Ubiquitin-binding domains in polyubiquitin chain synthesis

Ubiquitinierung ist eine essentielle posttranslationale Proteinmodifikation (PTM), die vielfaltige Prozesse in eukaryotischen Zellen steuert. Ubiquitin wird zu unterschiedlichen polymeren Ketten zusammengesetzt, wobei E2-Ubiquitin-konjugierende Enzyme haufig eine entscheidende Rolle spielen. Im Rahmen meiner Promotion habe ich die molekularen Grundlagen der Ub Kettensynthese durch die E2-Enzyme Ubc1 und Ubc7 untersucht. Dies geschah mithilfe von in vitro Ubiquitinierungs-Reaktionen, biochemischen und strukturellen Untersuchungen sowie zellbiologischen Experimenten. Ich konnte zeigen, dass zugehorige Ubiquitin-Binde-Domanen (UBDs) die Funktion der E2-Enzyme masgeblich regulieren. Als einziges unter elf E2-Enzymen in S. cerevisiae enthalt Ubc1 eine Ub-bindende UBA Domane, deren Funktion bisher unklar blieb. Ubc1 modifiziert ausschlieslich Lysin 48 (K48) in Ub und wurde mit Proteinqualitatskontrolle sowie der Regulation des Zellzyklus in Verbindung gebracht. Meine Ergebnisse zeigen, dass Ubc1 mithilfe seiner UBA-Domane vorzugsweise mit K63-verknupftem Polyubiquitin interagiert, wodurch K48/K63 verzweigte Ub-Ketten entstehen. Basierend auf vorhandenen Strukturinformationen und meinen eigenen rontgenkristallographischen Untersuchungen zeige ich eine Modellstruktur fur die Reaktion auf. Meine Ergebnisse stellen eine wesentliche Untersuchungsgrundlage fur verzweigten Ub-Ketten dar, uber deren Vorkommen und Funktion bisher wenig bekannt ist. Ubc7 assembliert mithilfe seines Kofaktors Cue1 K48-verknupfte Ub-Ketten im Rahmen des Endoplasmatisches-Retikulum-assoziierten Proteinabbaus (ERAD). In einem kollaborativen Projekt haben wir die Ub-bindende CUE-Domane in Cue1, die hierfur eine Schlusselrolle spielt, untersucht. Sie ermoglicht die Ausrichtung des E2-Enzyms an der distalen Spitze der Ub-Kette fur eine schnelle Kettenverlangerung, besitzt einzigartige auf den Prozess angepasste Bindungseigenschaften und ihre Beeintrachtigung stort den Abbau des ERAD-Substrates Ubc6.%%%%Ubiquitination is an essential posttranslational protein modification (PTM) that regulates widespread intracellular processes in eukaryotic cells. Ubiquitin (Ub) can be assembled into polymeric chains through its seven internal lysine residues and the N-terminus enabling the formation of a complex "Ubiquitin Code". Factors that guide the molecular machinery which produces this code remain poorly understood. In this study, I demonstrate that ubiquitin binding domains (UBDs) associated with the E2 enzymes Ubc1 and Ubc7 substantially contribute to the assembly of particular Ub chains. Uniquely among the eleven E2 enzymes of S. cerevisiae Ubc1 contains a ubiquitin binding UBA domain. Ubc1 exclusively modifies lysine 48 (K48) in Ub and has been implicated in protein quality control and cell cycle progression. However, the function of its UBA domain remained elusive. I identified Ubc1 to preferentially target specific Ub molecules in K63-linked polyubiquitin via its UBA domain. This activity results in the assembly of K48/K63 branched Ub chains. Based on…