HA‐Nce2 isoform 2 and His‐NEDD8 (Figure 34). As shown in chapter 3.1, Ubc12 and  Nce2 isoform 1 were found to be modified with NEDD8. Interestingly, neither Ubc12 nor Nce2  isoform 1 were ubiquitinated whereas Nce2 isoform 2 was both ubiquitinated and NEDDylated  (Figure  34).  Hence,  the  additional  C  terminus  of  isoform  2  which  is  not  present  in  isoform  1  might provide the ubiquitination site. 

                              Figure 34. Nce2 isoform 2 is modified with NEDD8 and ubiquitin in cellulo  H1299 cells were transfected with the indicated DNA and harvested after 24 h. One third of the cells were used for the  preparation  of  whole  cell  lysate  (input).  With  the  remaining  cells,  Ni‐pulldown  was  performed  under  denaturing  conditions.  Western  blots  using  α  HA‐antibody  reveal  that  Ubc12  and  Nce2  isoform  1  are  NEDDylated  and  Nce2  isoform 2 is both NEDDylated and ubiquitinated.  

  To  further  investigate  Nce2  isoform  2  in  comparison  to  isoform  1,  we  tested  whether  Nce2  isoform  2  is  autoNEDDylated  in  cellulo.  Therefore,  catalytically  inactive  mutants  of  isoform  2  (C116S and C116A) were transfected into H1299 cells (Figure 35A). His‐NEDD8 was conjugated  to these mutants with the same efficiency as to wt isoform 2, confirming the in vitro result that  the second isoform of Nce2 is NEDDylated but probably not capable of autoNEDDylation (Figure  35A).   The N termini of Ubc12 and Nce2 are involved in the interaction with the E1 enzyme (Huang et  al.,  2009;  Huang  et  al.,  2004).  In  addition,  we  could  show  that  it  comprises  the  lysine  residues  which  are  NEDDylated  in  an  autoNEDDylation  reaction  (see  chapter  3.1).  Hence,  an  isoform  2  deletion mutant lacking the N‐terminal 26 aa was included in the NEDDylation assay in cellulo  (Figure 35A). In contrast to Ubc12 and Nce2 isoform 1, deletion of the N terminus had a minor  influence  on  the  modification  of  isoform  2  with  NEDD8  (compare  figures  15C  and  35A).  However,  the  double  bands  appearing  for  Nce2  isoform  2  wt,  C116S  and  C116A,  which  might 

- 70 -

Results correspond to two different lysine residues that are NEDDylated, are not detected for the ΔN26  mutant, supporting the idea that Nce2 isoform 2 may in part be NEDDylated in the N terminus  (Figure 35A, asterisks).  In figure 11, we showed NEDDylated Ubc12 and Nce2 isoform 1 to be present in the cytosol of  H1299 cells. To find out whether isoform 2 is also modified with endogenous NEDD8, an α HA‐IP  was  performed  using  cytosolic  fractions  of  H1299  cells  after  transfection  of  HA‐tagged  Nce2  isoform  1  or  isoform  2  (Figure  35B).  Both  isoforms  were  efficiently  immunoprecipitated  as  shown  in  the  western  blot  with  α  HA‐antibody  (Figure  35B,  circles  left  panel),  where  monoNEDDylated  Nce2  isoform  1  was  also  detected  (Figure  35B,  arrow  left  panel;  note:  Nce2  isoform 1 runs at the same height as the light chain of the α HA‐antibody). Western blot analysis  with α NEDD8‐antibody also revealed the first but not the second isoform of Nce2 to be modified  with endogenous NEDD8, at least not with the same efficiency (Figure 35B, arrows right panel).                           A                                                                                                                                                        B                           

**

**

                             

**

           ° * °         Figure  35.  Presumably,  Nce2  isoform  2  is  not  capable  of  autoNEDDylation  (A)  and  not  modified  with  endogenous NEDD8 (B)  (A) H1299 cells were transfected with the indicated DNA and harvested after 24 h. One third of the cells were used to  prepare whole cell lysate (input). With the remaining cells, Ni‐pulldown was performed under denaturing conditions.  Western blots using α HA‐antibody shows catalytically inactive mutants of Nce2 isoform 2 to be NEDDylated in cells.  Moreover,  Nce2  isoform  2  lacking  its  N‐terminal  26  aa  is  still  modified  with  NEDD8.  Asterisks  mark  double  bands  presumably corresponding to different lysine residues that are NEDDylated.   (B) HA‐Nce2 isoform 1 or HA‐Nce2 isoform 2 were overexpressed in H1299 cells. Upon hypotonic lysis, 5 % of lysate  were  used  as  input  and  an  α  HA‐IP  was  performed  with  the  cytosolic  fraction.  Proteins  were  first  detected  using  western  blot  with  α  NEDD8‐  (Alexis)  and  in  a  second  step  with  α  HA‐antibody.  Asterisk  marks  light  chain  of  the  antibody  used  for  IP.  Circles  mark  unmodified  HA‐Nce2  isoform  1  and  2.  While  Nce2  isoform  1  is  modified  with  endogenous NEDD8 (arrows), NEDDylation of Nce2 isoform 2 was not detected. 

- 71 -

Results In conclusion, the alteration in the C‐terminal amino acid sequence seems to completely change  the  properties  of  Nce2  isoform  2  in  comparison  to  isoform  1  regarding  NEDDylation  and  ubiquitination. The second isoform is probably not autoNEDDylated and also not predominantly  NEDDylated in its N terminus. Instead, it is ubiquitinated which might have an influence on its  half‐life. 

  3.3.5 Nce2 isoform 2 has a shorter half‐life than isoform1 and is            degraded by the proteasome  In the experiment to figure 34, we showed that the second isoform of Nce2 can be modified with  ubiquitin in overexpression experiments. To determine whether the half‐life of isoform 2 may be  affected  by  ubiquitination,  we  performed  a  cycloheximide  chase  in  the  presence  or  absence  of  the proteasome inhibitor MG132 (Figure 36). Nce2 isoform 1 remained relatively stable after 4 h  of cycloheximide treatment and the  addition of  MG132 had  no observable effect on its protein  levels  (Figure  36A).  In  contrast,  protein  levels  of  isoform  2  rapidly  decreased  and  MG132  partially restored them (Figure 36A). Thus, the half‐life of Nce2 isoform 2 was calculated to be  approximately 2.7 h. Mutation of the catalytic cysteine of isoform 2 had no effect on its half‐life  (Figure 36B), indicating that its catalytic activity is not required for degradation. Supporting this  finding, we did not see a change in ubiquitination efficiency when comparing Nce2 isoform 2 wt  and its cysteine mutants in H1299 cells (data not shown).  Since  Nce2  isoform  2  contains  two  lysine  residues  in  its  unique  C  terminus,  we  proposed  that  one  of  them  might  be  modified  with  ubiquitin  leading  to  proteasomal  degradation.  However,  neither mutation of one lysine residue nor of both residues to arginine had a major influence on  the  modification  with  ubiquitin  or  the  half‐life  of  isoform  2  (data  not  shown),  suggesting  that  other lysines, which are also present in isoform 1, are used for the attachment of ubiquitin.                         

- 72 -

Results                            A                                                                                                                                                                                                                                

                                       B                                          Figure 36. Nce2 isoform 2 has a shorter half­life than isoform 1 that is not affected by mutation of the catalytic  cysteine  (A)  H1299  cells  were  transfected  with  HA‐Nce2  isoform  1  or  HA‐Nce2  isoform  2.  Upon  treatment  with  60  µg/mL  cycloheximide  (CHX),  cells  were  harvested  after  0,  1,  2  or  4  h.  In  addition,  cells  were  subjected  to  CHX  and  10  µM  MG132  and  harvested  after  4  h.  After  TNN  lysis,  samples  were  loaded  on  SDS‐gel.  Proteins  were  detected  using  western blot and α HA‐antibody (left panel). Isoform 2 is rapidly degraded and protein levels are restored by MG132.  To calculate half‐lives, protein levels of HA‐Nce2 isoform 1 and isoform 2 were quantified (right panel). Isoform 2 has  a shorter half‐life than isoform 1.   (B)  Quantification  of  protein  levels  of  HA‐Nce2  isoform  2  wt,  C116S  and  C116A.  H1299  cells  were  transfected  with  HA‐Nce2  isoform  2  wt,  C116S  or  C116A.  Upon  CHX  and  MG132  treatment,  cells  were  harvested  at  indicated  time  points  and  lysed  with  TNN.  Samples  were  subjected  to  SDS‐PAGE  and  western  blot  α  HA  and  protein  levels  were  quantified. Mutation of the catalytic cysteine does not affect half‐life of isoform 2.  Note that (A) and (B) were done in triplicates and representative results are shown. 

- 73 -

Results

3.3.6 Nce2 isoform 1 and 2 differ in their subcellular localization  To  shed  light  on  possible  functions  of  the  second  isoform  of  Nce2,  we  examined  the  cellular  localization  of  the  protein  using  immunofluorescence  as  well  as  cellular  fractionation  assays  (Figure 37). In immunofluorescence experiments with overexpressed HA‐tagged Nce2, we found  isoform  1  to  be  localized  mainly  in  the  cytoplasm  but  also  in  the  nucleus  (Figure  37A).  For  isoform 2, a similar distribution was found in most cases (Figure 37B, middle and right panel).  However, a strong nuclear staining and aggregates (arrow) were visible in a minor percentage of  H1299 cells (Figure 37B, left and right panel).       



                                             



      C                                                               Figure 37. Overexpressed HA­Nce2 isoform 2 localizes more to the nucleus than isoform 1  (A) Immunofluorescence of HA‐tagged Nce2 isoform 1 (red or green) in H1299 cells using α HA‐antibody. Nuclei were  stained with DAPI (blue; scale bar   20 µm).   (B) Immunofluorescence of HA‐tagged Nce2 isoform 2 (red or green) in H1299 cells using α HA‐antibody. Nuclei were  stained with DAPI (blue; scale bar   20 µm).  (C) Cellular fractionation of H1299 cells. HA‐tagged isoform 1 or HA‐tagged isoform 2 were transfected into H1299  cells. Cells were divided into a cytosolic fraction, a nuclear fraction containing soluble proteins (nucleosol) and several  fractions containing structure‐bound nuclear proteins. Input corresponds to whole cell lysate. Proteins were detected  using western blot and α HA‐antibody. In contrast to Nce2 isoform 1, isoform 2 is found in several nuclear fractions of  H1299 cells.  

- 74 -

Results These  findings  were  confirmed  in  cellular  fractionation  assays  using  the  same  cell  line  (Figure  37C).  HA‐tagged  Nce2  isoform  1  was  mainly  detected  in  the  cytosolic  and  the  soluble  nuclear  fraction  (nucleosol)  whereas  the  second  isoform  was  additionally  present  in  several  nuclear  fractions containing structure‐bound proteins, and the pellet fraction (Figure 37C). These results  indicate that the two isoforms are present in partially distinct cellular compartments and thus,  most  likely  execute  different  functions.  Additionally,  we  detected  NEDDylated  Nce2  isoform  1  but  no  modified  isoform  2  in  the  cytosolic  fraction  of  H1299  cells  providing  a  hint  that  Nce2  isoform 2 behaves different from the first isoform and might be differentially regulated (Figure  37C, compare Figure 35B).  

  3.3.7 Development of an antibody specifically recognizing Nce2            isoform 2   To prove the existence of endogenous Nce2 isoform 2 in cells, a specific antibody was developed.  Since  isoform  1  and  2  only  differ  in  their  C  terminus,  a  KLH  (Keyhole  Limpet  Hemocyanin)‐ coupled peptide corresponding to aa 187‐200 of isoform 2 was ordered from Genescript (Figure  38A). After testing preimmune sera of several rabbits, the one giving the lowest background in a  western blot was chosen for four immunizations with the peptide (performed by TFA, University  of  Konstanz).  As  shown  in  figure  38B,  the  obtained  purified  antibody  is  specific  for  bacterially  expressed Nce2 isoform 2 and does not recognize isoform 1. Moreover, around 5 ng of protein  were  necessary  for  detection  by  the  antibody,  as  determined  by  Bradford  measurement  (data  not  shown).  In  order  to  test  the  suitability  of  the  antibody  for  IP,  we  overexpressed  HA‐Nce2  isoform 1 and isoform 2 in HEK293T cells and performed an IP using the α isoform 2‐antibody  as well as the α HA‐antibody as a control (Figure 38C). After immunoprecipitation, we divided  the samples and subjected them to western blots using the α HA‐ as well as the α Nce2 isoform  2‐antibody.  With  the  α  HA‐antibody,  we  successfully  immunoprecipitated  both  overexpressed  isoforms  (Figure  38C,  left  panel;  note  that  isoform  2  runs  exactly  at  the  same  size  as  the  light  chain  of  the  α  HA‐antibody‐the  difference  in  running  behavior  compared  to  figure  35B  is  explained  by  different  lysis  methods).  In  addition,  HA‐Nce2  isoform  2  but  not  isoform  1  was  detected  with  the  Nce2  isoform  2‐specific  antibody  (Figure  38C,  arrow  right  panel).  Using  this  antibody  for  IP,  we  specifically  immunoprecipitated  the  overexpressed  HA‐Nce2  isoform  2  (Figure  38C,  arrow  left  panel).  Although  we  treated  the  cells  used  for  IP  with  the  proteasome  inhibitor MG132 to enrich for Nce2 isoform 2, we did not detect the endogenous second isoform  of Nce2 upon α isoform 2‐IP and subsequent western blot using the same antibody (Figure 38C,  right panel). As determined in a further western blot, the three weak bands visible in this blot at  the  expected  size  of  Nce2  isoform  2  (~24  kDa)  correspond  to  the  light  chains  of  the  antibody  used  for  IP  (Figure  38C,  data  not  shown).  In  summary,  we  developed  an  antibody  specifically 

- 75 -

Results recognizing the second but not the first isoform of Nce2. However, this antibody is functional but  not  well  suitable  for  IP  experiments.  Thus,  we  were  not  able  to  prove  the  existence  of  endogenous Nce2 isoform 2 in cells, probably being due to a low abundance of the protein in the  cell.    

           A                                                                             B 

   

   

                  C         

 

*

      Figure 38. An antibody raised against aa 187­200 of Nce2 isoform 2 specifically recognizes isoform 2 in vitro  and in cells  (A)  Ribbon  representation  of  predicted  tertiary  structure  of  aa  159‐211  of  Nce2  isoform  2  including  the  peptide  sequence  used  for  immunization.  Common  sequence  of  isoform  1  and  2  is  shown  in  green,  the  last  common  lysine  residue as red sticks, the unique C terminus of isoform 2 is depicted in yellow and the peptide used for immunization  in cyan.  (B) Increasing amounts of bacterially expressed Nce2 isoform 2‐His and Nce2 isoform 1‐His were subjected to SDS‐ PAGE  followed  by  colloidal  Coomassie  staining  (upper  panel)  or  western  blot  using  α  isoform  2‐antibody  (lower  panel). The antibody raised against isoform 2 specifically recognizes Nce2 isoform 2.  (C)  HA‐Nce2  isoform  1  and  HA‐Nce2  isoform  2  were  transfected  into  HEK293T  cells.  After  20  h,  cells  were  treated  with 10 µM MG132 for 4 h. After TNN lysis, lysate was divided and subjected to an α HA‐IP or to an α Nce2 isoform 2‐ IP (=iso2‐IP). 2 % lysate were loaded as input. HA‐Nce2 isoform 2 runs at the same height as the light chain of the α  HA‐antibody (left panel, asterisk). The α isoform 2‐antibody specifically immunoprecipitates overexpressed HA‐Nce2  isoform 2 (arrow left panel) and specifically detects overexpressed isoform 2 (arrow right panel). 

   

- 76 -

         

4. Discussion   

4.1 AutoNEDDylation as a regulatory mechanism         of NEDD8‐conjugating enzymes    Until  to  date,  not  much  is  known  about  if  and  how  the  enzymes  involved  in  the  NEDDylation  cascade  are  regulated.  In  contrast,  for  the  ubiquitination‐,  the  SUMOylation‐  as  well  as  the  FAT10ylation  system,  an  autoregulatory  mechanism  on  the  level  of  the  E2  enzymes  has  been  described  (Aichem  et  al.,  2012;  Knipscheer  et  al.,  2008;  Machida  et  al.,  2006;  Yamanaka  et  al.,  2000).  During  this  study,  we  found  the  NEDD8‐conjugating  enzymes  Ubc12  and  Nce2  to  be  autoNEDDylated and thereby provide potential insights into the regulation of the NEDDylation  machinery. 

  4.1.1 NEDD8‐conjugating enzymes are autoNEDDylated in their            unique N terminus  4.1.1.1 Indications for endogenous autoNEDDylation of Ubc12 and Nce2  Initially,  we  found  NEDD8‐conjugating  enzymes  to  be  capable  of  NEDDylating  themselves  in  vitro  and  in  cells  being  dependent  on  the  catalytic  cysteine  residue  and  the  activity  of  APPBP1/UBA3 (Figures 9, 10 and 11). These results show that it is indeed an autoNEDDylation  reaction which is catalyzed by enzymes of the NEDD8‐ and not the ubiquitin cascade (see 3.2.3).  AutoNEDDylation occurs in a cis‐mechanism, as shown in previous studies (Ph.D. thesis A. Rojas  Fernández,  University  of  Konstanz:  “Regulation  of  Hdm2/HdmX‐mediated  ubiquitination  and  neddylation”). Overexpressed HA‐tagged E2 enzymes are both modified with overexpressed His‐ NEDD8  as  well  as  with  endogenous  NEDD8,  indicating  that  the  NEDDylation  of  E2s  is  not  an  artifact  of  NEDD8  overexpression  (Figures  10C  and  11A).  Moreover,  stably  overexpressed  HA‐ Nce2 is also NEDDylated with endogenous NEDD8 (data not shown). Notably, the HA‐tag at the 

- 77 -

Discussion N  terminus  of  Ubc12  and  Nce2  inhibits  acetylation  of  the  N‐terminal  methionine  which  otherwise might affect autoNEDDylation (see 4.1.1.5)(Monda et al., 2013).   As antibodies with high sensitivity against for Ubc12 or Nce2 are not available, we confirmed the  existence  of  NEDDylated  endogenous  Ubc12  by  Ni‐NTA  pulldown  from  MCF‐7  cells  stably  expressing  His‐NEDD8  (data  not  shown).  Moreover,  by  using  an  α  NEDD8‐IP  we  identified  a  band  of  ~30  kDa  in  an  α  NEDD8‐western  blot,  which  disappeared  upon  addition  of  the  APPBP1/UBA3‐inhibitor MLN4924 (Figure 11B). This band slightly shifted up when HA‐Ubc12  was  transfected.  Therefore,  we  conclude  that  the  observed  band  corresponds  to  monoNEDDylated endogenous Ubc12 (NEDD8: 9 kDa; Ubc12: ~21 kDa), and that the shift in the  presence of HA‐Ubc12 results from the additional 1.5 kDa of the HA‐tag.   Interestingly, we found E2 enzymes modified with endogenous NEDD8 only in the cytoplasm of  either  H1299  or  HEK293T  cells  under  native  lysis  conditions  (Figure  11).  The  fact  that  Ubc12  and  Nce2  are  not  deNEDDylated  in  spite  of  native  lysis  conditions  and  the  presence  of  the  deNEDDylating  enzyme  NEDP1  in  the  cytoplasm  points  to  a  stabilization  of  NEDDylated  E2  enzymes by a yet unknown factor (Sundqvist et al., 2009). Additionally, NEDDylation of the E2  enzymes itself might be a signal for cytoplasmic localization. However, fusions of NEDD8 to the  N  terminus  of  Ubc12  and  Nce2,  which  were  established  to  mimic  NEDDylation  of  the  E2  enzymes,  are  found  both  in  the  cytoplasm  and  in  nuclear  fractions  (see  4.1.1.4;  figure  19).  To  investigate  whether  NEDD8‐conjugating  enzymes  are  NEDDylated  in  the  cytoplasm  or  in  the  nucleus  and  subsequently  transported  to  the  cytoplasm,  a  nuclear  export  inhibitor  such  as  Leptomycin  B  could  be  used.  In  principle,  both  scenarios  are  possible  since  the  majority  of  NEDD8 is located in the nucleus and a smaller fraction is present in the cytoplasm (Kamitani et  al., 1997).   Alternatively,  autoNEDDylation  of  Ubc12  and  Nce2  could  be  a  co‐translational  event.  This  hypothesis is underlined by the finding that we detected strongly NEDDylated E2 enzymes upon  overexpression  of  HA‐tagged  E2s,  but  we  hardly  found  NEDDylated  E2s  in  cell  lines  stably  expressing HA‐tagged Ubc12 or Nce2 (Figure 11A, data not shown). Even upon overexpression  of  His‐NEDD8,  we  could  not  enrich  for  NEDDylated  forms  of  stably  expressed  HA‐tagged  E2  enzymes  (data  not  shown).  In  addition,  transfection  of  HA‐Ubc12  completely  inhibited  NEDDylation of endogenous Ubc12, as there is only one band detected upon α NEDD8‐IP (Figure  11B). To further investigate this issue, it would be worthwhile to check for levels of NEDDylated  E2s upon inhibition of translation and protein degradation at the same time.     4.1.1.2 The HPNI­motif of Ubc12 and Nce2 is important for isopeptide bond formation  In  2003,  it  was  shown  that  an  asparagine  in  a  conserved  HPNI/V  motif  in  proximity  to  the  catalytic  cysteine  of  conjugating  enzymes  is  crucial  for  the  formation  of  isopeptide  bonds  between  ubiquitin  or  SUMO  and  their  respective  substrates.  In  contrast,  the  asparagine  is 

- 78 -

Discussion dispensable for thioester formation and proper folding of the E2 enzymes. It is speculated that  this residue stabilizes the oxyanion intermediate formed during lysine attack on the UBL‐loaded  E2 (Wu et al., 2003b). In the present studies, we found that the asparagine is also conserved in  NEDD8 E2 enzymes. We additionally confirmed that it is necessary for the conjugation of NEDD8  to Ubc12 and Nce2, but its mutation does not affect thioester formation (Figure 12). Hence, the  conserved asparagine residue in the HPNI/V motif of conjugating enzymes very likely plays an  important  general  role  in  facilitating  isopeptide  bond  formation  between  UBLs  and  their  substrates. Importantly, with the identification of Ubc12 and Nce2 as NEDD8 substrates in these  and former studies, we provide an easy system to study effects of mutations in NEDD8 and its  activating  or  conjugating  enzymes  in  vitro  (Ph.D.  thesis  A.  Rojas  Fernández,  University  of  Konstanz: “Regulation of Hdm2/HdmX‐mediated ubiquitination and neddylation”).   Related to this topic, the function of a flexible loop insertion next to the catalytic cysteine of Nce2  which  is  not  present  in  Ubc12  should  be  examined.  Such  a  loop  is  present  in  several  other  conjugating enzymes such as UbcH3 and yeast Ubc7 (Ju et al., 2010; Ptak et al., 1994). The acidic  residues in the flexible loop of Ubc7 were shown to be crucial for its activity as they might play a  role in the polarization of the histidine in the HPNI/V motif or to guide the lysine to be modified  into  the  active  site  (Ju  et  al.,  2010).  The  acidic  loop  of  UbcH3,  however,  is  involved  in  the  formation of K48‐chains: the interaction of the loop with a ubiquitin moiety which is attached to  a substrate orientates it in a way to accept another ubiquitin (Gazdoiu et al., 2007; Petroski and  Deshaies, 2005b). Since Nce2 also contains an acidic residue in its loop, it would be interesting  to elucidate whether a mutation of the aspartate (D126) in the loop insertion or a deletion of the  whole loop influences the conjugating activity of Nce2.     4.1.1.3 The N termini of Ubc12 and Nce2 are crucial for an efficient autoNEDDylation   To  gain  a  first  hint  about  the  function  of  autoNEDDylation,  we  aimed  at  identifying  the  NEDDylated lysine residue(s). In vitro NEDDylation assays and subsequent mass spectrometric  analyses  showed  lysine  3,  8,  11,  36  and  45  of  Ubc12  to  be  modified  and  lysine  7,  9  and  15  of  Nce2  (Figure  13).  When  overexpressing  HA‐Ubc12  K3R/K8R/K11R  and  HA‐Nce2  K7R/K9R  together  with  His‐NEDD8  in  cells,  NEDDylation  of  these  E2  mutants  was  slightly  diminished  compared to wt enzymes (Figure 15B). These results are in line with our in vitro data that the  mutated lysines are targets for NEDDylation but that there are additional lysines modified with  NEDD8 (Figure 13). Strikingly, most of the lysine residues we identified to be NEDDylated, are  located in the unique N‐terminal extension of NEDD8‐conjugating enzymes which is not present  in most other E2 enzymes and which is involved in the interaction with APPBP1/UBA3 (Figure  13) (Huang et al., 2004).  Our findings regarding the NEDDylation sites within Ubc12 are in line with a recent publication,  in  which  lysine  8,  11,  12,  21,  25  and  26  were  identified  to  be  modified  with  NEDD8  in  vitro. 

- 79 -

Discussion However,  these  data  suggest  that  Ubc12  is  modified  by  NEDD8  chains  for  which  our  data  adduces  no  evidence  (Jeram  et  al.,  2010).  Our  results  rather  indicate  that  NEDD8  E2  enzymes  might be modified with single NEDD8 moieties at multiple lysine residues (Figure 13, data not  shown).  The  difference  in  the  identified  lysine  residues  between  our  data  and  the  publication  might be due to different digestion methods of the proteins prior to mass spectrometric analysis.  We digested proteins with trypsin, which cleaves C‐terminal of lysines and arginines. Because of  many lysines in the N terminus of Ubc12, some peptides might be too small to be detected and  therefore, we might have missed some  modification sites.  To confirm the NEDDylation sites in  the N termini of the NEDD8 E2 enzymes in cells, further mass spectrometric analyses need to be  conducted.  Upon  IP  of  NEDDylated  Ubc12  and  Nce2  from  cells,  immunoprecipitated  proteins  should  be  digested  using  Lys‐C  instead  of  trypsin.  Tryptic  digest  generates  a  double  glycine  attached  to  a  lysine  residue  both  for  ubiquitin  and  NEDD8  and  therefore,  it  is  not  suitable  to  discriminate between a modification with NEDD8 or ubiquitin.  To further investigate the N‐terminal extension of Ubc12 and Nce2 with respect to an allocation  of NEDDylation sites, we performed assays with deletion mutants lacking the first 26 aa. In vitro  studies  showed  that  these  mutants  are  still  capable  of  forming  a  thioester  bond  with  NEDD8  (Figure  14B),  but  they  are  impaired  in  NEDDylating  themselves  (Figure  14A).  In  cells,  NEDDylation  of  HA‐Ubc12  and  HA‐Nce2  was  significantly  decreased  upon  deletion  of  the              N  terminus.  Nonetheless,  there  was  some  residual  transfer  of  His‐NEDD8  to  the  E2  mutants  lacking the N‐terminal extension (Figure 14C). NEDDylation of Ubc12 despite the lack of the first  26 aa can be explained by the finding that lysines 36 and 45 were also identified as conjugation  sites for NEDD8 in vitro (Figure 13). For Nce2 ΔN26 yet uncovered NEDDylation sites must exist  in the core domain since it was still NEDDylated in cells (Figure 14C).   In  2004,  Huang  et  al.  reported  that  the  N  terminus  of  Ubc12  directly  and  selectively  binds  to  APPBP1/UBA3. Comparison of Ubc12 and Ubc12 ΔN26 revealed a similar kcat for the formation  of  a  thioester  bond  with  NEDD8  in  vitro,  but  a  ~25  fold  higher  Km  for  Ubc12  ΔN26.  However,  Ubc12  ΔN26  was  not  impaired  in  the  transthiolation  reaction  and  the  transfer  of  NEDD8  to  substrates under in vitro conditions (Huang et al., 2004). Under the conditions we used Ubc12  ΔN26  and  Nce2  ΔN26  were  not  impaired  in  thioester  formation  compared  to  wt  enzymes  (Figure  14B).  This  result  might  be  due  to  a  high  level  of  APPBP1/UBA3  applied  in  the  assay  which  probably  compensates  the  defect  in  affinity  (Huang  et  al.,  2004).  Thus,  the  defect  in  autoNEDDylation of the E2s ΔN26 seen in figure 14A does not result from the partial lack of the  interaction  site  with  UBA3.  Nonetheless,  the  question  arises  whether  the  autoNEDDylation  defect of Ubc12 ΔN26 and Nce2 ΔN26 in cells results from a limited amount of APPBP1/UBA3 or  indeed  from  the  deletion  of  the  NEDDylation  sites  (Figure  14C).  To  investigate  this  issue,  all  lysines in the N termini of Ubc12 and Nce2 could be mutated, and the resulting mutants could be  tested for their ability to be modified with NEDD8 within cells. If they would still be NEDDylated 

- 80 -

Discussion with  a  comparable  efficiency  as  wt  E2  enzymes,  it  would  indicate  that  the  N  terminus  is  necessary for mediating the NEDDylation rather than to provide the NEDDylation sites.    Along  these  lines,  we  fused  the  N  terminus  of  either  Ubc12  or  Nce2  to  a  ubiquitin‐conjugating  enzyme  (UbcH5b).  In  a  ubiquitination  assay,  these  fusion  proteins  were  indeed  efficiently  ubiquitinated whereas UbcH5b wt was not (Bachelor thesis S. Kabelitz, University of Konstanz:  “Charakterisierung von NEDD8‐ und Ubiquitin‐konjugierenden Enzymen”). Thus, the N‐terminal  extension of NEDD8‐conjugating enzymes generally seems to be a good target for NEDDylation  or ubiquitination, which may be due to its flexibility and its high content of lysine residues.   

  4.1.2 Possible functions of autoNEDDylation  As  mentioned  above,  automodifications  of  conjugating  enzymes  within  the  ubiquitin‐,  SUMO‐  and  FAT10  system  have  already  been  described  before.  Inhibition  of  activity  by  autoubiquitination of a lysine residue in proximity to the catalytic cysteine was shown both for  UbcH10, an E2 enzyme important for cell cycle regulation, and Ube2t, which is involved in DNA  repair (Lin et al., 2002; Machida et al., 2006; Yamanaka et al., 2000). Furthermore, modification  of  the  SUMO  conjugating  enzyme  Ubc9  at  lysine  14  in  its  N  terminus  has  an  influence  on  its  substrate  specificity  (Knipscheer  et  al.,  2008).  The  exact  function  of  USE1  autoFAT10ylation,  however, remains unclear. It is speculated that USE1 FAT10ylates itself in the absence of an E3  ligase, thereby changing its activity, function or interaction partners (Aichem et al., 2012). Thus,  one  could  hypothesize  similar  outcomes  of  autoNEDDylation  of  NEDD8‐conjugating  enzymes,  which we investigated during these studies (Figure 39).                                        Figure 39. Possible impacts and functions of E2 autoNEDDylation  The modification of either Ubc12 or Nce2 (E2) with NEDD8 at a lysine residue (Lys) in the N terminus might affect  their localization, interactions with E1 enzymes or E3 ligases, substrate specificity or NEDD8 conjugation in general. 

- 81 -

Discussion 4.1.2.1 AutoNEDDylation as regulator of the subcellular localization of Ubc12 and Nce2  Fusions of UBLs to their substrate are widely used as a tool to study function and localization of  modified  substrates.  For  instance,  the  localization  of  p53,  which  can  be  modified  by  ubiquitin,  NEDD8 and SUMO‐1, has been investigated using fusion proteins (Carter and Vousden, 2008). In  general, NEDDylated substrates are not only found in the nuclear portion of the cell but also in  the  cytoplasm  (Furukawa  et  al.,  2000;  Meyer‐Schaller  et  al.,  2009;  Sundqvist  et  al.,  2009).  In  order  to  find  out  whether  autoNEDDylation  of  Ubc12  and  Nce2  has  an  influence  on  their  subcellular  localization,  we  investigated  the  localization  of  NEDD8‐E2  fusion  proteins  using  immunofluorescence  and  cellular  fractionation  assays.  In  immunofluorescence  experiments,  there  was  no  observable  difference  in  the  localization  of  the  fusion  proteins  and  the  wt  conjugating  enzymes:  both  were  mainly  present  in  the  cytoplasm  under  overexpression  conditions  (Figure  18).  In  the  cellular  fractionation  assay,  overexpressed  HA‐Ubc12  mainly  localized  to  the  cytoplasm  and  to  a  minor  percentage  to  the  nucleus  (Figure  19).  In  contrast,    HA‐Nce2 was only detected in the cytoplasmic fraction. Upon fusion of NEDD8 to the N termini  of  the  conjugating  enzymes,  both  Ubc12  and  Nce2  showed  an  enhanced  localization  to  the  nucleus (Figure 19). NEDD8 itself localizes mainly in the nucleus and might therefore contribute  to a change in localization of its conjugating enzymes (Kamitani et al., 1997). Such a change in  localization  might  point  to  a  different  function  that  NEDD8‐E2  fusions  and  thus,  maybe  also  autoNEDDylated E2 enzymes may have in the nucleus. Along these lines, we tested whether DNA  damage leads to a localization of Ubc12, Nce2 or the NEDD8‐E2 fusion proteins to the nucleus.  Upon  cisplatin  treatment,  none  of  these  enzymes  changed  its  localization,  suggesting  that  autoNEDDylation  is  not  involved  in  the  DNA  damage  response  (data  not  shown).  Taken  into  consideration that we identified endogenously NEDDylated  E2 enzymes  only in  the cytoplasm,  overexpression  experiments  might  not  perfectly  reflect  the  endogenous  situation  in  this  case  (Figure 11).     4.1.2.2 Acetylation of NEDD8 E2 enzymes as a competitive modification to NEDDylation  Mass spectrometric data about post‐translational modifications of Ubc12 and Nce2 in the AML  cell line MV4‐11 revealed K3 of Ubc12 and K7 of Nce2 to be acetylated (Choudhary et al., 2009).  These  two  lysine  residues  overlap  with  the  ones  we  found  to  be  monoNEDDylated  in  vitro,  suggesting  that  the  function  of  NEDD8‐conjugating  enzymes  is  regulated  by  different  modifications which at least in part compete for the same lysine residues (Figure 13).   Furthermore, the N‐terminal methionine of Ubc12 and Nce2 can be co‐translationally acetylated  thereby  increasing  the  affinity  to  DCN‐like  (DCNL)  E3  ligases  which  serve  as  scaffold  for  the  NEDDylation of cullins. Since the unique N terminus of NEDD8‐conjugating enzymes contributes  to  the  interaction  with  the  PONY  domain  of  DCNL,  autoNEDDylation  of  N‐terminal  lysine  residues  most  likely  interferes  with  DCNL  binding  (Kurz  et  al.,  2008;  Monda  et  al.,  2013).  To 

- 82 -

Discussion obtain  evidence  about  the  function  of  autoNEDDylation,  it  should  be  tested  whether  it  indeed  affects  DCNL‐mediated  NEDDylation  of  cullins  and  whether  N‐terminal  acetylation  and  NEDDylation  in  the  respective  N  terminus  of  Ubc12  or  Nce2  can  occur  simultaneously  or  are  mutually  exclusive.  There  are  already  some  indications  that  methionine  acetylation  does  not  generally  interfere  with  autoNEDDylation:  upon  overexpression  of  C‐terminally  tagged  Ubc12  and  Nce2,  we  still  detected  autoNEDDylation  with  overexpressed  NEDD8  (data  not  shown).  Furthermore,  a  publication  about  a  screen  for  ubiquitinated  proteins  revealed  both  an  acetyl  group at the N‐terminal methionine  of Ubc12 and a diglycine at lysine 3. Nonetheless, it is not  clear which UBL was attached to K3 since tryptic digest of both ubiquitin and NEDD8 leads to a  double glycine motif attached to a lysine residue (Wagner et al., 2011).     4.1.2.3 AutoNEDDylation enhances the affinity of NEDD8 E2s to APPBP1/UBA3  The  structure  of  the  N  terminus  of  Ubc12  bound  to  APPBP1/UBA3  demonstrates  that  the            N‐terminal  extension,  especially  the  hydrophobic  residues  F5  and  L7,  interacts  with  the  adenylation domain of UBA3 (Huang et al., 2004). Moreover, there is evidence that mutation of  K12 within Ubc12 decreases the relative binding affinity to the E1 enzyme (Huang et al., 2004).  Hence,  a  modification  of  this  or  the  adjacent  lysine  residue  with  NEDD8  might  impair  the  interaction  with  APPBP1/UBA3  (Figure  13)  (Jeram  et  al.,  2010).  To  investigate  whether  autoNEDDylation  in  the  N  terminus  of  Ubc12  and  Nce2  has  an  effect  on  the  affinity  to  APPBP1/UBA3,  we  performed  a  GST‐pulldown  assay.  Surprisingly,  autoNEDDylated  NEDD8‐ conjugating enzymes showed higher affinity to the NEDD8 E1 enzyme (Figure 16). This finding  needs to be confirmed using other approaches such as size exclusion chromatography. However,  the pulldown data were supported by results obtained using NEDD8‐E2 fusion proteins. In vitro  translation reactions showed NEDD8‐Ubc12 C111S and NEDD8‐Nce2 C116S to form an oxyester  bond with NEDD8 more efficiently than wt E2s bearing the same mutation (Figure 17 and data  not shown). This result points to an increased reaction rate which might be due to an enhanced  affinity of the NEDD8‐E2 fusions to APPBP1/UBA3 present in the reticulocyte lysate. Moreover,  NEDD8‐E2 fusions were more efficiently modified with His‐NEDD8 than wt E2 enzymes both in  vitro and in cellulo (Figures 15B and 15C). However, the enhanced NEDDylation in cells was not  completely dependent on the catalytic cysteine as found by the use of cysteine mutants (data not  shown). Thus, NEDD8 attached to a lysine in the N terminus of E2 enzymes itself might be a good  target for the conjugation of further NEDD8 moieties although it is not clear yet, whether NEDD8  indeed  forms  chains  under  normal  cellular  conditions.  So  far,  there  is  only  evidence  for  the  formation of NEDD8 chains and mixed chains consisting of NEDD8 and ubiquitin moieties upon  cellular  stress  such  as  heat  shock  or  oxidative  stress  (Leidecker  et  al.,  2012).  Consistently,  we  identified  only  monoNEDDylated  Ubc12  under  endogenous  conditions  and  monoNEDDylated,  stably expressed HA‐Nce2 (Figure 11B, data not shown).  

- 83 -

Discussion The enhanced affinity of NEDDylated Ubc12 and Nce2 to the E1 enzyme points to an interaction  of  the  attached  NEDD8  with  APPBP1/UBA3.  This  heterodimeric  E1  possesses  two  known  NEDD8‐binding  sites:  a  non‐covalent  one  in  the  cleft  between  the  catalytic  cysteine–  and  the  adenylation  domain,  and  the  catalytic  cysteine  residue  which  covalently  binds  NEDD8  at  its        C‐terminal  glycine  residue  (Walden  et  al.,  2003a;  Walden  et  al.,  2003b).  Hence,  one  could  speculate that the autoNEDDylated E2 enzymes have  a higher affinity to the E1 enzyme as the  conjugated NEDD8 in their N terminus is non‐covalently bound to the adenylation site. However,  our  data  shows  NEDD8‐E2  fusion  proteins  to  be  NEDDylated  at  multiple  lysine  residues  and  more active in oxyester formation as well as autoNEDDylation than wt E2 enzymes (Figures 13,  15B and 17; data not shown). Thus, the NEDD8 E1 enzyme is still capable of transferring NEDD8  to autoNEDDylated E2 enzymes or NEDD8‐E2 fusions indicating that its adenylation site can be  occupied  by  free  NEDD8,  and  that  there  might  be  a  yet  uncharacterized  interaction  site  for  NEDD8  on  the  E1  enzyme.  Nonetheless,  Ubc12  and  Nce2  are  only  monoNEDDylated  under  endogenous/stable  expression  conditions  within  cells,  indicating  that  the  autoNEDDylation  reaction  is  stopped  or  at  least  slowed  down  after  the  transfer  of  one  NEDD8  moiety  to  the  E2  enzymes  (Figure  11B,  data  not  shown).  In  conclusion,  an  identification  of  the  interaction  site  between  NEDD8  attached  to  the  conjugating  enzyme  and  APPBP1/UBA3  by  mutating  surface  residues  or  NMR  measurements  would  provide  further  insights  into  the  function  of  autoNEDDylation.   Alternatively,  an  already  described  mechanism  could  account  for  the  enhanced  affinity  of  autoNEDDylated  E2  enzymes  to  their  E1.  In  addition  to  a  covalent  interaction,  ubiquitin  and  SUMO  were  found  to  non‐covalently  interact  with  their  E2  enzymes  UbcH5  and  Ubc9,  respectively, at the opposite surface of the catalytic cysteine, thereby enhancing the processivity  of  conjugation  (Brzovic  et  al.,  2006;  Knipscheer  et  al.,  2007;  Sakata  et  al.,  2010).  Hence,  the  NEDD8 moiety attached to the flexible N terminus of Ubc12 and Nce2 might bind to the backside  of  the  conjugating  enzyme  in  a  similar  manner  as  these  “free”  UBLs.  This  non‐covalent  interaction  of  the  attached  NEDD8  with  the  E2  enzyme  might  then  lead  to  a  conformational  change  which  enhances  the  affinity  to  APPBP1/UBA3.  However,  as  shown  in  chemical  shift  perturbation  experiments,  free  NEDD8  only  non‐covalently  interacts  with  the  ubiquitin  E2  enzyme UbcH5b through its hydrophobic patch around I44, but not with Ubc12. This interaction  is  speculated  to  enable  a  recruitment  of  ubiquitin‐loaded  E2s  to  NEDDylated  cullin‐RING  complexes (Sakata et al., 2007).            

- 84 -

Discussion 4.1.2.4 Further possible functions and impacts of autoNEDDylation   As  binding  of  E1  enzymes  and  E3  ligases  to  conjugating  enzymes  is  mutually  exclusive,  the  enhanced interaction of autoNEDDylated NEDD8 E2 enzymes with APPBP1/UBA3 may suggest  the function of a switch‐off mechanism for the whole NEDDylation cascade (Wenzel et al., 2011).  Usually,  E2  enzymes  only  bind  their  cognate  E1  enzyme  with  significant  affinity  if  it  is  loaded  with  the  UBL,  and  APPBP1/UBA3  readily  releases  the  E2  as  soon  as  the  latter  is  loaded  with  NEDD8  (Haas  et  al.,  1988;  Huang  et  al.,  2007;  Schulman  and  Harper,  2009).  Hence,  if  no  substrate is present, the E2 enzymes might NEDDylate themselves thereby sequestering the E1  enzyme and  inhibiting an interaction  with an  E3 ligase, whose binding site on the E2 overlaps  with the one of the E1 enzyme (Wenzel et al., 2011). Additionally, the interaction between the  respective E1 and the E2 enzyme was shown to inhibit further adenylation of SUMO, ubiquitin  and NEDD8 (Siepmann et al., 2003; Wang et al., 2010; Wee et al., 2000). Nonetheless, it is very  likely  that  the  autoNEDDylated  forms  of  Ubc12  and  Nce2  still  form  thioester  linkages  with  NEDD8  as  we  identified  Ubc12  and  Nce2  to  be  modified  with  more  than  one  NEDD8  in  vitro  (Figures 15A and C). Along these lines, the question arises whether autoNEDDylated E2 enzymes  still  bind  to  APPBP1/UBA3  if  they  carry  a  NEDD8  at  their  catalytic  cysteine  residue.  In  conclusion, a possible involvement of autoNEDDylation in substrate NEDDylation and the effect  of acetylation in the N termini of Ubc12 and Nce2 require further investigation. Overexpression  of Ubc12 and Nce2 mutants lacking all lysine residues in the respective knockdown cells would  be  a  suitable  tool  to  gain  first  hints  about  the  effect  of  autoNEDDylation  on  substrate  NEDDylation under cellular conditions. In addition, the activity of NEDDylated and unmodified  NEDD8‐conjugating  enzymes  towards  substrates  could  be  analyzed  by  in  vitro  NEDDylation  experiments of cullins (Morimoto et al., 2003).  On the one hand, switching off the NEDDylation cascade by autoNEDDylation seems to be likely  because of an enhanced interaction of APPBP1/UBA3 and a NEDD8‐conjugating enzyme. On the  other hand, it is not clear why such a mechanism should exist. However, autoNEDDylation might  be necessary to maintain a distinct pool of free NEDD8 to avoid its usage be the ubiquitination  machinery being triggered by a change in the ratio of free NEDD8 to free ubiquitin (Hjerpe et al.,  2012; Leidecker et al., 2012).   As our findings indicate that autoNEDDylation of Ubc12 or Nce2 leads to a higher affinity to the  E1  enzyme,  one  can  speculate  about  several  further  possibilities  for  the  function  of  this  modification  apart  from  a  switch‐off  mechanism  (Figures  15,  16  and  17).  Since  NEDD8‐E2  fusions  show  an  enhanced  efficiency  compared  to  wt  E2  enzymes  in  oxyester  formation  and  autoNEDDylation  reactions,  NEDDylation  of  Ubc12  and  Nce2  in  their  N  termini  might  increase  the efficiency of substrate NEDDylation either in general or dependent on the substrate (Figures  15C  and  17).  Such  a  function  of  autoNEDDylation  would  be  in  agreement  with  the  one  of  autoSUMOylation of Ubc9 which enhances SUMOylation for selective substrates (Knipscheer et 

- 85 -

Discussion al.,  2008).  To  gain  first  insights  into  this  issue,  one  could  compare  the  total  amount  of  NEDDylated  substrates  within  E2  knockdown  cells  stably  expressing  the  E2  or  the  NEDD8‐E2  fusion protein. However, it must be considered that the acetylation of the N‐terminal methionine  of  Ubc12  and  Nce2  is  inhibited  by  N‐terminal  fusion  to  NEDD8,  which  might  affect  substrate  NEDDylation (Monda et al., 2013).  Furthermore,  the  attached  NEDD8  in  the  N  terminus  of  Ubc12  and  Nce2  might  provide  an  interaction site for  various proteins in the cell. Therefore, binding of E3 ligases to the  NEDD8‐ conjugating  enzymes  and  hence,  substrate  specificity  may  be  regulated  by  autoNEDDylation.  Additionally,  autoNEDDylation  of  Ubc12  and  Nce2  might  enable  these  conjugating  enzymes  to  transfer NEDD8 without the action of an E3 ligase by direct interaction with certain substrates.  Most SUMO substrates contain an Ubc9‐interaction motif enabling a direct binding of the SUMO  conjugating  enzyme  Ubc9  (Bernier‐Villamor  et  al.,  2002).  Thus,  an  interaction  motif  for  autoNEDDylated NEDD8 E2 enzymes might exist within some NEDD8 substrates.   Alternatively, the attached NEDD8 might also interact with another NEDD8‐conjugating enzyme,  thereby  leading  to  dimer  formation  which  in  turn  increases  E1  binding.  Dimer  formation  has  already been shown for Ubc13 and the inactive E2 variant Mms2 which orientates ubiquitin in a  way to facilitate the formation of a K63‐linked chain (Hofmann and Pickart, 1999; VanDemark et  al., 2001). However, we could not detect any binding of NEDD8‐E2 fusions to wt E2 enzymes in  GST‐pulldown  assays  (data  not  shown).  Nonetheless,  these  results  need  to  be  confirmed  to  exclude  a  function  of  conjugated  NEDD8  in  the  N‐termini  of  E2  enzymes  as  an  intensifier  of  processivity on the level of the E2.   In  2012,  NEDD8  has  been  shown  to  be  activated  by  the  ubiquitin  E1  enzyme  under  cellular  stress conditions (Hjerpe et al., 2012; Leidecker et al., 2012). In these publications, nothing was  mentioned  about  to  which  E2  enzyme  NEDD8  is  transferred  upon  activation.  Hence,  it  is  worthwhile  to  test  whether  autoNEDDylated  Ubc12  and  Nce2  are  capable  of  interacting  with  and accepting NEDD8 from UBA1. Binding of E1 to their cognate E2 enzymes differs between the  NEDD8‐  and  the  ubiquitin‐conjugation  system.  In  the  NEDDylation  cascade,  there  is  a  mainly  hydrophobic interaction between the UFD of APPBP1/UBA3 and Ubc12 (Huang et al., 2005). In  the  ubiquitin  system,  however,  this  interaction  is  organized  by  polar  contacts  (Lee  and  Schindelin,  2008).  Thus,  these  findings  argue  against  binding  of  autoNEDDylated  E2s  to  UBA1.  Nonetheless,  NEDD8  attached  to  the  N  termini  of  NEDD8‐conjugating  enzymes  might  lead  to  binding of UBA1 by changing the interaction surface. UBA1 might therefore be able to transfer  ubiquitin  to  autoNEDDylated  E2  enzymes.  Concordantly,  Ubc12  thioester  formation  with  ubiquitin  via  UBA1  can  be  forced  by  high  concentration  of  UBA1  and  a  long  incubation  time  (Huang  et  al.,  2008).  In  addition,  deletion  of  the  N  terminus  of  Ubc12  facilitates  an  interaction  with the ubiquitin‐activating enzyme (Huang et al., 2008). To address whether autoNEDDylated 

- 86 -

Discussion NEDD8‐conjugating  enzymes  indeed  interact  with  UBA1,  thioester  assays  including  NEDD8  or  ubiquitin, UBA1 and NEDD8‐E2 fusion proteins would be suitable.    In  conclusion,  our  data  show  that  autoNEDDylation  of  Ubc12  and  Nce2  in  their  unique                   N terminus leads to an enhanced affinity to APPBP1/UBA3. Moreover, we provide evidence that  autoNEDDylated  E2  enzymes  are  present  in  the  cytoplasm.  The  outcome  of  the  enhanced  interaction between NEDD8 E1 and E2 enzymes upon autoNEDDylation which might switch off  the NEDDylation cascade, induce a change in substrate specificity or lead to enhanced substrate  NEDDylation still needs to be elucidated.                                                        

- 87 -

Discussion

4.2 Interplay between PCNA and the NEDD8 system     The sliding clamp PCNA is not only of big importance for proper replication of DNA but also for  appropriate repair upon DNA damage, hence playing a major role in maintaining the integrity of  DNA (Hubscher and Maga, 2011). In accordance to results obtained during these studies, NEDD8  may be an additional posttranslational modification regulating PCNA functions. 

  4.2.1 PCNA as an interaction partner of NEDD8  In  an  affinity  pulldown,  we  identified  PCNA  as  a  possible  interaction  partner  of  NEDD8  and  ubiquitin  (Table  2).  Subsequently,  we  confirmed  a  direct  interaction  in  a  GST‐pulldown  assay  using  N‐  or  C‐terminally  GST‐tagged  NEDD8  and  ‐ubiquitin,  the  latter  of  which  should  mimic  NEDDylated  or  ubiquitinated  proteins  (Figure  21,  data  not  shown).  These  data  indicate  that  PCNA can interact with NEDDylated or ubiquitinated proteins in the cell. Notably, the position of  the  tag  had  no  influence  on  binding  to  PCNA  (data  not  shown).  As  PCNA  plays  a  role  in  DNA  replication  and  repair,  binding  of  polymerases  to  PCNA  may  be  regulated  by  ubiquitination  or  NEDDylation.  It  is  already  known  that  upon  DNA  damage,  the  family  of  Y‐polymerases  is  recruited  to  ubiquitinated  PCNA  via  its  ubiquitin‐binding  domain  (UBD).  Y‐polymerases  themselves  can  also  be  monoubiquitinated  leading  to  a  preferred  binding  of  the  UBD  to  this  ubiquitin so that the polymerase can no longer interact with PCNA (Bienko et al., 2005; Bienko et  al., 2010). In addition, the interaction of replicative polymerases with PCNA may be regulated by  ubiquitination and/or NEDDylation. Along these lines, the polymerase  δ subunits p12 and p66  were  identified  to  be  targets  for  ubiquitination  (Liu  and  Warbrick,  2006).  However,  whether  replicative polymerases are indeed modified with NEDD8 and what would be the effect on the  interaction with PCNA still needs to be investigated. Interestingly, in the affinity pulldown with  NEDD8  and  ubiquitin  we  also  found  DNA  polymerase  δ‐interacting  protein  2  (POLDIP2),  an  interaction  partner  of  PCNA,  polymerase  δ  and  the  Y‐polymerase  η  (Table  2)  (Liu  et  al.,  2003;  Tissier et al., 2010). This result may simply be explained by complex formation with PCNA, thus  confirming the interaction of PCNA with NEDD8 and ubiquitin. Moreover, although POLDIP2 was  already  found  to  interact  with  PCNA  independently  of  NEDD8  and  ubiquitin,  there  might  be  a  regulatory role for both UBLs in this context (Liu et al., 2003). To gain further insights into the  function  of  PCNA  binding  to  NEDD8  or  ubiquitin,  the  interaction  sites  should  be  mapped.  Furthermore, it would be worthwhile to test whether DNA‐bound,  trimeric PCNA still binds to  NEDD8 or ubiquitin.   PCNA  is  a  substrate  for  SUMOylation  and  the  SUMO  conjugating  enzyme  Ubc9  interacts  with  PCNA in a two‐hybrid assay (Gali et al., 2012; Hoege et al., 2002; Moldovan et al., 2012; Pfander 

- 88 -

Discussion et  al.,  2005).  As  our  data  indicate  PCNA  to  be  a  substrate  for  NEDDylation,  we  speculated  that  PCNA interacts with NEDD8‐loaded E2s before being modified with NEDD8 (Figure 22). So far,  nothing  is  known  about  whether  there  is  a  direct  interaction  of  Ubc12  and  Nce2  with  their  substrates. An interaction with an E3 ligase, however, has only been shown for Ubc12 and the E3  ligases  RBX1  and  RNF111  yet  (Calabrese  et  al.,  2011;  Ma  et  al.,  2013).  Thus,  it  seems  possible  that NEDD8 E2s interact directly with their substrate and that this interaction is stimulated by a  NEDD8 moiety conjugated to the E2 enzyme via thioester bond. This hypothesis is supported by  the identification of Histone H4 as interaction partner of His‐NEDD8 which was recently shown  to  act  as  a  substrate  for  NEDD8  (Table  2)  (Ma  et  al.,  2013).  To  investigate  this  issue,  we  performed an IP of overexpressed E2s and the E3 ligase Rad18 as a control and tested whether  PCNA is bound (Figure 25). In order to distinguish between free and chromatin‐bound PCNA, we  divided cell lysate into a triton‐soluble and ‐insoluble fraction. Myc‐Rad18 interacted with PCNA  in both fractions. Ubc12 and Nce2, however, were only found in the triton‐soluble fraction where  they did not interact with PCNA in detectable amounts (Figure 25). Nonetheless, there might be  a binding to PCNA in a NEDD8‐dependent manner which could be tested in an in vitro pulldown  assay using NEDD8‐conjugating enzymes bearing an oxyester‐bound NEDD8. For this approach,  NEDD8 could also be linked to the active site of the E2 via an isopeptide bond by mutating the  catalytic  cysteine  to  a  lysine  residue  (Plechanovova  et  al.,  2012).  Since  an  interaction  between  PCNA and the E2s might only take place under certain cellular conditions such as a distinct cell  cycle  phase,  one  should  repeat  the  IP  with  synchronized  cells  that  are  harvested  in  different  stages of cell cycle. Additionally, it is important to perform the IP under non‐reducing conditions  or in the presence of an alkylating agent so that the E2 enzymes are still loaded with NEDD8.   In conclusion, one should elucidate whether free NEDD8 and ubiquitin bind to PCNA in cells or  whether they need to be attached to a substrate. To this end, a combination of PCNA‐pulldown  and mass spectrometric analysis of interacting proteins would be useful. 

  4.2.2 PCNA as a substrate for NEDD8  4.2.2.1 Evidence for NEDDylation of PCNA in vitro and in cellulo  In vitro and in cellulo NEDDylation assays indicated that PCNA can be monoNEDDylated (Figure  22).  In  vitro,  both  NEDD8‐conjugating  enzymes  were  capable  of  transferring  NEDD8  to  PCNA.  The  double  band  appearing  upon  addition  of  the  NEDD8‐conjugating  system  may  result  from  modification  at  two  different  lysine  residues  within  PCNA  (Figure  22B).  Alternatively,  a  truncated translation product generated by using an internal methionine as start codon may be  modified with NEDD8. The E3 ligase needed for catalysis of the NEDD8 transfer from the E2 to  PCNA must be present in the reticulocyte lysate used for in vitro translation of PCNA, especially  because NEDDylation of bacterially expressed PCNA was not detectable without addition of an 

- 89 -

Discussion E3 ligase (data not shown). Since the efficiency of NEDDylation in the in vitro NEDDylation assay  was very low, one should investigate whether DNA binding of PCNA increases its modification  with NEDD8 (Figure 22B). Moreover, the addition of an E3 ligase mediating the NEDDylation of  PCNA  might  enhance  its  modification  in  vitro,  too.  As  all  known  NEDD8  E3  ligases  are  RING‐ ligases showing dual specificity for NEDD8 and ubiquitin, a possible candidate is Rad18, an E3  ligase responsible for the monoubiquitination of PCNA (Broemer et al., 2010; Hoege et al., 2002;  Huang et al., 2008; Morimoto et al., 2003; Oved et al., 2006; Xirodimas et al., 2004). Interestingly,  co‐expression  of  Rad18  and  His‐NEDD8  strongly  enhanced  the  conjugation  of  NEDD8  to  endogenous  PCNA  in  cells.  Rad18  therefore  very  likely  represents  the  E3  ligase  not  only  for  ubiquitination but also for NEDDylation of PCNA (Figure 24). However, we cannot exclude that  Rad18  indirectly  affects  monoNEDDylation  of  PCNA  in  cellulo.  To  elucidate  this  issue,  an  E2  binding  mutant or catalytically inactive  mutant of Rad18 should be compared to the wild‐type  (Hibbert  et  al.,  2011).  To  confirm  the  E3  ligase  activity  of  Rad18  towards  NEDD8,  in  vitro  NEDDylation  assays  and  pulldown  assays  with  Rad18  and  the  NEDD8‐conjugating  enzymes  should be performed.  As already mentioned, our results also showed endogenous PCNA to be monoNEDDylated upon  overexpression of His‐NEDD8 (Figure 22A). In coincidence with our in vitro results, we always  detected  a  double  band  at  the  size  of  monoNEDDylated  PCNA  (Figure  24).  Thus,  two  different  lysines might be modified with His‐NEDD8 or another small post‐translation modification such  as a phosphate group might in addition be attached to one monoNEDDylated form of PCNA (see  4.2.2.2) (Wang  et al., 2006). Unfortunately, we were not able  to show PCNA NEDDylation with  endogenous NEDD8. A Ni‐pulldown from MCF‐7 cells stably expressing His‐NEDD8 also did not  yield NEDDylated PCNA (data not shown) (Xirodimas et al., 2004). Although we found modified  PCNA with a size of ~40 kDa upon IP, we could not definitely prove whether it corresponds to a  monoNEDDylated  or  a  monoubiquitinated  form  of  PCNA  (data  not  shown).  Treatment  of  this  modified  PCNA  with  either  a  deNEDDylating‐  or  a  deubiquitinating  enzyme  reduced  the  modification but both enzymes were not specific for either cleaving ubiquitin or NEDD8 under  the  conditions  used.  Moreover,  probably  due  to  low  detection  efficiencies,  NEDD8‐  and  ubiquitin‐specific  antibodies  did  not  detect  modified  PCNA  (data  not  shown).  Hence,  NEDDylated PCNA might be present at very low levels under normal cellular conditions and the  conjugation of NEDD8 to PCNA might depend on a special trigger such as stress conditions or a  distinct cell cycle phase. Furthermore, the existence of NEDDylated PCNA at endogenous NEDD8  levels  is  supported  by  the  fact  that  it  was  found  in  HeLa  cells  stably  expressing  TAP‐tagged  NEDD8 (Xirodimas et al., 2008).  As  both  PCNA  ubiquitination  and  SUMOylation  with  SUMO‐1  at  lysine  164  has  already  been  described,  we  also  had  a  look  at  these  two  modifications  (Gali  et  al.,  2012;  Hoege  et  al.,  2002;  Kannouche et al., 2004). Upon overexpression of His‐ubiquitin and subsequent Ni‐pulldown, we 

- 90 -

Discussion found  PCNA  to  be  monoubiquitinated  which  is  a  marker  for  ongoing  translesion  synthesis  (Figure 22A) (Hoege et al., 2002; Kannouche et al., 2004; Terai et al., 2010). As DNA preparations  usually contain a portion of nicked DNA, transient overexpression conditions might cause DNA  repair.  Alternatively,  monoubiquitination  might  have  a  yet  unknown,  additional  function  on  PCNA.  Overexpression  of  Rad18  enhanced  monoubiquitination  of  PCNA  thereby  confirming  its  function as an E3 ligase (Figure 24) (Hoege et al., 2002; Watanabe et al., 2004). Although Hdm2  was  published  to  act  as  ubiquitin  E3  ligase  for  PCNA  (Groehler  and  Lannigan,  2010),  its  overexpression did neither have an effect on NEDDylation nor on ubiquitination of PCNA in our  hands  (data  not  shown).  Moreover,  we  never  detected  polyubiquitinated  PCNA  in  our  assays,  which  is  involved  in  error‐free  DNA  repair  pathways  (K63‐linked  chain)  or  serves  as  degradation  signal  (Bergink  and  Jentsch,  2009;  Lo  et  al.,  2012).  In  contrast,  SUMOylation  of  PCNA inhibits recombination during S phase of the cell cycle and is important for the prevention  of double strand breaks (Gali et al., 2012; Moldovan et al., 2012). In overexpression experiments,  we  did  not  find  PCNA  to  be  modified  with  His‐SUMO‐1  whereas  we  were  able  to  pull  down  SUMOylated p53 as positive control (Figure 22A, data not shown). This result might be due to a  too low amount of cells in S phase. Therefore, a synchronization of cells and harvest in S phase  might reveal SUMOylation of PCNA.    4.2.2.2 Effects of MLN4924 on the NEDDylation of PCNA  Recently,  the  activation  of  NEDD8  by  the  ubiquitin  E1  enzyme  UBA1  upon  overexpression  of  NEDD8 or under diverse stress conditions in the cell has been described. Transfer of NEDD8 to  any  of  several  tested  ubiquitin  E2  enzymes  in  turn  leads  to  NEDDylation  of  otherwise  ubiquitinated  substrates.  However,  it  remains  to  be  verified  that  this  mechanism  is  physiologically relevant (Hjerpe et al., 2012; Leidecker et al., 2012).   Because of these data we tested whether NEDDylation of PCNA is indeed mediated by enzymes  of the NEDDylation cascade in cellulo. We could show that treating cells with the APPBP1/UBA3  inhibitor  MLN4924  for  20  h  significantly  diminished  monoNEDDylation  of  PCNA.  However,  neither  overexpression  of  the  deNEDDylating  enzyme  NEDP1  nor  treatment  with  MLN4924  completely  abolished  monoNEDDylation  of  PCNA,  suggesting  NEDDylated  PCNA  to  be  very  stable  (Figure  23B).  This  finding  is  supported  by  the  facts  that  we  did  not  see  an  effect  of  MLN4924  when  treating  cells  only  for  3  h  and  that  NEDP1  predominantly  localizes  to  the  cytoplasm (data not shown)  (Sundqvist et al., 2009). Hence, mainly the nuclear fraction of PCNA  might  be  NEDDylated  via  the  NEDD8  cascade.  Moreover,  a  minor  amount  of  NEDD8  might  indeed  be  activated  by  UBA1  and  transferred  to  PCNA  via  the  ubiquitin  system.  However,  it  is  not  clear  yet  whether  only  mixed  chains  consisting  of  ubiquitin  and  NEDD8  are  formed  upon  overexpression of NEDD8 or whether monoNEDDylation, which we found for PCNA, can also be  mediated by UBA1 (Leidecker et al., 2012). 

- 91 -

Discussion The  NEDD8  E1‐inhibitor  MLN4924  forms  an  NEDD8‐AMP  mimetic  which  occupies  the  nucleotide  binding  pocket  within  APPBP1/UBA3,  thereby  interfering  with  NEDD8  activation.  The complex of APPBP1/UBA3 and the NEDD8‐MLN4924 adduct is very stable as demonstrated  by a dissociation constant of less than 1 nM (Brownell et al., 2010). Treatment of HCT‐116 cells  with 0.3 µM MLN4924 was shown to result in S phase arrest after 8 h, and DNA damage as well  as apoptosis after 24 h (Soucy et al., 2009). In addition, re‐replication and checkpoint activation  are induced by MLN4924 because of a stabilization of the DNA replication factor Cdt1 (Lin et al.,  2010). These findings complicate the interpretation of our data obtained by using MLN4924. In  immunofluorescence  experiments,  we  found  an  accumulation  of  PCNA  in  large  S  phase  foci  already  after  3  h  of  treatment  with  1  µM  MLN4924,  indicating  an  arrest  in  S  phase  (data  not  shown) (Essers et al., 2005). In addition, 20 h of treatment probably resulted in DNA damage as  seen by the appearance of a band at the size of monoubiquitinated PCNA, which gives notice of  ongoing  repair  mechanisms  (Figure  23B).  Thus,  data  obtained  by  using  MLN4924  to  prove  NEDDylation by APPBP1/UBA3 should be interpreted carefully with respect to secondary effects  because  of  cell  cycle  arrest.  For  example,  as  shown  in  figure  23B  NEDDylation  of  PCNA  might  only  decrease  upon  addition  of  MLN4924  as  DNA  damage  induces  ubiquitination  of  the  same  lysine  and  not  because  of  the  inhibition  of  APPBP1/UBA3.  Modification  of  endogenous  PCNA  with overexpressed His‐NEDD8 might therefore be catalyzed by enzymes of the ubiquitination  cascade, the physiological relevance of which must be proven (Hjerpe et al., 2012; Leidecker et  al., 2012). However, the fact that PCNA is NEDDylated by APPBP1/UBA3 and Ubc12 or Nce2 in  vitro, and the finding of NEDDylated PCNA in a cell line stably expressing NEDD8 point to PCNA  to  be  a  new  substrate  of  the  NEDD8  system  (Xirodimas  et  al.,  2008).  Nonetheless,  conditions  under which PCNA is modified with endogenous NEDD8 as well as the physiological function of  this modification remain to be determined.    4.2.2.3 Hints for possible functions of NEDDylated PCNA  Both  ubiquitin  and  SUMO‐1  are  attached  to  lysine  residue  164  of  PCNA  (Hoege  et  al.,  2002;  Kannouche et al., 2004). In addition, SUMOylation can occur at K254 (Gali et al., 2012). To test  whether NEDD8 is also conjugated to K164, we included a K164R mutant in our assays. In vitro,  we  found  K164R  mutant  to  be  as  efficiently  NEDDylated  as  wt  PCNA  (Figure  22B).  In  cells,  however,  mutation  of  K164  completely  abolished  monoNEDDylation  (Figure  22C).  This  result  demonstrates that K164 is at least necessary for NEDD8 attachment in cellulo by serving either  as NEDDylation site or by recruiting NEDDylating enzymes. In contrast, under in vitro conditions  NEDD8  might  either  be  generally  conjugated  to  another  lysine  residue  or  mutation  of  K164  forces  the  usage  of  an  alternative  lysine  residue  for  the  attachment  of  NEDD8.  If  K164  was  indeed  the  conjugation  site  for  NEDD8,  this  would  lead  to  a  competition  of  three  different  modifications  namely  SUMOylation,  ubiquitination  and  NEDDylation,  for  one  single  lysine 

- 92 -

Discussion residue, probably depending on different cellular conditions. A similar situation is found in the  regulation  of  p53.  Its  lysine  residues  in  the  C‐terminal  domain  are  targets  for  methylation,  acetylation,  NEDDylation,  ubiquitination  and  SUMOylation.  NEDD8  and  ubiquitin  both  can  be  conjugated  to  K370,  K372  and  K373  whereas  SUMO‐1  and  ubiquitin  can  be  attached  to  K386.  However, defined function and exact regulation of these modifications remain to be determined  (summarized in (Kruse and Gu, 2009).   PCNA is constitutively  expressed but resides in the nucleus only in S phase of the cell cycle or  upon DNA damage (Bravo and Macdonald‐Bravo, 1985; Celis and Madsen, 1986; Takasaki et al.,  1981;  Toschi  and  Bravo,  1988).  To  address  whether  free  or  chromatin‐bound  PCNA  is  NEDDylated,  we  used  PCNA  Y211F  which  cannot  be  phosphorylated  anymore,  leading  to  its  inability to bind to DNA, its polyubiquitination and subsequent proteasomal degradation (Lo et  al.,  2012;  Wang  et  al.,  2006).  In  our  hands,  PCNA  Y211F  levels  were  comparable  to  wt  and  polyubiquitination was not detected. Therefore, additional experiments including a proteasome  inhibitor  need  to  be  performed.  Furthermore,  our  data  demonstrate  that  PCNA  Y211F  is  monoNEDDylated  with  the  same  efficiency  as  PCNA  wt,  suggesting  that  free  PCNA  serves  as  NEDD8  substrate  (Figure  26).  Since  there  is  free  and  chromatin‐bound  wt  PCNA,  we  cannot  draw  a  conclusion  about  whether  chromatin‐bound  PCNA  can  also  be  NEDDylated.  Therefore,  dividing  cell  lysate  in  a  triton‐soluble  and  a  triton‐insoluble  fraction  might  give  further  information about this issue.   Recently, it was shown that some ubiquitin‐binding domains such as the UBA domain of Rad23  bind  both  to  ubiquitin  and  Rub1  (yeast  NEDD8)  (Singh  et  al.,  2012).  Therefore,  some  polymerases  might  recognize  NEDDylated  and/or  ubiquitinated  PCNA  dependent  on  cellular  conditions. Since ubiquitinated PCNA recruits polymerases mediating translesion synthesis and  a similar electrostatic distribution is found on the surface of ubiquitin and NEDD8, NEDDylated  PCNA might also be involved in DNA repair mechanisms (Davies et al., 2008; Hoege et al., 2002;  Whitby et al., 1998). Alternatively, PCNA NEDDylation might inhibit its ubiquitination if no DNA  damage or replication stress is present. However, it is not clear when SUMOylation comes into  play  and  how  the  switch  between  these  three  different  modifications  is  controlled.  In  budding  yeast,  there  is  evidence  that  SUMOylated  PCNA  recruits  the  ubiquitin  E3  ligase  Rad18  via  its  SUMO‐interaction motif. Furthermore, the activity of Rad18 is stimulated by PCNA SUMOylation  but not completely dependent on SUMO. These data  also suggest that different subunits of the  PCNA  trimer  are  SUMOylated  and  ubiquitinated  at  the  same  time.  Moreover,  probably  neither  ubiquitination nor SUMOylation occurs at all three subunits of the PCNA trimer simultaneously  (Parker and Ulrich, 2012).   In  addition  to  SUMOylation  and  the  Rad18/Rad5‐mediated  ubiquitination  involved  in  DNA  repair  mechanisms,  K164  of  PCNA  has  been  described  as  target  of  the  Cullin4A‐RING  complex  (CRL4). Like Rad18, CRL4 catalyzes the monoubiquitination of PCNA in cells during replication, 

- 93 -

Discussion thereby  promoting  DNA  repair.  A  major  difference  between  Rad18  and  CRL4,  however,  is  the  trigger  for  ubiquitination:  Rad18  acts  upon  externally  induced  DNA  damage,  whereas  CRL4  regulates  monoubiquitination  of  PCNA  in  unperturbed  cells  (Terai  et  al.,  2010).  Furthermore,  polyubiquitination of PCNA by CRL4 leads to its proteasomal degradation (Lo et al., 2012). Thus,  NEDDylation  of  PCNA  at  lysine  164  might  protect  PCNA  from  being  degraded.  A  similar  antagonistic effect of NEDDylation and ubiquitination has been published for the TGF‐β type II  receptor which, when NEDDylated, is protected from ubiquitination and degradation (Zuo et al.,  2013). Moreover, CRL4(Cdt2)‐mediated degradation of several substrates such as p21 or Cdt1 in  S phase or upon DNA damage depends on PCNA. A PCNA‐binding motif (PIP‐box) within these  substrates interacts with PCNA, thereby creating a degron recruiting CRL4(Cdt2) (Abbas et al.,  2008;  Havens  and  Walter,  2009,  2011;  Senga  et  al.,  2006).  Therefore,  it  is  worthwhile  to  investigate whether NEDDylated PCNA plays a role in the regulation of substrate degradation by  CRL4 and whether it has a general influence on the interaction with other proteins. However, as  shown by the tertiary structure of a PCNA monomer, the interaction site of the PIP‐box on PCNA  is not located in very close proximity to lysine 164 (Bruning and Shamoo, 2004).     4.2.2.4 Click reaction as tool to identify functions of monoNEDDylated PCNA  To  shed  light  on  the  function  of  monoNEDDylated  PCNA,  we  aimed  for  site‐specifically  linking  the  C  terminus  of  NEDD8  to  PCNA  at  amino  acid  position  164  using  Cu(I)‐catalyzed  Huisgen  azide‐alkyne  cycloaddition  (Eger  et  al.,  2011).  In  a  second  step,  we  intended  to  use  this  “NEDDylated”  PCNA  as  bait  to  identify  interacting  proteins  and  to  test  whether  it  affects  the  activity of DNA polymerases.   After  expression  and  purification,  we  measured  the  mass  of  AhaNEDD8  to  confirm  the  incorporation of azidohomoalanine. It turned out that the cleavage of the N‐terminal methionine  inside the bacteria was not efficient since we found NEDD8 proteins with different masses (data  not  shown).  Moreover,  purification  of  AhaNEDD8  was  not  successful,  as  the  preparation  contained many contaminating proteins that unspecifically bound to the Ni‐beads (Figure 28B).  Anyway,  we  performed  the  click  reaction  with  AhaNEDD8  and  PlkPCNA.  Unfortunately,  it  was  not  clear  whether  a  triazole  linkage  was  formed  between  both  proteins  because  of  the  high  background  in  the  Coomassie  gel  (Figure  29).  In  contrast,  we  successfully  linked  PCNA  to  AhaUbiquitin which should serve as a control in future experiments, and which can be used for  further  investigations  on  the  function  of  ubiquitinated  PCNA  (Figure  29).  To  improve  the  production  of  AhaNEDD8,  it  would  be  worthwhile  to  clone  a  GST‐tagged  NEDD8  whose  tag,  including the initial methionine, can be cleaved off. By doing so, the preparation would be much  more  pure  and  only  contained  the  desired  protein  with  the  C‐terminal  azidohomoalanine  (Schneider et al., 2013).   

- 94 -

Discussion As determined by the autoNEDDylation of Ubc12 and Nce2 in vitro and the NEDDylation of p53  in  cellulo,  NEDD8  M50A,  the  mutant  used  for  click  reaction,  was  still  utilized  by  the  NEDD8‐ conjugation  system,  although  with  a  slightly  lower  efficiency  (data  not  shown).  These  data  indicate that artificially assembled “monoNEDDylated PCNA” is suitable to study its functions.     To sum up, we identified PCNA to serve as an interaction partner of NEDD8 and as a substrate of  the NEDD8‐conjugation cascade, too. Modification of PCNA by endogenous NEDD8, however, still  needs  to  be  demonstrated  and  the  conditions  triggering  this  event  need  to  be  identified.  It  is  especially  of  interest  how  SUMOylation,  ubiquitination  and  NEDDylation  of  the  same  lysine  residue  within  PCNA  are  regulated.  First  hints  about  the  function  of  NEDDylated  PCNA  can  be  obtained in the future by interaction studies using “monoNEDDylated” PCNA generated via click  reaction. 

                            - 95 -

Discussion

4.3 A second isoform of Nce2 with individual          properties    Nce2 has been shown to mediate the NEDDylation of Cullin5 playing roles in neuronal migration,  chondrocyte differentiation, cytokine signaling as well as myogenesis (Dentice et al., 2005; Feng  et  al.,  2007;  Kile  et  al.,  2002;  Nastasi  et  al.,  2004).  In  addition,  Nce2  seems  to  be  involved  in  conjugating NEDD8 to the transcription factor E2F1 since a dominant negative mutant of Nce2  abolishes its NEDDylation (Aoki et al., 2012). However, the role of Nce2 in the cell is only poorly  understood and requires further investigation. Therefore, during this study we characterized a  new isoform of Nce2 which might be involved in the NEDDylation cascade. 

  4.3.1 Nce2 isoform 2 as a splice variant with an extended            C terminus  In 2012, five isoforms of Nce2 have been identified in glioma cells by the NEDO (New Energy and  Industrial Technology Development Organization) human cDNA sequencing project (see 3.3). As  a result of alternative splicing, isoform 2 contains a 26 aa long C‐terminal extension compared to  isoform 1. The usage of TG instead of AG as an alternative 3´ splice site in intron 9 leads to an  insertion of 23 bases at position +507 of the mRNA which itself gives rise to a frame shift and an  elongated  coding  sequence  (Figure  30).  The  last  55  bases  in  the  coding  sequence  of  isoform  2  mRNA therefore correspond to a part of the 3´ UTR of isoform 1.   “TG”  has  first  been  reported  as  an  acceptor  splice  site  in  U2‐dependent  introns  of  eukaryotic  pre‐mRNAs in 2007 (Szafranski et al., 2007). Interestingly, the rare TG splicing sites are always  associated  with  the  canonical  AG  3´  splice  site,  thus  only  serving  as  alternative  acceptor  site.  Moreover,  ratios  of  the  alternative  splice  variants  were  found  to  be  tissue‐specific  for  some  introns  (Szafranski  et  al.,  2007).  Hence,  comparison  of  mRNA  and  protein  levels  of  Nce2  isoforms  in  different  tissues  and  investigation  of  the  cis‐regulatory  elements  of  the  splicing  mechanism would shed light on the functions and differences of Nce2 isoform 1 and 2.  

  4.3.2 mRNA of the second isoform of Nce2 is present in HEK293T             cells   In  a  first  experiment,  we  verified  the  presence  of  Nce2  isoform  2  mRNA  in  HEK293T  cells  (Figure 31). However, a conclusion about the amounts of isoform 1 and isoform 2 mRNA in these  cells  cannot  be  drawn  from  that  particular  RT‐PCR  experiment  since  we  did  not  digest  the 

- 96 -

Discussion genomic DNA after reverse transcription. There are four pseudogenes of UBE2F (gene name of  Nce2)  present  on  human  chromosomes  1,  3,  16  and  20  which  were  amplified  with  primers  annealing  in  the  mRNA  of  both  isoforms  (National  Center  for  Biotechnology  Information).  Nonetheless, as UBE2F pseudogenes do not contain the isoform 2‐specific insertion, only mRNA  of Nce2 isoform 2 was amplified with the specific primer.   In  order  to  confirm  the  existence  of  Nce2  isoform  2  on  protein  level  in  cells,  we  developed  a  polyclonal antibody recognizing aa 187‐200 of isoform 2. We were able to verify the specificity  of  this  antibody  for  isoform  2  in  vitro  and  in  cells  (Figure  38).  Although  the  antibody  was  functional  and  specific  in  IP  experiments  and  only  5  ng  of  Nce2  isoform  2  are  required  for  detection, we could not verify the existence of endogenous protein (Figure 38C, data not shown).  An IP using an antibody against the N terminus of Nce2 also did not yield enough isoform 2 to  detect it with the specific antibody (data not shown). Possible reasons are the low steady state  levels and the short half‐life of Nce2 isoform 2 (Figure 36). Because of toxic effects after a long  treatment, we added MG132 for only 4 h to enrich for Nce2 isoform 2 prior to IP (Figure 38C).  However,  it  was  recently  shown  that  the  toxicity  of  proteasome  inhibitors  is  due  to  an  amino  acid  deficit  and  can  be  rescued  by  providing  additional  cysteine  to  the  cells  (Suraweera  et  al.,  2012).  Thus,  longer  treatment  with  MG132  and  supplementation  of  cysteine  to  the  cells  might  facilitate a detection of endogenous Nce2 isoform 2.   In immunofluorescence experiments using the specific antibody raised against Nce2 isoform 2,  we  detected  a  juxtanuclear  staining  in  H1299  cells  which  might  point  to  the  existence  of  the  protein (see figure 40). However, to exclude an unspecific staining, this experiment needs to be  repeated  with  an  Nce2  knockdown  cell  line.  Finally,  to  investigate  whether  Nce2  isoform  2  is  indeed expressed, another specific antibody recognizing a presumably better accessible region  would  be  useful.  In  order  to  characterize  the  second  isoform  of  Nce2,  we  therefore  used  overexpressed Nce2 isoform 2 for further experiments.   In  summary,  although  we  detected  mRNA  of  isoform  2  it  is  not  clear  whether  a  functional  protein is translated. Noteworthy, the alternative splicing site, as well as the 3´ UTR of UBE2F are  only conserved in Pan troglodytes but not in Macaca mulatta or Mus musculus (data not shown)  (National Center for Biotechnology Information).   

  4.3.3 Nce2 isoform 2 is active in vitro and can be NEDDylated  Since the amino acid sequences of Nce2 isoform 1 and 2 are identical from position 1 to 169, the  catalytic  cysteine  residue  at  position  116  is  present  in  both  proteins.  Therefore,  we  tested  whether isoform 2 is active as a NEDD8‐conjugating enzyme. In an in vitro thioester assay using  GST‐NEDD8, we confirmed the activity of a C‐terminally His‐tagged Nce2 isoform 2 as a NEDD8  E2 enzyme. The formation of a thioester linkage between isoform 2 and NEDD8 was verified by 

- 97 -

Discussion DTT‐sensitivity of the additional band. Noteworthy, Nce2 isoform 2 was not capable of forming a  thioester with GST‐ubiquitin under the conditions used, underlining its specificity for the NEDD8  system (Figure 33A). Furthermore, thioester formation between NEDD8 and Nce2 isoform 2 was  inhibited  by  an  N‐terminal  tag  of  the  E2  as  found  for  several  E2  enzymes  before  (data  not  shown; AG Scheffner, unpublished data). The ability of Nce2 isoform 2 to accept NEDD8 from the  NEDD8 E1 enzyme was further affirmed by oxyester formation between the catalytically inactive  mutant  C116S  and  NEDD8  in  vitro,  which  is  usually  characterized  by  a  different  running  behavior  compared  to  Nce2  isoform  2  containing  a  monoNEDDylated  lysine  residue  (own  observations; figure 33B; see also figure 10). Nonetheless, so far we are lacking an evidence for  the activity of Nce2 isoform 2 as a NEDD8‐conjugating enzyme in cells. Upon overexpression of  Nce2 isoform 1, isoform 2 or Ubc12 (wt or catalytically inactive) and NEDD8, we did not see an  effect  on  the  NEDDylation  of  different  NEDD8  substrates  such  as  Cullin1,  Cullin5  or  p53,  indicating  that  endogenous  E2  enzymes  are  already  sufficient  for  the  NEDDylation  of  those  proteins  (data  not  shown).  Hence,  indications  for  the  involvement  of  Nce2  isoform  2  in  the  NEDDylation  of  known  NEDD8  substrates  could  be  obtained  with  a  specific  knockdown  of  isoform 2.   To examine whether Nce2 isoform 2 is capable of autoNEDDylation, we performed in vitro and in  cellulo NEDDylation assays using the catalytically inactive mutant C116A and a mutant lacking  the first 26aa. We found that the C116A mutant is still NEDDylated with the same efficiency as  wt isoform 2 (Figures 33B and 35A). Deletion of the N‐terminal 26 aa of isoform 2 also only had  a  minor  effect  on  its  NEDDylation  in  cells,  being  in  stark  contrast  to  the  other  NEDD8  E2  enzymes  where  deletion  of  the  N  terminus  almost  completely  abolished  their  NEDDylation  (Figures 35A and 15). Moreover, in an IP of overexpressed HA‐tagged Nce2 isoform 1 and 2 from  the cytosolic fraction of H1299 cells, we only detected isoform 1 but not 2 to be modified with  endogenous NEDD8 (Figure 35B). These data indicate that, in contrast to isoform 1 and Ubc12,  Nce2  isoform  2  is  probably  not  capable  of  autoNEDDylation,  and  the  N  terminus  is  not  the  predominant  NEDDylation  site  as  it  is  the  case  for  Ubc12  and  Nce2  isoform  1  (Figures  13  and  35A).  Thus,  the  C  terminus  of  isoform  2  seems  to  impair  autoNEDDylation  within  cells,  which  could be due to an interaction with a NEDD8 substrate or an E3 ligase enhancing the transfer of  NEDD8 to a substrate.   Since  we  did  not  see  an  effect  on  the  efficiency  of  NEDDylation  of  isoform  2  upon  addition  of  Ubc12  or  Nce2  isoform  1  in  vitro  and  in  cells,  we  cannot  draw  a  conclusion  about  which  E2  is  involved  in  the  NEDDylation  of  Nce2  isoform  2  (data  not  shown).  In  any  case,  the  enzymes  present  in  the  reticulocyte  lysate  and  E2  enzymes  present  in  cells  seem  to  be  sufficient  to  mediate  NEDDylation  of  Nce2  isoform  2.  Alternatively,  NEDD8  could  be  directly  transferred  from the E1 enzyme to a lysine residue of isoform 2.  

- 98 -

Discussion

4.3.4 The cellular localization distinguishes Nce2 isoform 2 from             isoform 1  To identify further differences between Nce2 isoform 1 and 2 we investigated the localization of  both  proteins  in  overexpression  experiments.  As  shown  in  a  cellular  fractionation  assay,  Nce2  isoform  1  was  mainly  present  in  the  cytosol  whereas  isoform  2  was  also  detected  in  nuclear  fractions and the pellet, which should only contain chromatin (Figure 37C). When we performed  this assay using tubulin α, which should only be found in the cytosol, we also detected a small  amount in the pellet fraction (data not shown) which complicates the interpretation of the data  for  Nce2.  In  immunofluorescence  experiments,  we  did  not  see  a  striking  difference  in  the  localization of isoform 1 and 2. Both proteins mainly localized in the cytosol but we also found  cells  with  a  stronger  staining  of  isoform  2  in  the  nucleus  (Figures  37A  and  B).  To  elucidate  whether there is indeed a difference in the localization of both isoforms, differently tagged Nce2  isoform 1 and 2 should be co‐transfected for immunofluorescence.   Using the specific Nce2 isoform 2‐antibody, we detected a juxtanuclear staining (Figure 40B). In  contrast,  isoform  1  was  distributed  everywhere  in  the  cell  as  found  by  using  an  antibody  specifically  recognizing  its  very  C  terminus  (Figure  40A).  A  potential  difference  in  localization  between the endogenous and the overexpressed Nce2 isoform 2 might be explained by different  protein levels. However, it is of huge importance to prove that the staining obtained with both  antibodies is specific.  Since  the  subcellular  distribution  of  Nce2  isoform  2  slightly  differed  from  isoform  1  in  our  experiments,  we  speculate  that  the  different  C  termini  have  an  influence  on  the  regulation  of  localization. In the literature, there are already examples for different compartmentalization of  splice  variants.  One  of  them  is  survivin,  an  inhibitor  of  apoptosis,  which  has  two  functionally  divergent splice variants (Mahotka et al., 2002). Survivin and one of its splice variants, survivin‐ 2B, mainly localize to the cytosol whereas survivin‐ΔEx3, which contains a nuclear localization  signal (NLS), accumulates in the nucleus in a cell cycle‐dependent manner (Mahotka et al., 2002).  Hence, an investigation of the localization of Nce2 isoforms in different cell cycle phases would  provide first hints about their regulation and their function.                  

- 99 -

Discussion

 



           



            Figure 40. Nce2 isoform 2 localizes next to the nucleus in H1299 cells  (A) H1299 cells were stained with α Nce2 C‐term antibody (red; Abgent) and DAPI (blue; scale bar   20 µm). Nce2  isoform 1 is distributed all over the cell.  (B)  H1299  cells  were  stained  with  α  Nce2  isoform  2  antibody  (red;  University  of  Konstanz)  and  DAPI  (blue;               scale bar   20 µm). Nce2 isoform 2 accumulates in a juxtanuclear region. 

  4.3.5 A C‐terminal unstructured region promotes insolubility in           bacteria and rapid degradation in cells  When  we  compared  Ubc12  and  the  two  isoforms  of  Nce2  concerning  their  ability  to  be  ubiquitinated,  we  found  Nce2  isoform  2  to  be  targeted  for  ubiquitination  and  proteasomal  degradation (Figures 34 and 36). The different C terminus of the second isoform diminishes the  half‐life of Nce2 to less than 3 h (Figure 36). These findings explain the low steady state levels of  Nce2  isoform  2  upon  overexpression  in  H1299  cells  and  provide  an  explanation  for  detection  problems  of  the  endogenous  protein  (Figures  34  and  38C).  Furthermore,  catalytic  activity  of  Nce2 isoform 2 does not play a role for its degradation since mutating the catalytic cysteine does  not  influence  the  degradation  rate  (Figure  36B).  Interestingly,  mutation  of  one  or  both  C‐ terminal  lysine(s)  of  Nce2  isoform  2  also  did  not  change  its  half‐life,  suggesting  that  the  ubiquitinated lysine residue(s) is located in the common sequence of Nce2 isoform 1 and 2 but  only the C terminus of isoform 2 attracts the ubiquitination machinery (data not shown).   By  means  of  the  tertiary  structure  prediction  program  HHpred  and  Pymol,  we  were  able  to  model  the  structure  of  Nce2  isoform  2.  The  unique  C  terminus  of  the  second  isoform  of  Nce2 

- 100 -

Discussion forms  an  α‐helix  containing  four  turns  followed  by  an  unstructured,  flexible  region  and  an  additional  α‐helix  being  composed  of  only  one  turn  (Figure  32).  In  general,  unstructured  proteins  and  proteins  containing  disordered  regions  seem  to  be  more  susceptible  to  proteasomal degradation being independent of ubiquitination (Baugh et al., 2009; Gsponer et al.,  2008).  Thus,  these  regions  might  serve  as  a  universal  signal  for  ubiquitin‐independent  degradation  by  the  proteasome.  For  example,  ODC  was  shown  to  comprise  an  unstructured  region  in  its  N  terminus  serving  as  degradation  signal.  Interestingly,  transplantation  of  this     ~45‐residue domain to other proteins only resulted in their instability when fused to an α‐helix  but  not  to  a  β‐sheet  (Godderz  et  al.,  2011).  Nonetheless,  it  is  also  widely  accepted  that  ubiquitinated  substrates  require  a  disordered  region  to  be  efficiently  degraded  by  the  proteasome  (Prakash  et  al.,  2004;  Takeuchi  et  al.,  2007).  Therefore,  the  C  terminus  of  Nce2  isoform  2  containing  an  α‐helix  and  an  unstructured  region  might  serve  as  a  signal  for  ubiquitination and proteasomal degradation. To ascertain this hypothesis, one could fuse it to an  otherwise stable protein and determine its half‐life.  Upon expression of Nce2 isoform 2 in bacteria, the majority of protein was found to be insoluble  (data  not  shown).  Since  isoform  1  is  highly  soluble,  we  concluded  that  the  C  terminus  of      isoform 2 may lead to folding problems. Therefore, we generated Kyte‐Doolittle plots using the  amino acid sequences of Nce2 isoform 1 and 2 (see figure 41). The graph of the second isoform  shows  only  the  very  C‐terminal  residues  to  be  above  the  line,  i.e.  hydrophobic,  but  their  hydrophobicity  does  not  exceed  the  one  of  other  parts  of  the  protein.  Nonetheless,  folding  problems  might  occur  because  the  C  terminus  is  exposed.  Thus,  bacterial  expression  of  Nce2  isoform  2  could  be  improved  by  fusion  of  a  long,  soluble  tag  such  as  GST  to  its  C  terminus.  Another  hint  for  an  insolubility  of  Nce2  isoform  2  was  discovered  in  immunofluorescence  experiments, where overexpression of isoform 2 led to the formation of aggregates in rare cases  (Figure 37B). However, upon TNN lysis only a negligible amount of protein was present in the  pellet (data not shown). These results suggest that under cellular conditions, folding problems  and  subsequent  aggregate  formation  of  Nce2  isoform  2  are  usually  prevented  by  interacting  proteins.   

  4.3.6 Possible functions of Nce2 variants  The mRNAs of all five splice variants of Nce2 were identified in glioma cells by the NEDO human  cDNA  sequencing  project  that  focused  on  splice  variants.  In  a  first  step,  one  should  elucidate  whether  the  corresponding  proteins  are  indeed  translated  and  functional  in  cells.  If  these  proteins are present in cells, a dominant negative effect on the activity of Nce2 isoform 1 should  be considered. Moreover, it would be worthwhile to test whether mRNA‐ and protein levels of 

- 101 -

Discussion the  five  isoforms  vary  in  different  tissues/cell  lines  and  whether  their  expression  levels  are  differentially regulated dependent on cellular conditions.   To  prove  the  existence  and  to  identify  functions  of  Nce2  isoform  2  in  cells,  most  importantly  another antibody with a higher sensitivity to isoform 2 must be developed. With this antibody in  hands,  the  localization‐,  half‐life‐  and  functional  studies  should  be  carried  out  for  the  endogenous  protein.  Nonetheless,  the  different  subcellular  localization  of  both  overexpressed  and endogenous Nce2 isoform 1 and 2 already points to a divergent function of the two isoforms  (Figures  37  and  39).  Since  we  have  evidence  for  NEDDylation  and  ubiquitination  but  not  for  autoNEDDylation of Nce2 isoform 2, it is also differentially regulated than the first isoform. Its  half‐life  is  significantly  shorter  than  that  of  isoform  1,  suggesting  an  important  function  which  has to be strictly controlled (Figures 34 and 36). However, expression and/or stability of Nce2  isoform 2 might be enhanced upon certain signals.             A 

                       B 

              Figure 41. The very C terminus of Nce2 isoform 2 shows slight hydrophobicity  Kyte‐Doolittle plots for Nce2 isoform 1 (A) and isoform 2 (B). Hydrophilic residues are below, hydrophobic residues  above  the  line  (http://fasta.bioch.virginia.edu/fasta_www2/fasta_www.cgi?rm=misc1).  The  red  line  marks  the  beginning of the isoform 2‐specific C terminus. The very C‐terminal residues of Nce2 isoform 2 are hydrophobic. 

- 102 -

Discussion As  Nce2  was  identified  as  NEDD8‐conjugating  enzyme  particularly  mediating  the  transfer  of  NEDD8 to Cullin5, it would be worthwhile to check the effect of isoform 2 on the NEDDylation of  Cullin5  (Huang  et  al.,  2009).  Although  we  found  Nce2  isoform  2  to  be  capable  of  forming  a  thioester bond with NEDD8, it is not clear whether it possesses the ability to transfer NEDD8 to  substrates  (Figure  33A).  Thus,  the  substrate  specificity  of  Nce2  isoform  1  and  2  should  be  investigated.   Another possible function of isoform 2 is inhibition of isoform 1 functions either by a dominant‐ negative  effect  or  by  forming  a  heterodimer.  Hence,  the  affinity  of  both  isoforms  to  APPBP1/UBA3  should  be  addressed  e.g.  by  isothermal  titration  calorimetry.  Furthermore,  interaction studies between Nce2 isoform 1 and 2 should be performed. For example, in case of  the  yeast  ubiquitin‐conjugating  enzyme  Ubc13  and  the  catalytically  inactive  E2  enzyme  Mms2  heterodimerization is crucial for mediating the extension of K63‐linked ubiquitin chains (Eddins  et al., 2006; McKenna et al., 2001). Therefore, Nce2 isoform 2 might interact with isoform 1 to  modulate its function.    Another  hint  for  physiological  functions  of  Nce2  and  its  variants  is  provided  by  transcription  factors  binding  to  the  UBE2F  promoter.  Although  Nce2  isoform  1  is  expressed  in  most  adult  tissues,  binding  sites  for  GATA‐6,  FOXD1  and  FOXA2  indicate  Nce2  and  its  variants  to  have  preferential 

roles 

in 

embryonic 

development 

and 

cellular 

differentiation 

(www.genecards.org/cgi­bin/carddisp.pl?gene=UBE2F) (Carreres et al., 2011; Hatini et al., 1996;  Huang  et  al.,  2009;  Kaestner,  2010;  Maeda  et  al.,  2005).  In  addition,  SILAC  experiments  comparing  wt  cells  and  Nce2  isoform  2  knockdown  cells  would  be  suitable  to  elucidate  physiological functions of isoform 2.  Since the unique, exposed and hydrophobic C terminus of Nce2 isoform 2 very likely represents  an  interaction  site  for  various  proteins  in  the  cell,  binding  studies  could  be  conducted  using  either  full  length  isoform  1  and  2  or  only  their  very  C‐termini.  We  already  performed  a  GST‐ pulldown  assay  using  overexpressed  HA‐GST‐Nce2  isoform  1  and  2  and  HA‐GST  as  a  control.  Although the assay conditions still need to be improved because of a high background binding to  the GSH‐beads, we identified three potential interaction partners which  were not pulled down  with  HA‐GST‐Nce2  isoform  1  or  HA‐GST:  60S  ribosomal  protein  L4,  SAMM50  and  the  catalytic  subunit of the DNA‐dependent protein kinase (data not shown). By affinity chromatography and  proteomic  analysis,  ribosomal  proteins  have  already  been  shown  to  serve  as  targets  for  the  NEDD8 pathway. However, ribosomal protein L4 was not identified in that particular approach  (Xirodimas  et  al.,  2008).  Nonetheless,  L4  might  be  a  substrate  for  NEDDylation  mediated  by  Nce2  isoform  2.  SAMM50  plays  a  role  in  the  assembly  of  the  outer  mitochondrial  membrane  whereas  the  DNA‐dependent  protein  kinase  is  a  sensor  for  DNA  damage  and  mediates  DNA  repair (Dip and Naegeli, 2005; Kozjak et al., 2003). Additionally, it is found at telomeres where it  inhibits the fusion of chromosomal ends (Dip and Naegeli, 2005). Although a direct or indirect 

- 103 -

Discussion interaction of Nce2 isoform 2 with these proteins needs to  be verified, they provide first hints  about possible functions of this isoform. For isoform 1, we identified desmoplakin and galectin‐7  as  potential  interaction  partners  in  the  GST‐pulldown  (data  not  shown).  These  two  proteins  amongst  others  are  involved  in  mediating  cell‐cell  contacts  (Delva  et  al.,  2009;  Nakahara  and  Raz, 2006). Moreover, the heavy chain of clathrin, an important coat protein of vesicles (Brodsky  et al., 2001), was identified in a yeast‐two hybrid screen that we conducted using Nce2 isoform 1  (data  not  shown).  Hence,  these  findings  may  point  towards  yet  unknown  functions  of  Nce2  isoform 1 in cell‐cell interactions and vesicle transport.   To gain insights into possible functions of Nce2 variants, we also investigated the third isoform  of  Nce2.  This  isoform  lacks  a  part  of  the  APPBP1/UBA3  binding  site.  We  found  that  overexpressed HA‐Nce2 isoform 3 is hardly detectable in H1299 cells. Thus, one should examine  whether  this  is  due  to  a  low  expression  level  or  a  fast  degradation  rate.  Moreover,  Nce2     isoform  3  did  not  form  a  thioester  bond  with  NEDD8  in  vitro  (Bachelor  thesis  S.  Kabelitz,  University  of  Konstanz:  “Charakterisierung  von  NEDD8‐  und  Ubiquitin‐konjugierenden  Enzymen”).  This  result  met  the  expectation  that  Nce2  isoform  3  must  be  at  least  impaired  in  accepting  NEDD8  from  APPBP1/UBA3  since  isoform  3  lacks  aa  40‐71,  a  region  containing  important  residues  for  the  interaction  with  the  E1  enzyme  (Huang  et  al.,  2005).  In  conclusion,  isoform 3 may have dominant negative effects on the activity of the first isoform.    In summary, we provide first hints about the existence and the regulation of a second isoform of  Nce2  which  increases  the  complexity  of  the  NEDD8‐conjugation  cascade  and  may  be  of  importance to understand the control of NEDDylation in general.    

- 104 -

       

5. References       

Abbas, T., Sivaprasad, U., Terai, K., Amador, V., Pagano, M., and Dutta, A. (2008). PCNA‐dependent  regulation of p21 ubiquitylation and degradation via the CRL4Cdt2 ubiquitin ligase complex.  Genes & development 22, 2496‐2506.  Abida, W.M., Nikolaev, A., Zhao, W., Zhang, W., and Gu, W. (2007). FBXO11 promotes the  Neddylation of p53 and inhibits its transcriptional activity. The Journal of biological chemistry  282, 1797‐1804.  Aichem, A., Kalveram, B., Spinnenhirn, V., Kluge, K., Catone, N., Johansen, T., and Groettrup, M.  (2012). The proteomic analysis of endogenous FAT10 substrates identifies p62/SQSTM1 as a  substrate of FAT10ylation. Journal of cell science.  Aichem, A., Pelzer, C., Lukasiak, S., Kalveram, B., Sheppard, P.W., Rani, N., Schmidtke, G., and  Groettrup, M. (2010). USE1 is a bispecific conjugating enzyme for ubiquitin and FAT10, which  FAT10ylates itself in cis. Nature communications 1, 13.  Aoki, I., Higuchi, M., and Gotoh, Y. (2012). NEDDylation controls the target specificity of E2F1 and  apoptosis induction. Oncogene.  Arakawa, H., Moldovan, G.L., Saribasak, H., Saribasak, N.N., Jentsch, S., and Buerstedde, J.M.  (2006). A role for PCNA ubiquitination in immunoglobulin hypermutation. PLoS biology 4, e366.  Ardley, H.C., and Robinson, P.A. (2005). E3 ubiquitin ligases. Essays in biochemistry 41, 15‐30.  Baker, R.T., and Board, P.G. (1987). The human ubiquitin gene family: structure of a gene and  pseudogenes from the Ub B subfamily. Nucleic acids research 15, 443‐463.  Baugh, J.M., Viktorova, E.G., and Pilipenko, E.V. (2009). Proteasomes can degrade a significant  proportion of cellular proteins independent of ubiquitination. Journal of molecular biology 386,  814‐827.  Bayer, P., Arndt, A., Metzger, S., Mahajan, R., Melchior, F., Jaenicke, R., and Becker, J. (1998).  Structure determination of the small ubiquitin‐related modifier SUMO‐1. Journal of molecular  biology 280, 275‐286.  Bergink, S., and Jentsch, S. (2009). Principles of ubiquitin and SUMO modifications in DNA repair.  Nature 458, 461‐467.  Bernier‐Villamor, V., Sampson, D.A., Matunis, M.J., and Lima, C.D. (2002). Structural basis for E2‐ mediated SUMO conjugation revealed by a complex between ubiquitin‐conjugating enzyme Ubc9  and RanGAP1. Cell 108, 345‐356. 

- 105 -

References Bienko, M., Green, C.M., Crosetto, N., Rudolf, F., Zapart, G., Coull, B., Kannouche, P., Wider, G.,  Peter, M., Lehmann, A.R., et al. (2005). Ubiquitin‐binding domains in Y‐family polymerases  regulate translesion synthesis. Science 310, 1821‐1824.  Bienko, M., Green, C.M., Sabbioneda, S., Crosetto, N., Matic, I., Hibbert, R.G., Begovic, T., Niimi, A.,  Mann, M., Lehmann, A.R., et al. (2010). Regulation of translesion synthesis DNA polymerase eta  by monoubiquitination. Molecular cell 37, 396‐407.  Birnboim, H.C., and Doly, J. (1979). A rapid alkaline extraction procedure for screening  recombinant plasmid DNA. Nucleic acids research 7, 1513‐1523.  Bohren, K.M., Nadkarni, V., Song, J.H., Gabbay, K.H., and Owerbach, D. (2004). A M55V  polymorphism in a novel SUMO gene (SUMO‐4) differentially activates heat shock transcription  factors and is associated with susceptibility to type I diabetes mellitus. The Journal of biological  chemistry 279, 27233‐27238.  Bornstein, G., Bloom, J., Sitry‐Shevah, D., Nakayama, K., Pagano, M., and Hershko, A. (2003). Role  of the SCFSkp2 ubiquitin ligase in the degradation of p21Cip1 in S phase. The Journal of  biological chemistry 278, 25752‐25757.  Boutet, S.C., Disatnik, M.H., Chan, L.S., Iori, K., and Rando, T.A. (2007). Regulation of Pax3 by  proteasomal degradation of monoubiquitinated protein in skeletal muscle progenitors. Cell 130,  349‐362.  Bravo, R., and Macdonald‐Bravo, H. (1985). Changes in the nuclear distribution of cyclin (PCNA)  but not its synthesis depend on DNA replication. The EMBO journal 4, 655‐661.  Brodsky, F.M., Chen, C.Y., Knuehl, C., Towler, M.C., and Wakeham, D.E. (2001). Biological basket  weaving: formation and function of clathrin‐coated vesicles. Annual review of cell and  developmental biology 17, 517‐568.  Broemer, M., Tenev, T., Rigbolt, K.T., Hempel, S., Blagoev, B., Silke, J., Ditzel, M., and Meier, P.  (2010). Systematic in vivo RNAi analysis identifies IAPs as NEDD8‐E3 ligases. Molecular cell 40,  810‐822.  Brownell, J.E., Sintchak, M.D., Gavin, J.M., Liao, H., Bruzzese, F.J., Bump, N.J., Soucy, T.A., Milhollen,  M.A., Yang, X., Burkhardt, A.L., et al. (2010). Substrate‐assisted inhibition of ubiquitin‐like  protein‐activating enzymes: the NEDD8 E1 inhibitor MLN4924 forms a NEDD8‐AMP mimetic in  situ. Molecular cell 37, 102‐111.  Bruning, J.B., and Shamoo, Y. (2004). Structural and thermodynamic analysis of human PCNA  with peptides derived from DNA polymerase‐delta p66 subunit and flap endonuclease‐1.  Structure 12, 2209‐2219.  Brzovic, P.S., Lissounov, A., Christensen, D.E., Hoyt, D.W., and Klevit, R.E. (2006). A  UbcH5/ubiquitin noncovalent complex is required for processive BRCA1‐directed  ubiquitination. Molecular cell 21, 873‐880.  Cadwell, K., and Coscoy, L. (2005). Ubiquitination on nonlysine residues by a viral E3 ubiquitin  ligase. Science 309, 127‐130.  Calabrese, M.F., Scott, D.C., Duda, D.M., Grace, C.R., Kurinov, I., Kriwacki, R.W., and Schulman, B.A.  (2011). A RING E3‐substrate complex poised for ubiquitin‐like protein transfer: structural  insights into cullin‐RING ligases. Nature structural & molecular biology 18, 947‐949. 

- 106 -

References Carreres, M.I., Escalante, A., Murillo, B., Chauvin, G., Gaspar, P., Vegar, C., and Herrera, E. (2011).  Transcription factor Foxd1 is required for the specification of the temporal retina in mammals.  The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 31, 5673‐5681.  Carter, S., and Vousden, K.H. (2008). p53‐Ubl fusions as models of ubiquitination, sumoylation  and neddylation of p53. Cell Cycle 7, 2519‐2528.  Celis, J.E., and Madsen, P. (1986). Increased nuclear cyclin/PCNA antigen staining of non S‐phase  transformed human amnion cells engaged in nucleotide excision DNA repair. FEBS letters 209,  277‐283.  Chan, Y., Yoon, J., Wu, J.T., Kim, H.J., Pan, K.T., Yim, J., and Chien, C.T. (2008). DEN1 deneddylates  non‐cullin proteins in vivo. Journal of cell science 121, 3218‐3223.  Chau, V., Tobias, J.W., Bachmair, A., Marriott, D., Ecker, D.J., Gonda, D.K., and Varshavsky, A.  (1989). A multiubiquitin chain is confined to specific lysine in a targeted short‐lived protein.  Science 243, 1576‐1583.  Choo, Y.S., Vogler, G., Wang, D., Kalvakuri, S., Iliuk, A., Tao, W.A., Bodmer, R., and Zhang, Z. (2012).  Regulation of parkin and PINK1 by neddylation. Human molecular genetics 21, 2514‐2523.  Choudhary, C., Kumar, C., Gnad, F., Nielsen, M.L., Rehman, M., Walther, T.C., Olsen, J.V., and Mann,  M. (2009). Lysine acetylation targets protein complexes and co‐regulates major cellular  functions. Science 325, 834‐840.  Ciechanover, A., and Ben‐Saadon, R. (2004). N‐terminal ubiquitination: more protein substrates  join in. Trends in cell biology 14, 103‐106.  Cope, G.A., Suh, G.S., Aravind, L., Schwarz, S.E., Zipursky, S.L., Koonin, E.V., and Deshaies, R.J.  (2002). Role of predicted metalloprotease motif of Jab1/Csn5 in cleavage of Nedd8 from Cul1.  Science 298, 608‐611.  D'Cunha, J., Knight, E., Jr., Haas, A.L., Truitt, R.L., and Borden, E.C. (1996). Immunoregulatory  properties of ISG15, an interferon‐induced cytokine. Proceedings of the National Academy of  Sciences of the United States of America 93, 211‐215.  Davies, A.A., Huttner, D., Daigaku, Y., Chen, S., and Ulrich, H.D. (2008). Activation of ubiquitin‐ dependent DNA damage bypass is mediated by replication protein a. Molecular cell 29, 625‐636.  Delva, E., Tucker, D.K., and Kowalczyk, A.P. (2009). The desmosome. Cold Spring Harbor  perspectives in biology 1, a002543.  Deng, L., Wang, C., Spencer, E., Yang, L., Braun, A., You, J., Slaughter, C., Pickart, C., and Chen, Z.J.  (2000). Activation of the IkappaB kinase complex by TRAF6 requires a dimeric ubiquitin‐ conjugating enzyme complex and a unique polyubiquitin chain. Cell 103, 351‐361.  Dentice, M., Bandyopadhyay, A., Gereben, B., Callebaut, I., Christoffolete, M.A., Kim, B.W., Nissim,  S., Mornon, J.P., Zavacki, A.M., Zeold, A., et al. (2005). The Hedgehog‐inducible ubiquitin ligase  subunit WSB‐1 modulates thyroid hormone activation and PTHrP secretion in the developing  growth plate. Nature cell biology 7, 698‐705.  Desterro, J.M., Rodriguez, M.S., Kemp, G.D., and Hay, R.T. (1999). Identification of the enzyme  required for activation of the small ubiquitin‐like protein SUMO‐1. The Journal of biological  chemistry 274, 10618‐10624. 

- 107 -

References Di Fiore, P.P., Polo, S., and Hofmann, K. (2003). When ubiquitin meets ubiquitin receptors: a  signalling connection. Nature reviews Molecular cell biology 4, 491‐497.  Dip, R., and Naegeli, H. (2005). More than just strand breaks: the recognition of structural DNA  discontinuities by DNA‐dependent protein kinase catalytic subunit. FASEB journal : official  publication of the Federation of American Societies for Experimental Biology 19, 704‐715.  Dohmesen, C., Koeppel, M., and Dobbelstein, M. (2008). Specific inhibition of Mdm2‐mediated  neddylation by Tip60. Cell Cycle 7, 222‐231.  Duda, D.M., Borg, L.A., Scott, D.C., Hunt, H.W., Hammel, M., and Schulman, B.A. (2008). Structural  insights into NEDD8 activation of cullin‐RING ligases: conformational control of conjugation. Cell  134, 995‐1006.  Duncan, L.M., Piper, S., Dodd, R.B., Saville, M.K., Sanderson, C.M., Luzio, J.P., and Lehner, P.J.  (2006). Lysine‐63‐linked ubiquitination is required for endolysosomal degradation of class I  molecules. The EMBO journal 25, 1635‐1645.  Eddins, M.J., Carlile, C.M., Gomez, K.M., Pickart, C.M., and Wolberger, C. (2006). Mms2‐Ubc13  covalently bound to ubiquitin reveals the structural basis of linkage‐specific polyubiquitin chain  formation. Nature structural & molecular biology 13, 915‐920.  Eger, S., Castrec, B., Hubscher, U., Scheffner, M., Rubini, M., and Marx, A. (2011). Generation of a  mono‐ubiquitinated PCNA mimic by click chemistry. Chembiochem : a European journal of  chemical biology 12, 2807‐2812.  Eger, S., Scheffner, M., Marx, A., and Rubini, M. (2010). Synthesis of defined ubiquitin dimers.  Journal of the American Chemical Society 132, 16337‐16339.  Essers, J., Theil, A.F., Baldeyron, C., van Cappellen, W.A., Houtsmuller, A.B., Kanaar, R., and  Vermeulen, W. (2005). Nuclear dynamics of PCNA in DNA replication and repair. Molecular and  cellular biology 25, 9350‐9359.  Fan, M., Bigsby, R.M., and Nephew, K.P. (2003). The NEDD8 pathway is required for proteasome‐ mediated degradation of human estrogen receptor (ER)‐alpha and essential for the  antiproliferative activity of ICI 182,780 in ERalpha‐positive breast cancer cells. Mol Endocrinol  17, 356‐365.  Fan, M., Long, X., Bailey, J.A., Reed, C.A., Osborne, E., Gize, E.A., Kirk, E.A., Bigsby, R.M., and  Nephew, K.P. (2002). The activating enzyme of NEDD8 inhibits steroid receptor function. Mol  Endocrinol 16, 315‐330.  Fan, W., Cai, W., Parimoo, S., Schwarz, D.C., Lennon, G.G., and Weissman, S.M. (1996).  Identification of seven new human MHC class I region genes around the HLA‐F locus.  Immunogenetics 44, 97‐103.  Feng, L., Allen, N.S., Simo, S., and Cooper, J.A. (2007). Cullin 5 regulates Dab1 protein levels and  neuron positioning during cortical development. Genes & development 21, 2717‐2730.  Furukawa, M., Zhang, Y., McCarville, J., Ohta, T., and Xiong, Y. (2000). The CUL1 C‐terminal  sequence and ROC1 are required for efficient nuclear accumulation, NEDD8 modification, and  ubiquitin ligase activity of CUL1. Molecular and cellular biology 20, 8185‐8197.  Gali, H., Juhasz, S., Morocz, M., Hajdu, I., Fatyol, K., Szukacsov, V., Burkovics, P., and Haracska, L.  (2012). Role of SUMO modification of human PCNA at stalled replication fork. Nucleic acids  research. 

- 108 -

References Gan‐Erdene, T., Nagamalleswari, K., Yin, L., Wu, K., Pan, Z.Q., and Wilkinson, K.D. (2003).  Identification and characterization of DEN1, a deneddylase of the ULP family. The Journal of  biological chemistry 278, 28892‐28900.  Gao, F., Cheng, J., Shi, T., and Yeh, E.T. (2006). Neddylation of a breast cancer‐associated protein  recruits a class III histone deacetylase that represses NFkappaB‐dependent transcription.  Nature cell biology 8, 1171‐1177.  Gazdoiu, S., Yamoah, K., Wu, K., and Pan, Z.Q. (2007). Human Cdc34 employs distinct sites to  coordinate attachment of ubiquitin to a substrate and assembly of polyubiquitin chains.  Molecular and cellular biology 27, 7041‐7052.  Geng, J., and Klionsky, D.J. (2008). The Atg8 and Atg12 ubiquitin‐like conjugation systems in  macroautophagy. 'Protein modifications: beyond the usual suspects' review series. EMBO  reports 9, 859‐864.  Godderz, D., Schafer, E., Palanimurugan, R., and Dohmen, R.J. (2011). The N‐terminal  unstructured domain of yeast ODC functions as a transplantable and replaceable ubiquitin‐ independent degron. Journal of molecular biology 407, 354‐367.  Gong, L., Kamitani, T., Millas, S., and Yeh, E.T. (2000). Identification of a novel isopeptidase with  dual specificity for ubiquitin‐ and NEDD8‐conjugated proteins. The Journal of biological  chemistry 275, 14212‐14216.  Gong, L., and Yeh, E.T. (1999). Identification of the activating and conjugating enzymes of the  NEDD8 conjugation pathway. The Journal of biological chemistry 274, 12036‐12042.  Groehler, A.L., and Lannigan, D.A. (2010). A chromatin‐bound kinase, ERK8, protects genomic  integrity by inhibiting HDM2‐mediated degradation of the DNA clamp PCNA. The Journal of cell  biology 190, 575‐586.  Gsponer, J., Futschik, M.E., Teichmann, S.A., and Babu, M.M. (2008). Tight regulation of  unstructured proteins: from transcript synthesis to protein degradation. Science 322, 1365‐ 1368.  Haas, A.L., Ahrens, P., Bright, P.M., and Ankel, H. (1987). Interferon induces a 15‐kilodalton  protein exhibiting marked homology to ubiquitin. The Journal of biological chemistry 262,  11315‐11323.  Haas, A.L., Bright, P.M., and Jackson, V.E. (1988). Functional diversity among putative E2  isozymes in the mechanism of ubiquitin‐histone ligation. The Journal of biological chemistry 263,  13268‐13275.  Haglund, K., Sigismund, S., Polo, S., Szymkiewicz, I., Di Fiore, P.P., and Dikic, I. (2003). Multiple  monoubiquitination of RTKs is sufficient for their endocytosis and degradation. Nature cell  biology 5, 461‐466.  Han, K.K., and Martinage, A. (1992). Post‐translational chemical modification(s) of proteins. The  International journal of biochemistry 24, 19‐28.  Hashizume, R., Fukuda, M., Maeda, I., Nishikawa, H., Oyake, D., Yabuki, Y., Ogata, H., and Ohta, T.  (2001). The RING heterodimer BRCA1‐BARD1 is a ubiquitin ligase inactivated by a breast  cancer‐derived mutation. The Journal of biological chemistry 276, 14537‐14540. 

- 109 -

References Hatini, V., Huh, S.O., Herzlinger, D., Soares, V.C., and Lai, E. (1996). Essential role of stromal  mesenchyme in kidney morphogenesis revealed by targeted disruption of Winged Helix  transcription factor BF‐2. Genes & development 10, 1467‐1478.  Havens, C.G., and Walter, J.C. (2009). Docking of a specialized PIP Box onto chromatin‐bound  PCNA creates a degron for the ubiquitin ligase CRL4Cdt2. Molecular cell 35, 93‐104.  Havens, C.G., and Walter, J.C. (2011). Mechanism of CRL4(Cdt2), a PCNA‐dependent E3 ubiquitin  ligase. Genes & development 25, 1568‐1582.  Hay, R.T. (2005). SUMO: a history of modification. Molecular cell 18, 1‐12.  Herrmann, J., Lerman, L.O., and Lerman, A. (2007). Ubiquitin and ubiquitin‐like proteins in  protein regulation. Circulation research 100, 1276‐1291.  Hershko, A., and Ciechanover, A. (1998). The ubiquitin system. Annual review of biochemistry  67, 425‐479.  Hibbert, R.G., Huang, A., Boelens, R., and Sixma, T.K. (2011). E3 ligase Rad18 promotes  monoubiquitination rather than ubiquitin chain formation by E2 enzyme Rad6. Proceedings of  the National Academy of Sciences of the United States of America 108, 5590‐5595.  Hicke, L. (2001). Protein regulation by monoubiquitin. Nature reviews Molecular cell biology 2,  195‐201.  Hipp, M.S., Kalveram, B., Raasi, S., Groettrup, M., and Schmidtke, G. (2005). FAT10, a ubiquitin‐ independent signal for proteasomal degradation. Molecular and cellular biology 25, 3483‐3491.  Hipp, M.S., Raasi, S., Groettrup, M., and Schmidtke, G. (2004). NEDD8 ultimate buster‐1L interacts  with the ubiquitin‐like protein FAT10 and accelerates its degradation. The Journal of biological  chemistry 279, 16503‐16510.  Hjerpe, R., Thomas, Y., Chen, J., Zemla, A., Curran, S., Shpiro, N., Dick, L.R., and Kurz, T. (2012).  Changes in the ratio of free NEDD8 to ubiquitin triggers NEDDylation by ubiquitin enzymes. The  Biochemical journal 441, 927‐936.  Hochstrasser, M. (2000). Evolution and function of ubiquitin‐like protein‐conjugation systems.  Nature cell biology 2, E153‐157.  Hochstrasser, M. (2009). Origin and function of ubiquitin‐like proteins. Nature 458, 422‐429.  Hoege, C., Pfander, B., Moldovan, G.L., Pyrowolakis, G., and Jentsch, S. (2002). RAD6‐dependent  DNA repair is linked to modification of PCNA by ubiquitin and SUMO. Nature 419, 135‐141.  Hofmann, R.M., and Pickart, C.M. (1999). Noncanonical MMS2‐encoded ubiquitin‐conjugating  enzyme functions in assembly of novel polyubiquitin chains for DNA repair. Cell 96, 645‐653.  Honda, R., Tanaka, H., and Yasuda, H. (1997). Oncoprotein MDM2 is a ubiquitin ligase E3 for  tumor suppressor p53. FEBS letters 420, 25‐27.  Hoppe, T. (2005). Multiubiquitylation by E4 enzymes: 'one size' doesn't fit all. Trends in  biochemical sciences 30, 183‐187.  Hori, T., Osaka, F., Chiba, T., Miyamoto, C., Okabayashi, K., Shimbara, N., Kato, S., and Tanaka, K.  (1999). Covalent modification of all members of human cullin family proteins by NEDD8.  Oncogene 18, 6829‐6834. 

- 110 -

References Huang, D.T., Ayrault, O., Hunt, H.W., Taherbhoy, A.M., Duda, D.M., Scott, D.C., Borg, L.A., Neale, G.,  Murray, P.J., Roussel, M.F., et al. (2009). E2‐RING expansion of the NEDD8 cascade confers  specificity to cullin modification. Molecular cell 33, 483‐495.  Huang, D.T., Hunt, H.W., Zhuang, M., Ohi, M.D., Holton, J.M., and Schulman, B.A. (2007). Basis for a  ubiquitin‐like protein thioester switch toggling E1‐E2 affinity. Nature 445, 394‐398.  Huang, D.T., Miller, D.W., Mathew, R., Cassell, R., Holton, J.M., Roussel, M.F., and Schulman, B.A.  (2004). A unique E1‐E2 interaction required for optimal conjugation of the ubiquitin‐like  protein NEDD8. Nature structural & molecular biology 11, 927‐935.  Huang, D.T., Paydar, A., Zhuang, M., Waddell, M.B., Holton, J.M., and Schulman, B.A. (2005).  Structural basis for recruitment of Ubc12 by an E2 binding domain in NEDD8's E1. Molecular cell  17, 341‐350.  Huang, D.T., and Schulman, B.A. (2005). Expression, purification, and characterization of the E1  for human NEDD8, the heterodimeric APPBP1‐UBA3 complex. Methods in enzymology 398, 9‐ 20.  Huang, D.T., Zhuang, M., Ayrault, O., and Schulman, B.A. (2008). Identification of conjugation  specificity determinants unmasks vestigial preference for ubiquitin within the NEDD8 E2.  Nature structural & molecular biology 15, 280‐287.  Huang, L., Kinnucan, E., Wang, G., Beaudenon, S., Howley, P.M., Huibregtse, J.M., and Pavletich,  N.P. (1999). Structure of an E6AP‐UbcH7 complex: insights into ubiquitination by the E2‐E3  enzyme cascade. Science 286, 1321‐1326.  Hubscher, U., and Maga, G. (2011). DNA replication and repair bypass machines. Current opinion  in chemical biology 15, 627‐635.  Hurley, J.H., Lee, S., and Prag, G. (2006). Ubiquitin‐binding domains. The Biochemical journal 399,  361‐372.  Ichimura, Y., Kirisako, T., Takao, T., Satomi, Y., Shimonishi, Y., Ishihara, N., Mizushima, N., Tanida,  I., Kominami, E., Ohsumi, M., et al. (2000). A ubiquitin‐like system mediates protein lipidation.  Nature 408, 488‐492.  Ivan, M., Kondo, K., Yang, H., Kim, W., Valiando, J., Ohh, M., Salic, A., Asara, J.M., Lane, W.S., and  Kaelin, W.G., Jr. (2001). HIFalpha targeted for VHL‐mediated destruction by proline  hydroxylation: implications for O2 sensing. Science 292, 464‐468.  Jaakkola, P., Mole, D.R., Tian, Y.M., Wilson, M.I., Gielbert, J., Gaskell, S.J., Kriegsheim, A., Hebestreit,  H.F., Mukherji, M., Schofield, C.J., et al. (2001). Targeting of HIF‐alpha to the von Hippel‐Lindau  ubiquitylation complex by O2‐regulated prolyl hydroxylation. Science 292, 468‐472.  Jeram, S.M., Srikumar, T., Zhang, X.D., Anne Eisenhauer, H., Rogers, R., Pedrioli, P.G., Matunis, M.,  and Raught, B. (2010). An improved SUMmOn‐based methodology for the identification of  ubiquitin and ubiquitin‐like protein conjugation sites identifies novel ubiquitin‐like protein  chain linkages. Proteomics 10, 254‐265.  Jin, H.S., Liao, L., Park, Y., and Liu, Y.C. (2013). Neddylation pathway regulates T‐cell function by  targeting an adaptor protein Shc and a protein kinase Erk signaling. Proceedings of the National  Academy of Sciences of the United States of America 110, 624‐629.  Jin, J., Li, X., Gygi, S.P., and Harper, J.W. (2007). Dual E1 activation systems for ubiquitin  differentially regulate E2 enzyme charging. Nature 447, 1135‐1138. 

- 111 -

References Jin, L., Williamson, A., Banerjee, S., Philipp, I., and Rape, M. (2008). Mechanism of ubiquitin‐chain  formation by the human anaphase‐promoting complex. Cell 133, 653‐665.  Johnson, E.S. (2004). Protein modification by SUMO. Annual review of biochemistry 73, 355‐382.  Johnson, E.S., and Gupta, A.A. (2001). An E3‐like factor that promotes SUMO conjugation to the  yeast septins. Cell 106, 735‐744.  Johnson, E.S., Schwienhorst, I., Dohmen, R.J., and Blobel, G. (1997). The ubiquitin‐like protein  Smt3p is activated for conjugation to other proteins by an Aos1p/Uba2p heterodimer. The  EMBO journal 16, 5509‐5519.  Jones, J., Wu, K., Yang, Y., Guerrero, C., Nillegoda, N., Pan, Z.Q., and Huang, L. (2008). A targeted  proteomic analysis of the ubiquitin‐like modifier nedd8 and associated proteins. Journal of  proteome research 7, 1274‐1287.  Ju, T., Bocik, W., Majumdar, A., and Tolman, J.R. (2010). Solution structure and dynamics of  human ubiquitin conjugating enzyme Ube2g2. Proteins 78, 1291‐1301.  Kaestner, K.H. (2010). The FoxA factors in organogenesis and differentiation. Current opinion in  genetics & development 20, 527‐532.  Kagey, M.H., Melhuish, T.A., and Wotton, D. (2003). The polycomb protein Pc2 is a SUMO E3. Cell  113, 127‐137.  Kamitani, T., Kito, K., Fukuda‐Kamitani, T., and Yeh, E.T. (2001). Targeting of NEDD8 and its  conjugates for proteasomal degradation by NUB1. The Journal of biological chemistry 276,  46655‐46660.  Kamitani, T., Kito, K., Nguyen, H.P., and Yeh, E.T. (1997). Characterization of NEDD8, a  developmentally down‐regulated ubiquitin‐like protein. The Journal of biological chemistry 272,  28557‐28562.  Kamitani, T., Nguyen, H.P., Kito, K., Fukuda‐Kamitani, T., and Yeh, E.T. (1998). Covalent  modification of PML by the sentrin family of ubiquitin‐like proteins. The Journal of biological  chemistry 273, 3117‐3120.  Kannouche, P.L., Wing, J., and Lehmann, A.R. (2004). Interaction of human DNA polymerase eta  with monoubiquitinated PCNA: a possible mechanism for the polymerase switch in response to  DNA damage. Molecular cell 14, 491‐500.  Kawakami, T., Chiba, T., Suzuki, T., Iwai, K., Yamanaka, K., Minato, N., Suzuki, H., Shimbara, N.,  Hidaka, Y., Osaka, F., et al. (2001). NEDD8 recruits E2‐ubiquitin to SCF E3 ligase. The EMBO  journal 20, 4003‐4012.  Kelman, Z., and O'Donnell, M. (1995). Structural and functional similarities of prokaryotic and  eukaryotic DNA polymerase sliding clamps. Nucleic acids research 23, 3613‐3620.  Kerscher, O., Felberbaum, R., and Hochstrasser, M. (2006). Modification of proteins by ubiquitin  and ubiquitin‐like proteins. Annual review of cell and developmental biology 22, 159‐180.  Kile, B.T., Schulman, B.A., Alexander, W.S., Nicola, N.A., Martin, H.M., and Hilton, D.J. (2002). The  SOCS box: a tale of destruction and degradation. Trends in biochemical sciences 27, 235‐241.  Kirkin, V., McEwan, D.G., Novak, I., and Dikic, I. (2009). A role for ubiquitin in selective  autophagy. Molecular cell 34, 259‐269. 

- 112 -

References Kitagawa, K., Kotake, Y., and Kitagawa, M. (2009). Ubiquitin‐mediated control of oncogene and  tumor suppressor gene products. Cancer science 100, 1374‐1381.  Knipscheer, P., Flotho, A., Klug, H., Olsen, J.V., van Dijk, W.J., Fish, A., Johnson, E.S., Mann, M.,  Sixma, T.K., and Pichler, A. (2008). Ubc9 sumoylation regulates SUMO target discrimination.  Molecular cell 31, 371‐382.  Knipscheer, P., van Dijk, W.J., Olsen, J.V., Mann, M., and Sixma, T.K. (2007). Noncovalent  interaction between Ubc9 and SUMO promotes SUMO chain formation. The EMBO journal 26,  2797‐2807.  Korant, B.D., Blomstrom, D.C., Jonak, G.J., and Knight, E., Jr. (1984). Interferon‐induced proteins.  Purification and characterization of a 15,000‐dalton protein from human and bovine cells  induced by interferon. The Journal of biological chemistry 259, 14835‐14839.  Kozjak, V., Wiedemann, N., Milenkovic, D., Lohaus, C., Meyer, H.E., Guiard, B., Meisinger, C., and  Pfanner, N. (2003). An essential role of Sam50 in the protein sorting and assembly machinery of  the mitochondrial outer membrane. The Journal of biological chemistry 278, 48520‐48523.  Kravtsova‐Ivantsiv, Y., Cohen, S., and Ciechanover, A. (2009). Modification by single ubiquitin  moieties rather than polyubiquitination is sufficient for proteasomal processing of the p105 NF‐ kappaB precursor. Molecular cell 33, 496‐504.  Krishna, T.S., Kong, X.P., Gary, S., Burgers, P.M., and Kuriyan, J. (1994). Crystal structure of the  eukaryotic DNA polymerase processivity factor PCNA. Cell 79, 1233‐1243.  Kruse, J.P., and Gu, W. (2009). Modes of p53 regulation. Cell 137, 609‐622.  Kumar, S., Tomooka, Y., and Noda, M. (1992). Identification of a set of genes with  developmentally down‐regulated expression in the mouse brain. Biochemical and biophysical  research communications 185, 1155‐1161.  Kumar, S., Yoshida, Y., and Noda, M. (1993). Cloning of a cDNA which encodes a novel ubiquitin‐ like protein. Biochemical and biophysical research communications 195, 393‐399.  Kurz, T., Chou, Y.C., Willems, A.R., Meyer‐Schaller, N., Hecht, M.L., Tyers, M., Peter, M., and Sicheri,  F. (2008). Dcn1 functions as a scaffold‐type E3 ligase for cullin neddylation. Molecular cell 29,  23‐35.  Laemmli, U.K. (1970). Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of  bacteriophage T4. Nature 227, 680‐685.  Lake, M.W., Wuebbens, M.M., Rajagopalan, K.V., and Schindelin, H. (2001). Mechanism of  ubiquitin activation revealed by the structure of a bacterial MoeB‐MoaD complex. Nature 414,  325‐329.  Lee, I., and Schindelin, H. (2008). Structural insights into E1‐catalyzed ubiquitin activation and  transfer to conjugating enzymes. Cell 134, 268‐278.  Lee, M.R., Lee, D., Shin, S.K., Kim, Y.H., and Choi, C.Y. (2008). Inhibition of APP intracellular  domain (AICD) transcriptional activity via covalent conjugation with Nedd8. Biochemical and  biophysical research communications 366, 976‐981.  Lee, S.H., and Hurwitz, J. (1990). Mechanism of elongation of primed DNA by DNA polymerase  delta, proliferating cell nuclear antigen, and activator 1. Proceedings of the National Academy of  Sciences of the United States of America 87, 5672‐5676. 

- 113 -

References Leidecker, O., Matic, I., Mahata, B., Pion, E., and Xirodimas, D.P. (2012). The ubiquitin E1 enzyme  Ube1 mediates NEDD8 activation under diverse stress conditions. Cell Cycle 11.  Li, T., Santockyte, R., Yu, S., Shen, R.F., Tekle, E., Lee, C.G., Yang, D.C., and Chock, P.B. (2011).  FAT10 modifies p53 and upregulates its transcriptional activity. Archives of biochemistry and  biophysics 509, 164‐169.  Li, W., Bengtson, M.H., Ulbrich, A., Matsuda, A., Reddy, V.A., Orth, A., Chanda, S.K., Batalov, S., and  Joazeiro, C.A. (2008). Genome‐wide and functional annotation of human E3 ubiquitin ligases  identifies MULAN, a mitochondrial E3 that regulates the organelle's dynamics and signaling. PloS  one 3, e1487.  Li, X. (2011). Click to join peptides/proteins together. Chemistry, an Asian journal 6, 2606‐2616.  Liakopoulos, D., Doenges, G., Matuschewski, K., and Jentsch, S. (1998). A novel protein  modification pathway related to the ubiquitin system. The EMBO journal 17, 2208‐2214.  Liew, C.W., Sun, H., Hunter, T., and Day, C.L. (2010). RING domain dimerization is essential for  RNF4 function. The Biochemical journal 431, 23‐29.  Lin, J.J., Milhollen, M.A., Smith, P.G., Narayanan, U., and Dutta, A. (2010). NEDD8‐targeting drug  MLN4924 elicits DNA rereplication by stabilizing Cdt1 in S phase, triggering checkpoint  activation, apoptosis, and senescence in cancer cells. Cancer research 70, 10310‐10320.  Lin, Y., Hwang, W.C., and Basavappa, R. (2002). Structural and functional analysis of the human  mitotic‐specific ubiquitin‐conjugating enzyme, UbcH10. The Journal of biological chemistry 277,  21913‐21921.  Linares, L.K., Hengstermann, A., Ciechanover, A., Muller, S., and Scheffner, M. (2003). HdmX  stimulates Hdm2‐mediated ubiquitination and degradation of p53. Proceedings of the National  Academy of Sciences of the United States of America 100, 12009‐12014.  Liu, G., and Warbrick, E. (2006). The p66 and p12 subunits of DNA polymerase delta are  modified by ubiquitin and ubiquitin‐like proteins. Biochemical and biophysical research  communications 349, 360‐366.  Liu, G., and Xirodimas, D.P. (2010). NUB1 promotes cytoplasmic localization of p53 through  cooperation of the NEDD8 and ubiquitin pathways. Oncogene 29, 2252‐2261.  Liu, L., Rodriguez‐Belmonte, E.M., Mazloum, N., Xie, B., and Lee, M.Y. (2003). Identification of a  novel protein, PDIP38, that interacts with the p50 subunit of DNA polymerase delta and  proliferating cell nuclear antigen. The Journal of biological chemistry 278, 10041‐10047.  Lo, Y.H., Ho, P.C., and Wang, S.C. (2012). Epidermal growth factor receptor protects proliferating  cell nuclear antigen from cullin 4A protein‐mediated proteolysis. The Journal of biological  chemistry 287, 27148‐27157.  Lois, L.M., and Lima, C.D. (2005). Structures of the SUMO E1 provide mechanistic insights into  SUMO activation and E2 recruitment to E1. The EMBO journal 24, 439‐451.  Lovering, R., Hanson, I.M., Borden, K.L., Martin, S., O'Reilly, N.J., Evan, G.I., Rahman, D., Pappin,  D.J., Trowsdale, J., and Freemont, P.S. (1993). Identification and preliminary characterization of a  protein motif related to the zinc finger. Proceedings of the National Academy of Sciences of the  United States of America 90, 2112‐2116. 

- 114 -

References Lund, P.K., Moats‐Staats, B.M., Simmons, J.G., Hoyt, E., D'Ercole, A.J., Martin, F., and Van Wyk, J.J.  (1985). Nucleotide sequence analysis of a cDNA encoding human ubiquitin reveals that ubiquitin  is synthesized as a precursor. The Journal of biological chemistry 260, 7609‐7613.  Lyapina, S., Cope, G., Shevchenko, A., Serino, G., Tsuge, T., Zhou, C., Wolf, D.A., Wei, N., and  Deshaies, R.J. (2001). Promotion of NEDD‐CUL1 conjugate cleavage by COP9 signalosome.  Science 292, 1382‐1385.  Lyapina, S.A., Correll, C.C., Kipreos, E.T., and Deshaies, R.J. (1998). Human CUL1 forms an  evolutionarily conserved ubiquitin ligase complex (SCF) with SKP1 and an F‐box protein.  Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 95, 7451‐7456.  Ma, T., Chen, Y., Zhang, F., Yang, C.Y., Wang, S., and Yu, X. (2013). RNF111‐Dependent  Neddylation Activates DNA Damage‐Induced Ubiquitination. Molecular cell.  Machida, Y.J., Machida, Y., Chen, Y., Gurtan, A.M., Kupfer, G.M., D'Andrea, A.D., and Dutta, A.  (2006). UBE2T is the E2 in the Fanconi anemia pathway and undergoes negative autoregulation.  Molecular cell 23, 589‐596.  Maeda, M., Ohashi, K., and Ohashi‐Kobayashi, A. (2005). Further extension of mammalian GATA‐ 6. Development, growth & differentiation 47, 591‐600.  Magee, A.I., and Courtneidge, S.A. (1985). Two classes of fatty acid acylated proteins exist in  eukaryotic cells. The EMBO journal 4, 1137‐1144.  Mahata, B., Sundqvist, A., and Xirodimas, D.P. (2011). Recruitment of RPL11 at promoter sites of  p53‐regulated genes upon nucleolar stress through NEDD8 and in an Mdm2‐dependent manner.  Oncogene.  Mahotka, C., Liebmann, J., Wenzel, M., Suschek, C.V., Schmitt, M., Gabbert, H.E., and Gerharz, C.D.  (2002). Differential subcellular localization of functionally divergent survivin splice variants.  Cell death and differentiation 9, 1334‐1342.  Matunis, M.J., Coutavas, E., and Blobel, G. (1996). A novel ubiquitin‐like modification modulates  the partitioning of the Ran‐GTPase‐activating protein RanGAP1 between the cytosol and the  nuclear pore complex. The Journal of cell biology 135, 1457‐1470.  Maxwell, P. (2003). HIF‐1: an oxygen response system with special relevance to the kidney.  Journal of the American Society of Nephrology : JASN 14, 2712‐2722.  McKenna, S., Spyracopoulos, L., Moraes, T., Pastushok, L., Ptak, C., Xiao, W., and Ellison, M.J.  (2001). Noncovalent interaction between ubiquitin and the human DNA repair protein Mms2 is  required for Ubc13‐mediated polyubiquitination. The Journal of biological chemistry 276,  40120‐40126.  Mendoza, H.M., Shen, L.N., Botting, C., Lewis, A., Chen, J., Ink, B., and Hay, R.T. (2003). NEDP1, a  highly conserved cysteine protease that deNEDDylates Cullins. The Journal of biological  chemistry 278, 25637‐25643.  Metzger, M.B., Hristova, V.A., and Weissman, A.M. (2012). HECT and RING finger families of E3  ubiquitin ligases at a glance. Journal of cell science 125, 531‐537.  Meyer‐Schaller, N., Chou, Y.C., Sumara, I., Martin, D.D., Kurz, T., Katheder, N., Hofmann, K.,  Berthiaume, L.G., Sicheri, F., and Peter, M. (2009). The human Dcn1‐like protein DCNL3  promotes Cul3 neddylation at membranes. Proceedings of the National Academy of Sciences of  the United States of America 106, 12365‐12370. 

- 115 -

References Milhollen, M.A., Traore, T., Adams‐Duffy, J., Thomas, M.P., Berger, A.J., Dang, L., Dick, L.R.,  Garnsey, J.J., Koenig, E., Langston, S.P., et al. (2010). MLN4924, a NEDD8‐activating enzyme  inhibitor, is active in diffuse large B‐cell lymphoma models: rationale for treatment of NF‐ {kappa}B‐dependent lymphoma. Blood 116, 1515‐1523.  Miura, T., Klaus, W., Gsell, B., Miyamoto, C., and Senn, H. (1999). Characterization of the binding  interface between ubiquitin and class I human ubiquitin‐conjugating enzyme 2b by  multidimensional heteronuclear NMR spectroscopy in solution. Journal of molecular biology  290, 213‐228.  Miyachi, K., Fritzler, M.J., and Tan, E.M. (1978). Autoantibody to a nuclear antigen in proliferating  cells. J Immunol 121, 2228‐2234.  Moldovan, G.L., Dejsuphong, D., Petalcorin, M.I., Hofmann, K., Takeda, S., Boulton, S.J., and  D'Andrea, A.D. (2012). Inhibition of homologous recombination by the PCNA‐interacting protein  PARI. Molecular cell 45, 75‐86.  Monda, J.K., Scott, D.C., Miller, D.J., Lydeard, J., King, D., Harper, J.W., Bennett, E.J., and Schulman,  B.A. (2013). Structural conservation of distinctive N‐terminal acetylation‐dependent  interactions across a family of mammalian NEDD8 ligation enzymes. Structure 21, 42‐53.  Morimoto, M., Nishida, T., Nagayama, Y., and Yasuda, H. (2003). Nedd8‐modification of Cul1 is  promoted by Roc1 as a Nedd8‐E3 ligase and regulates its stability. Biochemical and biophysical  research communications 301, 392‐398.  Mossi, R., and Hubscher, U. (1998). Clamping down on clamps and clamp loaders‐‐the eukaryotic  replication factor C. European journal of biochemistry / FEBS 254, 209‐216.  Muller, T., Meyer, H.E., Egensperger, R., and Marcus, K. (2008). The amyloid precursor protein  intracellular domain (AICD) as modulator of gene expression, apoptosis, and cytoskeletal  dynamics‐relevance for Alzheimer's disease. Progress in neurobiology 85, 393‐406.  Murata, S., Yashiroda, H., and Tanaka, K. (2009). Molecular mechanisms of proteasome assembly.  Nature reviews Molecular cell biology 10, 104‐115.  Nagano, T., Hashimoto, T., Nakashima, A., Kikkawa, U., and Kamada, S. (2012). X‐linked inhibitor  of apoptosis protein mediates neddylation by itself but does not function as a NEDD8‐E3 ligase  for caspase‐7. FEBS letters.  Nakahara, S., and Raz, A. (2006). On the role of galectins in signal transduction. Methods in  enzymology 417, 273‐289.  Nakayama, K., Nagahama, H., Minamishima, Y.A., Matsumoto, M., Nakamichi, I., Kitagawa, K.,  Shirane, M., Tsunematsu, R., Tsukiyama, T., Ishida, N., et al. (2000). Targeted disruption of Skp2  results in accumulation of cyclin E and p27(Kip1), polyploidy and centrosome overduplication.  The EMBO journal 19, 2069‐2081.  Nastasi, T., Bongiovanni, A., Campos, Y., Mann, L., Toy, J.N., Bostrom, J., Rottier, R., Hahn, C.,  Conaway, J.W., Harris, A.J., et al. (2004). Ozz‐E3, a muscle‐specific ubiquitin ligase, regulates  beta‐catenin degradation during myogenesis. Developmental cell 6, 269‐282.  Noguchi, K., Okumura, F., Takahashi, N., Kataoka, A., Kamiyama, T., Todo, S., and Hatakeyama, S.  (2011). TRIM40 promotes neddylation of IKKgamma and is downregulated in gastrointestinal  cancers. Carcinogenesis 32, 995‐1004. 

- 116 -

References Ohh, M., Kim, W.Y., Moslehi, J.J., Chen, Y., Chau, V., Read, M.A., and Kaelin, W.G., Jr. (2002). An  intact NEDD8 pathway is required for Cullin‐dependent ubiquitylation in mammalian cells.  EMBO reports 3, 177‐182.  Osaka, F., Kawasaki, H., Aida, N., Saeki, M., Chiba, T., Kawashima, S., Tanaka, K., and Kato, S.  (1998). A new NEDD8‐ligating system for cullin‐4A. Genes & development 12, 2263‐2268.  Oved, S., Mosesson, Y., Zwang, Y., Santonico, E., Shtiegman, K., Marmor, M.D., Kochupurakkal, B.S.,  Katz, M., Lavi, S., Cesareni, G., et al. (2006). Conjugation to Nedd8 instigates ubiquitylation and  down‐regulation of activated receptor tyrosine kinases. The Journal of biological chemistry 281,  21640‐21651.  Owerbach, D., McKay, E.M., Yeh, E.T., Gabbay, K.H., and Bohren, K.M. (2005). A proline‐90 residue  unique to SUMO‐4 prevents maturation and sumoylation. Biochemical and biophysical research  communications 337, 517‐520.  Parker, J.L., and Ulrich, H.D. (2012). A SUMO‐interacting motif activates budding yeast ubiquitin  ligase Rad18 towards SUMO‐modified PCNA. Nucleic acids research 40, 11380‐11388.  Pelzer, C., Kassner, I., Matentzoglu, K., Singh, R.K., Wollscheid, H.P., Scheffner, M., Schmidtke, G.,  and Groettrup, M. (2007). UBE1L2, a novel E1 enzyme specific for ubiquitin. The Journal of  biological chemistry 282, 23010‐23014.  Peters, J.M. (2006). The anaphase promoting complex/cyclosome: a machine designed to  destroy. Nature reviews Molecular cell biology 7, 644‐656.  Petroski, M.D., and Deshaies, R.J. (2005a). Function and regulation of cullin‐RING ubiquitin  ligases. Nature reviews Molecular cell biology 6, 9‐20.  Petroski, M.D., and Deshaies, R.J. (2005b). Mechanism of lysine 48‐linked ubiquitin‐chain  synthesis by the cullin‐RING ubiquitin‐ligase complex SCF‐Cdc34. Cell 123, 1107‐1120.  Pfander, B., Moldovan, G.L., Sacher, M., Hoege, C., and Jentsch, S. (2005). SUMO‐modified PCNA  recruits Srs2 to prevent recombination during S phase. Nature 436, 428‐433.  Pichler, A., Gast, A., Seeler, J.S., Dejean, A., and Melchior, F. (2002). The nucleoporin RanBP2 has  SUMO1 E3 ligase activity. Cell 108, 109‐120.  Pichler, A., Knipscheer, P., Oberhofer, E., van Dijk, W.J., Korner, R., Olsen, J.V., Jentsch, S., Melchior,  F., and Sixma, T.K. (2005). SUMO modification of the ubiquitin‐conjugating enzyme E2‐25K.  Nature structural & molecular biology 12, 264‐269.  Pickart, C.M. (2001). Mechanisms underlying ubiquitination. Annual review of biochemistry 70,  503‐533.  Pierce, N.W., Lee, J.E., Liu, X., Sweredoski, M.J., Graham, R.L., Larimore, E.A., Rome, M., Zheng, N.,  Clurman, B.E., Hess, S., et al. (2013). Cand1 Promotes Assembly of New SCF Complexes through  Dynamic Exchange of F Box Proteins. Cell.  Plechanovova, A., Jaffray, E.G., McMahon, S.A., Johnson, K.A., Navratilova, I., Naismith, J.H., and  Hay, R.T. (2011). Mechanism of ubiquitylation by dimeric RING ligase RNF4. Nature structural &  molecular biology 18, 1052‐1059.  Plechanovova, A., Jaffray, E.G., Tatham, M.H., Naismith, J.H., and Hay, R.T. (2012). Structure of a  RING E3 ligase and ubiquitin‐loaded E2 primed for catalysis. Nature 489, 115‐120. 

- 117 -

References Prakash, S., Tian, L., Ratliff, K.S., Lehotzky, R.E., and Matouschek, A. (2004). An unstructured  initiation site is required for efficient proteasome‐mediated degradation. Nature structural &  molecular biology 11, 830‐837.  Ptak, C., Prendergast, J.A., Hodgins, R., Kay, C.M., Chau, V., and Ellison, M.J. (1994). Functional and  physical characterization of the cell cycle ubiquitin‐conjugating enzyme CDC34 (UBC3).  Identification of a functional determinant within the tail that facilitates CDC34 self‐association.  The Journal of biological chemistry 269, 26539‐26545.  Raasi, S., Schmidtke, G., and Groettrup, M. (2001). The ubiquitin‐like protein FAT10 forms  covalent conjugates and induces apoptosis. The Journal of biological chemistry 276, 35334‐ 35343.  Rani, N., Aichem, A., Schmidtke, G., Kreft, S.G., and Groettrup, M. (2012). FAT10 and NUB1L bind  to the VWA domain of Rpn10 and Rpn1 to enable proteasome‐mediated proteolysis. Nature  communications 3, 749.  Ravid, T., and Hochstrasser, M. (2007). Autoregulation of an E2 enzyme by ubiquitin‐chain  assembly on its catalytic residue. Nature cell biology 9, 422‐427.  Reverter, D., and Lima, C.D. (2005). Insights into E3 ligase activity revealed by a SUMO‐ RanGAP1‐Ubc9‐Nup358 complex. Nature 435, 687‐692.  Rivers, S.L., McNairn, E., Blasco, F., Giordano, G., and Boxer, D.H. (1993). Molecular genetic  analysis of the moa operon of Escherichia coli K‐12 required for molybdenum cofactor  biosynthesis. Molecular microbiology 8, 1071‐1081.  Rock, K.L., Gramm, C., Rothstein, L., Clark, K., Stein, R., Dick, L., Hwang, D., and Goldberg, A.L.  (1994). Inhibitors of the proteasome block the degradation of most cell proteins and the  generation of peptides presented on MHC class I molecules. Cell 78, 761‐771.  Rodriguez, M.S., Desterro, J.M., Lain, S., Lane, D.P., and Hay, R.T. (2000). Multiple C‐terminal  lysine residues target p53 for ubiquitin‐proteasome‐mediated degradation. Molecular and  cellular biology 20, 8458‐8467.  Rodriguez, M.S., Desterro, J.M., Lain, S., Midgley, C.A., Lane, D.P., and Hay, R.T. (1999). SUMO‐1  modification activates the transcriptional response of p53. The EMBO journal 18, 6455‐6461.  Rosas‐Acosta, G., Russell, W.K., Deyrieux, A., Russell, D.H., and Wilson, V.G. (2005). A universal  strategy for proteomic studies of SUMO and other ubiquitin‐like modifiers. Molecular & cellular  proteomics : MCP 4, 56‐72.  Russell, R.C., and Ohh, M. (2008). NEDD8 acts as a 'molecular switch' defining the functional  selectivity of VHL. EMBO reports 9, 486‐491.  Saitoh, H., and Hinchey, J. (2000). Functional heterogeneity of small ubiquitin‐related protein  modifiers SUMO‐1 versus SUMO‐2/3. The Journal of biological chemistry 275, 6252‐6258.  Sakata, E., Satoh, T., Yamamoto, S., Yamaguchi, Y., Yagi‐Utsumi, M., Kurimoto, E., Tanaka, K.,  Wakatsuki, S., and Kato, K. (2010). Crystal structure of UbcH5b~ubiquitin intermediate: insight  into the formation of the self‐assembled E2~Ub conjugates. Structure 18, 138‐147.  Sakata, E., Yamaguchi, Y., Miyauchi, Y., Iwai, K., Chiba, T., Saeki, Y., Matsuda, N., Tanaka, K., and  Kato, K. (2007). Direct interactions between NEDD8 and ubiquitin E2 conjugating enzymes  upregulate cullin‐based E3 ligase activity. Nature structural & molecular biology 14, 167‐168. 

- 118 -

References Scheffner, M., Huibregtse, J.M., Vierstra, R.D., and Howley, P.M. (1993). The HPV‐16 E6 and E6‐AP  complex functions as a ubiquitin‐protein ligase in the ubiquitination of p53. Cell 75, 495‐505.  Schneider, D., Schneider, T., Rösner, D., Scheffner, M., and Marx, A. (2013). Improving  bioorthogonal protein ubiquitylation by Click reaction. Bioorganic & Medicinal Chemistry in  press.  Schulman, B.A., and Harper, J.W. (2009). Ubiquitin‐like protein activation by E1 enzymes: the  apex for downstream signalling pathways. Nature reviews Molecular cell biology 10, 319‐331.  Schwarz, S.E., Matuschewski, K., Liakopoulos, D., Scheffner, M., and Jentsch, S. (1998). The  ubiquitin‐like proteins SMT3 and SUMO‐1 are conjugated by the UBC9 E2 enzyme. Proceedings  of the National Academy of Sciences of the United States of America 95, 560‐564.  Scott, D.C., Monda, J.K., Bennett, E.J., Harper, J.W., and Schulman, B.A. (2011). N‐terminal  acetylation acts as an avidity enhancer within an interconnected multiprotein complex. Science  334, 674‐678.  Senga, T., Sivaprasad, U., Zhu, W., Park, J.H., Arias, E.E., Walter, J.C., and Dutta, A. (2006). PCNA is  a cofactor for Cdt1 degradation by CUL4/DDB1‐mediated N‐terminal ubiquitination. The Journal  of biological chemistry 281, 6246‐6252.  Shabek, N., Herman‐Bachinsky, Y., Buchsbaum, S., Lewinson, O., Haj‐Yahya, M., Hejjaoui, M.,  Lashuel, H.A., Sommer, T., Brik, A., and Ciechanover, A. (2012). The size of the proteasomal  substrate determines whether its degradation will be mediated by mono‐ or polyubiquitylation.  Molecular cell 48, 87‐97.  Shen, T.H., Lin, H.K., Scaglioni, P.P., Yung, T.M., and Pandolfi, P.P. (2006). The mechanisms of  PML‐nuclear body formation. Molecular cell 24, 331‐339.  Shimizu, Y., Okuda‐Shimizu, Y., and Hendershot, L.M. (2010). Ubiquitylation of an ERAD  substrate occurs on multiple types of amino acids. Molecular cell 40, 917‐926.  Siepmann, T.J., Bohnsack, R.N., Tokgoz, Z., Baboshina, O.V., and Haas, A.L. (2003). Protein  interactions within the N‐end rule ubiquitin ligation pathway. The Journal of biological  chemistry 278, 9448‐9457.  Singh, R.K., Zerath, S., Kleifeld, O., Scheffner, M., Glickman, M.H., and Fushman, D. (2012).  Recognition and cleavage of related to ubiquitin 1 (Rub1) and Rub1‐ubiquitin chains by  components of the ubiquitin‐proteasome system. Molecular & cellular proteomics : MCP 11,  1595‐1611.  Skaar, J.R., Florens, L., Tsutsumi, T., Arai, T., Tron, A., Swanson, S.K., Washburn, M.P., and  DeCaprio, J.A. (2007). PARC and CUL7 form atypical cullin RING ligase complexes. Cancer  research 67, 2006‐2014.  Sorokin, A.V., Kim, E.R., and Ovchinnikov, L.P. (2009). Proteasome system of protein degradation  and processing. Biochemistry Biokhimiia 74, 1411‐1442.  Soucy, T.A., Smith, P.G., Milhollen, M.A., Berger, A.J., Gavin, J.M., Adhikari, S., Brownell, J.E., Burke,  K.E., Cardin, D.P., Critchley, S., et al. (2009). An inhibitor of NEDD8‐activating enzyme as a new  approach to treat cancer. Nature 458, 732‐736.  Souphron, J., Waddell, M.B., Paydar, A., Tokgoz‐Gromley, Z., Roussel, M.F., and Schulman, B.A.  (2008). Structural dissection of a gating mechanism preventing misactivation of ubiquitin by  NEDD8's E1. Biochemistry 47, 8961‐8969. 

- 119 -

References Spence, J., Sadis, S., Haas, A.L., and Finley, D. (1995). A ubiquitin mutant with specific defects in  DNA repair and multiubiquitination. Molecular and cellular biology 15, 1265‐1273.  Stelter, P., and Ulrich, H.D. (2003). Control of spontaneous and damage‐induced mutagenesis by  SUMO and ubiquitin conjugation. Nature 425, 188‐191.  Sternsdorf, T., Jensen, K., and Will, H. (1997). Evidence for covalent modification of the nuclear  dot‐associated proteins PML and Sp100 by PIC1/SUMO‐1. The Journal of cell biology 139, 1621‐ 1634.  Stickle, N.H., Chung, J., Klco, J.M., Hill, R.P., Kaelin, W.G., Jr., and Ohh, M. (2004). pVHL  modification by NEDD8 is required for fibronectin matrix assembly and suppression of tumor  development. Molecular and cellular biology 24, 3251‐3261.  Stoimenov, I., and Helleday, T. (2009). PCNA on the crossroad of cancer. Biochemical Society  transactions 37, 605‐613.  Sugawara, K., Suzuki, N.N., Fujioka, Y., Mizushima, N., Ohsumi, Y., and Inagaki, F. (2004). The  crystal structure of microtubule‐associated protein light chain 3, a mammalian homologue of  Saccharomyces cerevisiae Atg8. Genes to cells : devoted to molecular & cellular mechanisms 9,  611‐618.  Sundqvist, A., Liu, G., Mirsaliotis, A., and Xirodimas, D.P. (2009). Regulation of nucleolar  signalling to p53 through NEDDylation of L11. EMBO reports 10, 1132‐1139.  Suraweera, A., Munch, C., Hanssum, A., and Bertolotti, A. (2012). Failure of amino acid  homeostasis causes cell death following proteasome inhibition. Molecular cell 48, 242‐253.  Suzuki, N.N., Yoshimoto, K., Fujioka, Y., Ohsumi, Y., and Inagaki, F. (2005). The crystal structure  of plant ATG12 and its biological implication in autophagy. Autophagy 1, 119‐126.  Swords, R.T., Kelly, K.R., Smith, P.G., Garnsey, J.J., Mahalingam, D., Medina, E., Oberheu, K.,  Padmanabhan, S., O'Dwyer, M., Nawrocki, S.T., et al. (2010). Inhibition of NEDD8‐activating  enzyme: a novel approach for the treatment of acute myeloid leukemia. Blood 115, 3796‐3800.  Szafranski, K., Schindler, S., Taudien, S., Hiller, M., Huse, K., Jahn, N., Schreiber, S., Backofen, R.,  and Platzer, M. (2007). Violating the splicing rules: TG dinucleotides function as alternative 3'  splice sites in U2‐dependent introns. Genome biology 8, R154.  Szczepanowski, R.H., Filipek, R., and Bochtler, M. (2005). Crystal structure of a fragment of  mouse ubiquitin‐activating enzyme. The Journal of biological chemistry 280, 22006‐22011.  Takasaki, Y., Deng, J.S., and Tan, E.M. (1981). A nuclear antigen associated with cell proliferation  and blast transformation. The Journal of experimental medicine 154, 1899‐1909.  Takeuchi, J., Chen, H., and Coffino, P. (2007). Proteasome substrate degradation requires  association plus extended peptide. The EMBO journal 26, 123‐131.  Tanaka, T., Kawashima, H., Yeh, E.T., and Kamitani, T. (2003). Regulation of the NEDD8  conjugation system by a splicing variant, NUB1L. The Journal of biological chemistry 278, 32905‐ 32913.  Tanida, I., Ueno, T., and Kominami, E. (2004). LC3 conjugation system in mammalian autophagy.  The international journal of biochemistry & cell biology 36, 2503‐2518. 

- 120 -

References Tanji, K., Tanaka, T., and Kamitani, T. (2005). Interaction of NUB1 with the proteasome subunit  S5a. Biochemical and biophysical research communications 337, 116‐120.  Tateishi, K., Omata, M., Tanaka, K., and Chiba, T. (2001). The NEDD8 system is essential for cell  cycle progression and morphogenetic pathway in mice. The Journal of cell biology 155, 571‐579.  Tatham, M.H., Jaffray, E., Vaughan, O.A., Desterro, J.M., Botting, C.H., Naismith, J.H., and Hay, R.T.  (2001). Polymeric chains of SUMO‐2 and SUMO‐3 are conjugated to protein substrates by  SAE1/SAE2 and Ubc9. The Journal of biological chemistry 276, 35368‐35374.  Terai, K., Abbas, T., Jazaeri, A.A., and Dutta, A. (2010). CRL4(Cdt2) E3 ubiquitin ligase  monoubiquitinates PCNA to promote translesion DNA synthesis. Molecular cell 37, 143‐149.  Thrower, J.S., Hoffman, L., Rechsteiner, M., and Pickart, C.M. (2000). Recognition of the  polyubiquitin proteolytic signal. The EMBO journal 19, 94‐102.  Tissier, A., Janel‐Bintz, R., Coulon, S., Klaile, E., Kannouche, P., Fuchs, R.P., and Cordonnier, A.M.  (2010). Crosstalk between replicative and translesional DNA polymerases: PDIP38 interacts  directly with Poleta. DNA repair 9, 922‐928.  Toschi, L., and Bravo, R. (1988). Changes in cyclin/proliferating cell nuclear antigen distribution  during DNA repair synthesis. The Journal of cell biology 107, 1623‐1628.  VanDemark, A.P., Hofmann, R.M., Tsui, C., Pickart, C.M., and Wolberger, C. (2001). Molecular  insights into polyubiquitin chain assembly: crystal structure of the Mms2/Ubc13 heterodimer.  Cell 105, 711‐720.  Vertegaal, A.C., Ogg, S.C., Jaffray, E., Rodriguez, M.S., Hay, R.T., Andersen, J.S., Mann, M., and  Lamond, A.I. (2004). A proteomic study of SUMO‐2 target proteins. The Journal of biological  chemistry 279, 33791‐33798.  Vijay‐Kumar, S., Bugg, C.E., and Cook, W.J. (1987). Structure of ubiquitin refined at 1.8 A  resolution. Journal of molecular biology 194, 531‐544.  Wada, H., Kito, K., Caskey, L.S., Yeh, E.T., and Kamitani, T. (1998). Cleavage of the C‐terminus of  NEDD8 by UCH‐L3. Biochemical and biophysical research communications 251, 688‐692.  Wada, H., Yeh, E.T., and Kamitani, T. (1999). Identification of NEDD8‐conjugation site in human  cullin‐2. Biochemical and biophysical research communications 257, 100‐105.  Wagner, S.A., Beli, P., Weinert, B.T., Nielsen, M.L., Cox, J., Mann, M., and Choudhary, C. (2011). A  proteome‐wide, quantitative survey of in vivo ubiquitylation sites reveals widespread regulatory  roles. Molecular & cellular proteomics : MCP 10, M111 013284.  Walden, H., and Martinez‐Torres, R.J. (2012). Regulation of Parkin E3 ubiquitin ligase activity.  Cellular and molecular life sciences : CMLS.  Walden, H., Podgorski, M.S., Huang, D.T., Miller, D.W., Howard, R.J., Minor, D.L., Jr., Holton, J.M.,  and Schulman, B.A. (2003a). The structure of the APPBP1‐UBA3‐NEDD8‐ATP complex reveals  the basis for selective ubiquitin‐like protein activation by an E1. Molecular cell 12, 1427‐1437.  Walden, H., Podgorski, M.S., and Schulman, B.A. (2003b). Insights into the ubiquitin transfer  cascade from the structure of the activating enzyme for NEDD8. Nature 422, 330‐334.  Wang, H., Wang, L., Erdjument‐Bromage, H., Vidal, M., Tempst, P., Jones, R.S., and Zhang, Y.  (2004). Role of histone H2A ubiquitination in Polycomb silencing. Nature 431, 873‐878. 

- 121 -

References Wang, J., Cai, S., and Chen, Y. (2010). Mechanism of E1‐E2 interaction for the inhibition of Ubl  adenylation. The Journal of biological chemistry 285, 33457‐33462.  Wang, J., Hu, W., Cai, S., Lee, B., Song, J., and Chen, Y. (2007a). The intrinsic affinity between E2  and the Cys domain of E1 in ubiquitin‐like modifications. Molecular cell 27, 228‐237.  Wang, S.C., Nakajima, Y., Yu, Y.L., Xia, W., Chen, C.T., Yang, C.C., McIntush, E.W., Li, L.Y., Hawke,  D.H., Kobayashi, R., et al. (2006). Tyrosine phosphorylation controls PCNA function through  protein stability. Nature cell biology 8, 1359‐1368.  Wang, X., Herr, R.A., Chua, W.J., Lybarger, L., Wiertz, E.J., and Hansen, T.H. (2007b).  Ubiquitination of serine, threonine, or lysine residues on the cytoplasmic tail can induce ERAD of  MHC‐I by viral E3 ligase mK3. The Journal of cell biology 177, 613‐624.  Watanabe, K., Tateishi, S., Kawasuji, M., Tsurimoto, T., Inoue, H., and Yamaizumi, M. (2004).  Rad18 guides poleta to replication stalling sites through physical interaction and PCNA  monoubiquitination. The EMBO journal 23, 3886‐3896.  Watson, I.R., Blanch, A., Lin, D.C., Ohh, M., and Irwin, M.S. (2006). Mdm2‐mediated NEDD8  modification of TAp73 regulates its transactivation function. The Journal of biological chemistry  281, 34096‐34103.  Watson, I.R., Irwin, M.S., and Ohh, M. (2011). NEDD8 pathways in cancer, Sine Quibus Non.  Cancer cell 19, 168‐176.  Wee, K.E., Lai, Z., Auger, K.R., Ma, J., Horiuchi, K.Y., Dowling, R.L., Dougherty, C.S., Corman, J.I.,  Wynn, R., and Copeland, R.A. (2000). Steady‐state kinetic analysis of human ubiquitin‐activating  enzyme (E1) using a fluorescently labeled ubiquitin substrate. Journal of protein chemistry 19,  489‐498.  Welchman, R.L., Gordon, C., and Mayer, R.J. (2005). Ubiquitin and ubiquitin‐like proteins as  multifunctional signals. Nature reviews Molecular cell biology 6, 599‐609.  Wenzel, D.M., Stoll, K.E., and Klevit, R.E. (2011). E2s: structurally economical and functionally  replete. The Biochemical journal 433, 31‐42.  Wessel, D., and Flugge, U.I. (1984). A method for the quantitative recovery of protein in dilute  solution in the presence of detergents and lipids. Analytical biochemistry 138, 141‐143.  Whitby, F.G., Xia, G., Pickart, C.M., and Hill, C.P. (1998). Crystal structure of the human ubiquitin‐ like protein NEDD8 and interactions with ubiquitin pathway enzymes. The Journal of biological  chemistry 273, 34983‐34991.  Wiborg, O., Pedersen, M.S., Wind, A., Berglund, L.E., Marcker, K.A., and Vuust, J. (1985). The  human ubiquitin multigene family: some genes contain multiple directly repeated ubiquitin  coding sequences. The EMBO journal 4, 755‐759.  Wilkinson, K.D. (1997). Regulation of ubiquitin‐dependent processes by deubiquitinating  enzymes. FASEB journal : official publication of the Federation of American Societies for  Experimental Biology 11, 1245‐1256.  Wimuttisuk, W., and Singer, J.D. (2007). The Cullin3 ubiquitin ligase functions as a Nedd8‐bound  heterodimer. Molecular biology of the cell 18, 899‐909.  Winn, P.J., Religa, T.L., Battey, J.N., Banerjee, A., and Wade, R.C. (2004). Determinants of  functionality in the ubiquitin conjugating enzyme family. Structure 12, 1563‐1574. 

- 122 -

References Wu, K., Yamoah, K., Dolios, G., Gan‐Erdene, T., Tan, P., Chen, A., Lee, C.G., Wei, N., Wilkinson, K.D.,  Wang, R., et al. (2003a). DEN1 is a dual function protease capable of processing the C terminus of  Nedd8 and deconjugating hyper‐neddylated CUL1. The Journal of biological chemistry 278,  28882‐28891.  Wu, P.Y., Hanlon, M., Eddins, M., Tsui, C., Rogers, R.S., Jensen, J.P., Matunis, M.J., Weissman, A.M.,  Wolberger, C., and Pickart, C.M. (2003b). A conserved catalytic residue in the ubiquitin‐ conjugating enzyme family. The EMBO journal 22, 5241‐5250.  Xirodimas, D.P., Saville, M.K., Bourdon, J.C., Hay, R.T., and Lane, D.P. (2004). Mdm2‐mediated  NEDD8 conjugation of p53 inhibits its transcriptional activity. Cell 118, 83‐97.  Xirodimas, D.P., Sundqvist, A., Nakamura, A., Shen, L., Botting, C., and Hay, R.T. (2008). Ribosomal  proteins are targets for the NEDD8 pathway. EMBO reports 9, 280‐286.  Xu, P., Duong, D.M., Seyfried, N.T., Cheng, D., Xie, Y., Robert, J., Rush, J., Hochstrasser, M., Finley, D.,  and Peng, J. (2009). Quantitative proteomics reveals the function of unconventional ubiquitin  chains in proteasomal degradation. Cell 137, 133‐145.  Yamanaka, A., Hatakeyama, S., Kominami, K., Kitagawa, M., Matsumoto, M., and Nakayama, K.  (2000). Cell cycle‐dependent expression of mammalian E2‐C regulated by the anaphase‐ promoting complex/cyclosome. Molecular biology of the cell 11, 2821‐2831.  Yang, X., Zhou, J., Sun, L., Wei, Z., Gao, J., Gong, W., Xu, R.M., Rao, Z., and Liu, Y. (2007). Structural  basis for the function of DCN‐1 in protein Neddylation. The Journal of biological chemistry 282,  24490‐24494.  Ye, Y., and Rape, M. (2009). Building ubiquitin chains: E2 enzymes at work. Nature reviews  Molecular cell biology 10, 755‐764.  Yin, Q., Lin, S.C., Lamothe, B., Lu, M., Lo, Y.C., Hura, G., Zheng, L., Rich, R.L., Campos, A.D., Myszka,  D.G., et al. (2009). E2 interaction and dimerization in the crystal structure of TRAF6. Nature  structural & molecular biology 16, 658‐666.  Yu, F., White, S.B., Zhao, Q., and Lee, F.S. (2001). HIF‐1alpha binding to VHL is regulated by  stimulus‐sensitive proline hydroxylation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the  United States of America 98, 9630‐9635.  Zachariae, W., Shevchenko, A., Andrews, P.D., Ciosk, R., Galova, M., Stark, M.J., Mann, M., and  Nasmyth, K. (1998). Mass spectrometric analysis of the anaphase‐promoting complex from  yeast: identification of a subunit related to cullins. Science 279, 1216‐1219.  Zheng, J., Yang, X., Harrell, J.M., Ryzhikov, S., Shim, E.H., Lykke‐Andersen, K., Wei, N., Sun, H.,  Kobayashi, R., and Zhang, H. (2002). CAND1 binds to unneddylated CUL1 and regulates the  formation of SCF ubiquitin E3 ligase complex. Molecular cell 10, 1519‐1526.  Zou, W., Papov, V., Malakhova, O., Kim, K.I., Dao, C., Li, J., and Zhang, D.E. (2005). ISG15  modification of ubiquitin E2 Ubc13 disrupts its ability to form thioester bond with ubiquitin.  Biochemical and biophysical research communications 336, 61‐68.  Zuo, W., Huang, F., Chiang, Y.J., Li, M., Du, J., Ding, Y., Zhang, T., Lee, H.W., Jeong, L.S., Chen, Y., et al.  (2013). c‐Cbl‐Mediated Neddylation Antagonizes Ubiquitination and Degradation of the TGF‐ beta Type II Receptor. Molecular cell.   

    - 123 -

Eidesstattliche Erklärung 

  Ich  erkläre  hiermit,  dass  ich  die  vorliegende  Arbeit  ohne  unzulässige  Hilfe  Dritter  und  ohne  Benutzung  anderer  als  der  angegebenen  Hilfsmittel  angefertigt  habe.  Die  aus  anderen  Quellen  direkt  oder  indirekt  übernommenen  Daten  und  Konzepte  sind  unter  Angabe  der  Quelle  gekennzeichnet.  Weitere  Personen,  insbesondere  Promotionsberater,  waren  an  der  inhaltlich  materiellen Erstellung dieser Arbeit nicht beteiligt. Die Arbeit wurde bisher weder im In‐ noch  im Ausland in gleicher oder ähnlicher Form einer anderen Prüfungsbehörde vorgelegt.            Dana  Pagliarini    Konstanz, März 2013                                                                     

- 124 -

Danksagung 

  Zunächst  möchte  ich  mich  ganz  herzlich  bei  Professor  Dr.  Martin  Scheffner  bedanken.  Danke,  dass  ich  meine  Doktorarbeit  in  Deinem  Labor  anfertigen  durfte.  Danke  für  Deine  uneingeschränkte Hilfsbereitschaft, für Diskussionen und Kritik.   Herrn Professor Dr. Thomas U. Mayer danke ich für die Begutachtung dieser Arbeit.  Darüber  hinaus  möchte  ich  mich  bei  der  Konstanz  Research  School  Chemical  Biology  für  die  interessanten  Seminare  und  Kurse,  den  konstruktiven  wissenschaftlichen  Austausch  und  die  schönen Retreats bedanken.  Vielen  Dank  an  Dr.  Andreas  Marquardt  (Proteomics  Facility,  Universität  Konstanz)  und  Anna  Sladewska für die Messung der vielen Proben und die Hilfe bei der Auswertung. Mein weiterer  Dank  gilt  Professor  Dr.  Tancred  Frickey  für  seine  Hilfe  bei  der  Tertiärstrukturvorhersage.  Außerdem  möchte  ich  mich  bei  dem  Bioimaging  Center  der  Universität  Konstanz  für  die  Möglichkeit der Nutzung des Konfokalmikroskops bedanken. Danke auch an Dr. Silvia Eger und  Daniel  Rösner  für  die  Hilfe  bei  der  Click  Reaktion  und  vielen  Dank  an  Stephan  Hacker  und  Professor Dr. Andreas Marx für die nette und erfolgreiche Kollaboration.  Ein  ganz  großes  Dankeschön  außerdem  an  alle  ehemaligen  und  derzeitigen  Mitglieder  der  AG  Scheffner ‐ vor allem an Alejandro, Simone, Hans‐Peter, Nadine, Gregor, Meike, Thomas, Nicole,  Toto,  Franzi,  Myriam,  Daniel,  Stefan  und  Elli  ‐  für  die  sehr  nette  Arbeitsatmosphäre,  für  Diskussionen,  Anregungen  und  die  großartige  Hilfsbereitschaft.  Danke  an  alle,  die  mir  mit  der  Korrektur der Doktorarbeit geholfen haben, vor allem an Elli, Alejandro und Daniel. Danke auch  an unsere lustige Pokerrunde, die mir sicherlich sehr fehlen wird.   Besonders bedanken möchte ich mich bei Nicole Richter‐Müller für ihre tolle Unterstützung bei  vielen Experimenten und bei Elisabeth Stürner für ihre Hilfe in allen Lebenslagen. Danke für die  vielen schönen gemeinsamen Mittagspausen und danke für Eure Freundschaft!  Special  thanks  to  Dr.  Alejandro  Rojas  Fernández  for  your  optimism,  your  never  ending  ideas,  your  help  with  corrections  of  my  thesis  and  for  being  a  good  friend.  You  were  the  best  supervisor in the world!  Das  allergrößte  Dankeschön  gilt  abschließend  meiner  Familie,  besonders  aber  meinen  Eltern  und  meinem  Freund  Mike.  Vielen  Dank  für  Eure  uneingeschränkte  Unterstützung  während  meiner gesamten Ausbildung und danke für Eure Liebe! 

 

- 125 -

Smile Life

When life gives you a hundred reasons to cry, show life that you have a thousand reasons to smile

Get in touch

© Copyright 2015 - 2024 PDFFOX.COM - All rights reserved.