Caractérisation structurale et biophysique de l’impact de l’acétylation de SUMO1 sur son interaction dépendante de la phosphorylation avec PML

Abstract

La formation et la dynamique des corps nucléaires contenant PML (PML-NBs) est extensivement régulée par un réseau complexe de modifications post-traductionnelles, incluant la SUMOylation des protéines résidentes des NBs, la phosphorylation des motifs interagissant avec SUMO (SIMs) et l’acétylation des protéines de la famille SUMO. Des études récentes suggèrent que l’acétylation des protéines SUMO contrôle la formation des PML-NBs, mais le rôle précis de cette modification demeure énigmatique. Usant des techniques de calorimétrie par titration isotherme (ITC) et de cristallographie par diffraction des rayons X nous avons investigué l’impact de l’acétylation de SUMO1 sur son interaction avec les phospho-SIMs de PML et Daxx. La neutralisation de la charge positive des résidus K37, K39, K45, ou K46 par acétylation ou par remplacement avec un résidu glutamine diminue de manière significative l’affinité de liaison envers les variants phospho mimétiques de PML-SIM telle que mesurée par ITC, mais la perte d’interaction est plus importante avec les variants K39 et K46 qu’avec les variants K37 et K45. Les structures cristallographiques des phospho-SIMs de PML et Daxx en complexe avec le variant SUMO1 K46Ac démontrent des changements dramatiques au niveau des interactions à l’interface de liaison, mais ces changements semblent distincts pour chaque SIM. Les autres variants acétylés en complexe ave le phospho-SIM de PML démontrent une réorganisation plus globale d’effet de charge à l’interface de liaison. En résumé, nos résultats apportent une description au niveau atomique sur la manière dont l’acétylation de SUMO1 peut moduler son interaction avec les différents phospho-SIMs, ce qui indique qu’il y a une plasticité considérable impliquée dans les interactions SUMO/SIM. Cette plasticité pourrait être altérée par divers types de modifications post-traductionnelles afin de permettre la régulation de fonctions cellulaires distinctes.

PML-Nuclear Bodies (PML-NBs) formation and dynamics is regulated by an extensive network of post-translational modifications (PTMs), which includes SUMOylation of PMLNB- resident proteins, phosphorylation of SIMs (SUMO-Interacting Motifs) and acetylation of SUMO proteins. Recent studies suggest that acetylation of SUMO proteins regulates PML-NB function, but the precise role of acetylation is still not clear. Using Isothermal Titration Calorimetry (ITC) and X-ray crystallography studies, we have investigated the impact of SUMO1 acetylation on its interaction with the phospho SIMs of PML and Daxx. Interestingly, neutralizing the positive charges of K37, K39, K45 or K46 by either acetylation or glutamine substitution significantly decreases the binding affinity towards phospho-mimetic PML-SIMs as measured by ITC, but the decreases are more dramatic with the K39 and K46 variants than with the K37 and K45 variants. In the crystal structures of the phospho-SIMs of PML and Daxx in complex with K46Ac, there are dramatic disruptions of interactions at the binding interfaces, but the changes that occur at the interface appear to be distinct for the SIM involved. The other acetylated variants in complex with the phospho-SIM of PML displayed a more global effect of charge re-organization at the binding interface. Together, our results provide an atomic level description of how SUMO1 acetylation can modulate its interaction with different phospho-SIMs, indicating that there is considerable plasticity in SUMO/SIM interactions and this plasticity could be altered by different types of PTMs in order to regulate distinct cellular functions.