Large scale identification of protein SUMOylation by mass spectrometry in HEK293 cells

Abstract

Une large gamme d’événements cellulaires est régulée par la SUMOylation des protéines. Cette modification post-traductionnelle est impliquée dans le cancer notamment dans la leucémie promyélocytaire aigue. À ce jour, peu d’études à grande échelle ont porté sur l’identification des sites de modification. Ce mémoire présente une approche protéomique quantitative unique qui combine une double purification par affinité au niveau des protéines cibles ainsi que des peptides modifiés.

L’approche la plus répandue de purification des protéines SUMOylés implique l’utilisation d’une forme de SUMO modifié avec une étiquette (His6-SUMO). A ce jour, les approches permettant l’enrichissement au niveau peptidique nécessite une forme mutante de SUMO.

Notre analyse consiste à premièrement enrichir en protéines SUMOylés dans les cellules humaines vierges ou sur exprimant His6-SUMO-1/3 en présence ou pas de trioxyde de diarsenic, un traitement de leucémie promyélocytaire aigue. Par la suite, les échantillons sont digérés et les peptides obtenus des protéines SUMOylés conservent un branchement caractéristique. Les peptides sont soit immunoprécipités avec un anticorps spécifique au branchement SUMO ou directement analysés par nano LC/LC-MS/MS par un spectromètre de masse LTQ-Orbitrap. Une analyse manuelle des données révèle des fragments caractéristiques correspondant à la chaîne latérale de SUMO. L’originalité de l’approche réside dans l’identification quantitative et sans ambigüité des sites de SUMOylation. Cette approche a permis l’identification de 17 et 3 sites de SUMO-3 et SUMO-1 respectivement dans les cellules HEK293. Finalement, la SUMOylation de PML est induite suite au traitement d’arsenic.

A wide range of cellular events are regulated by protein SUMOylation. This posttranslational modification was involved in APL (acute promyelocytic leukemia). Only a few large scale studies in mammalian cells have focused on identifying the conjugation sites. This thesis presents a unique quantitative proteomics approach that combines double affinity purification at the protein and peptide level.

A common approach to purification of SUMOylated proteins involves the use of a tagged SUMO (His6-SUMO). To date, the SUMO peptide isolation is addressed using an engineered SUMO.

In presence or absence of arsenic trioxide, a treatment of APL, mock and His6-SUMO1/3 expressing cells are lysed and the SUMOylated proteins are isolated under denaturing conditions. Subsequently, these samples are digested and the peptides bearing the modification site bear a specific SUMO stub. They are either immunoprecipitated with an anti SUMO stub antibody or directly analyzed by nano LC coupled to an LTQ-Orbitrap mass spectrometer. Manual analysis of the data reveals characteristic fragmentation corresponding to the side chain of SUMO. The originality of the approach lies in the quantitative and unambiguous identification of SUMOylation sites in vivo. This approach allowed the identification of 17 and 3 sites of SUMO-3 and SUMO-1, respectively, in HEK293 cells. Finally, PML was identified as the major SUMOylation target following arsenic treatment.