TY - THES A1 - Orth, Barbara T1 - Identification of an atypical peptide binding mode of the BTB domain of the transcription factor MIZ1 with a HUWE1-derived peptide T1 - Identifikation eines neuen Bindungsmodus zwischen der BTB-Domäne des Transkriptionsfaktors MIZ1 und eines Peptids aus der HECT-E3-Ligase HUWE1 N2 - Ubiquitination is a posttranslational modification with immense impact on a wide range of cellular processes, including proteasomal degradation, membrane dynamics, transcription, translation, cell cycle, apoptosis, DNA repair and immunity. These diverse functions stem from the various ubiquitin chain types, topologies, and attachment sites on substrate proteins. Substrate recruitment and modification on lysine, serine or threonine residues is catalyzed by ubiquitin ligases (E3s). An important E3 that decides about the fate of numerous substrates is the HECT-type ubiquitin ligase HUWE1. Depending on the substrate, HUWE1 is involved in different processes, such as cell proliferation and differentiation, DNA repair, and transcription. One of the transcription factors that is ubiquitinated by HUWE1 is the MYC interacting zinc finger protein 1 (MIZ1). MIZ1 is a BTB/POZ (Bric-à-brac, Tramtrack and Broad-Complex/Pox virus and zinc finger) zinc finger (ZF) protein that binds to DNA through its 13 C2H2-type zinc fingers and either activates or represses the transcription of target genes, including genes involved in cell cycle arrest, such as P21CIP1 (CDKN1A). The precise functions of MIZ1 depend on its interactions with the MYC-MAX heterodimer, but also its heterodimerization with other BTB-ZF proteins, such as BCL6 or NAC1. How MIZ1 interacts with HUWE1 has not been studied and, as a consequence, it has not been possible to rationally develop tools to manipulate this interaction with specificity in order to better understand the effects of the interaction on the transcriptional function of MIZ1 on target genes or processes downstream. One aspect of my research, therefore, aimed at characterizing the MIZ1-HUWE1 interaction at a structural level. I determined a crystal structure of the MIZ1-BTB-domain in complex with a peptide, referred to as ASC, derived from a C terminal region of HUWE1, previously named ‘activation segment’. The binding mode observed in this crystal structure could be validated by binding and activity assays in vitro and by cell-based co-IP experiments in the context of N-terminally truncated HUWE1 constructs. I was not able to provide unambiguous evidence for the identified binding mode in the context of full-length HUWE1, indicating that MIZ1 recognition by HUWE1 requires yet unknown regions in the cell. While the structural details of the MIZ1-HUWE1 interaction remains to be elucidated in the context of the full-length proteins, the binding mode between MIZ1BTB and ASC revealed an interesting, atypical structural feature of the BTB domain of MIZ1 that, to my knowledge, has not been described for other BTB-ZF proteins: The B3 region in MIZ1BTB is conformationally malleable, which allows for a HUWE1-ASC-peptide-mediated β-sheet extension of the upper B1/B2-strands, resulting in a mixed, 3 stranded β-sheet. Such β-sheet extension does not appear to occur in other homo- or heterodimeric BTB-ZF proteins, including MIZ1-heterodimers, since these proteins typically possess a pre-formed B3-strand in at least one subunit. Instead, BCL6 co repressor-derived peptides (SMRT and BCOR) were found to extend the lower β-sheet in BCL6BTB by binding to an adjacent ‘lateral groove’. This interaction follows a 1:1 stoichiometry, whereas the MIZ1BTB-ASC-complex shows a 2:1 stoichiometry. The crystal structure of the MIZ1BTB-ASC-complex I determined, along with comparative binding studies of ASC with monomeric, homodimeric, and heterodimeric MIZ1BTB variants, respectively, suggests that ASC selects for MIZ1BTB homodimers. The structural data I generated may serve as an entry point for the prediction of additional interaction partners of MIZ1 that also have the ability to extend the upper β-sheet of MIZ1BTB. If successful, such interaction partners and structures thereof might aid the design of peptidomimetics or small-molecule inhibitors of MIZ1 signaling. Proof-of-principle for such a structure-guided approach targeting BTB domains has been provided by small-molecule inhibitors of BCL6BTB co-repressors interactions. If a similar approach led to molecules that interfere with specific interactions of MIZ1, they would provide intriguing probes to study MIZ1 biology and may eventually allow for the development of MIZ1-directed cancer therapeutics. N2 - Ubiquitinierung ist eine posttranslationale Modifikation mit weitreichendem Einfluss auf eine Vielzahl von zellulären Prozessen, wie proteasomale Degradation, Membrandynamik, Transkription, Translation, Zellzyklus, Apoptose, DNA-Reparatur und Immunität. Grundlage für diese Diversität ist die Möglichkeit, dass Substrate an unterschiedlichen Stellen mit verschiedenen Ubiquitin-Kettentypen modifiziert werden können. Die Substratrekrutierung und -modifikation an Lysin-, Serin oder Threonin Resten wird durch Ubiquitin-Ligasen (E3s) katalysiert. Eine wichtige Ubiquitin-Ligase, die zahlreiche Substrate reguliert, ist die HECT-Ligase HUWE1. Abhängig vom Substrat ist HUWE1 an verschiedenen Prozessen, wie der Zellproliferation und -differenzierung, DNA-Reparatur, aber auch Transkription beteiligt. Ein Transkriptionsfaktor, der von HUWE1 ubiquitiniert wird, ist MIZ1 (MYC interacting zinc finger protein 1). MIZ1 ist ein BTB/POZ (Bric-à-brac, Tramtrack and Broad-Complex/Pox Virus and Zinc finger) Zinkfinger(ZF)-Protein, das über seine 13 C2H2 Zinkfinger an DNA bindet und so die Transkription von verschiedenen Zielgenen aktivieren oder reprimieren kann. MIZ1-Zielgene sind unter anderem am Zellzyklusarrest beteiligt, wie z.B. das Gen P21CIP1 (CDKN1A). Die biologischen Funktionen von MIZ1 werden unter anderem durch seine Interaktion mit dem MYC MAX-Heterodimer, aber auch durch Heterodimerisierung mit anderen BTB ZF Proteinen, wie BCL6 oder NAC1, reguliert. Wie MIZ1 mit der HUWE1-Ligase interagiert, wurde bislang strukturell noch nicht untersucht, weshalb noch nicht gezielt kleine Moleküle zur Manipulation der Interaktion entwickelt werden konnten, um Einfluss auf die transkriptionellen Funktionen von MIZ1 oder seiner Zielgene zu nehmen. Meine Untersuchungen zielten daher unter anderem darauf ab, die MIZ1-HUWE1-Interaktion auf struktureller Ebene zu charakterisieren. Ich konnte eine Kristallstruktur der MIZ1-BTB-Domäne in Komplex mit dem HUWE1-Peptid ASC lösen, dessen Sequenz in der C-terminalen Region von HUWE1 zu finden ist und zuvor als „activation segment“ definiert wurde. Der in dieser Kristallstruktur beobachtete Bindungsmodus konnte durch Bindungs- und Aktivitätsassays in vitro und durch co-IP-Experimente in zellbasierten Assays validiert werden, jedoch nur im Zusammenhang mit N-terminal verkürzten HUWE1 Konstrukten. Es war mir nicht möglich, diesen Bindungsmodus im Kontext des HUWE1-Proteins voller Länge nachzuweisen, was darauf hindeutet, dass bei der MIZ1-Erkennung durch HUWE1 in der Zelle andere Regionen beteiligt sein könnten. Während die strukturellen Details der MIZ1-HUWE1-Interaktion im Kontext der Proteine voller Länge noch aufgeklärt werden müssen, zeigte der Bindungsmodus zwischen MIZ1BTB und ASC ein atpyisches Strukturmerkmal der BTB-Domäne von MIZ1, das meines Wissens bislang in keinem anderen BTB-ZF-Protein beschrieben wurde: Die B3-Region in MIZ1BTB zeigt eine untypische konformationelle Flexibilität, die es erlaubt, dass das HUWE1-ASC-Peptid die B1/B2-Stränge im oberen Segment von MIZ1BTB zu einem 3-strängigen β-Faltblatt erweitert. Eine solche β-Faltblatt-Erweiterung scheint in anderen homo- oder heterodimeren BTB-ZF-Proteinen, einschließlich MIZ1-Heterodimeren, nicht aufzutreten, da diese Proteine typischerweise bereits einen B3-Strang in mindestens einer Untereinheit aufweisen. Stattdessen konnte beobachtet werden, dass Peptidliganden, wie sie von den BCL6 Co-Repressoren SMRT und BCOR abgeleitet wurden, ein β-Faltblatt im unteren Segment von BCL6BTB erweitern, indem sie in der sogenannten „lateral groove“ binden, die in unmittelbarer Nähe des betreffenden β-Faltblattes lokalisiert ist. Während die Interaktion von BCL6BTB mit Co-Repressor-Peptiden eine 1:1 Stöchiometrie zeigt, beobachtete ich für den MIZ1BTB-ASC-Komplex eine 2:1 Stöchiometrie. Die Kristallstruktur des MIZ1BTB-ASC-Komplexes, zusammen mit Bindungsassays, die die Interaktion zwischen ASC und monomerem, homodimerem bzw. heterodimerem MIZ1BTB untersuchten, deuten darauf hin, dass ASC spezifisch mit MIZ1BTB-Homodimeren interagiert. Daher könnten die von mir gewonnenen Strukturinformationen dazu dienen, weitere MIZ1-Bindungspartner vorherzusagen. Falls erfolgreich, könnten die neu identifizierten Interaktionspartner und zugehörige Strukturen dazu genutzt werden, Peptidomimetika und niedermolekulare Inhibitoren zu entwickeln, die spezifische Interaktionen von MIZ1 und die zugehörigen zellulären Prozesse stören und somit als Werkzeuge zum besseren Verständnis der MIZ1 Biologie dienen könnten. Vorbild dabei können zahlreiche niedermolekulare Verbindungen sein, die zur Störung der Co-Repressor-Peptid-Bindung an BCL6BTB entwickelt wurden. Wenn es auf ähnliche Weise gelänge, spezifischen Einfluss auf die transkriptionelle Funktion von MIZ1 zu nehmen, so könnte dies von hohem therapeutischen Nutzen in der Bekämpfung verschiedener Krebsarten sein. KW - Ubiquitin KW - Ubiquitin-Protein-Ligase KW - Ubiquitinierung KW - Transkriptionsfaktor KW - Zink-Finger-Proteine KW - HUWE1 KW - MIZ1 KW - BTB domain KW - binding mode KW - peptide Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-250447 ER - TY - JOUR A1 - Peter, Stefanie A1 - Bultinck, Jennyfer A1 - Myant, Kevin A1 - Jaenicke, Laura A. A1 - Walz, Susanne A1 - Müller, Judith A1 - Gmachl, Michael A1 - Treu, Matthias A1 - Boehmelt, Guido A1 - Ade, Casten P. A1 - Schmitz, Werner A1 - Wiegering, Armin A1 - Otto, Christoph A1 - Popov, Nikita A1 - Sansom, Owen A1 - Kraut, Norbert A1 - Eilers, Martin T1 - H Tumor cell-specific inhibition of MYC function using small molecule inhibitors of the HUWE1 ubiquitin ligase JF - EMBO Molecular Medicine N2 - Deregulated expression of MYC is a driver of colorectal carcinogenesis, necessitating novel strategies to inhibit MYC function. The ubiquitin ligase HUWE1 (HECTH9, ARF-BP1, MULE) associates with both MYC and the MYC-associated protein MIZ1. We show here that HUWE1 is required for growth of colorectal cancer cells in culture and in orthotopic xenograft models. Using high-throughput screening, we identify small molecule inhibitors of HUWE1, which inhibit MYC-dependent transactivation in colorectal cancer cells, but not in stem and normal colon epithelial cells. Inhibition of HUWE1 stabilizes MIZ1. MIZ1 globally accumulates on MYC target genes and contributes to repression of MYC-activated target genes upon HUWE1 inhibition. Our data show that transcriptional activation by MYC in colon cancer cells requires the continuous degradation of MIZ1 and identify a novel principle that allows for inhibition of MYC function in tumor cells. KW - colorectal cancer KW - HUWE1 KW - MIZ1 KW - MYC KW - ubiquitination KW - cancer KW - digestive system KW - pharmacology KW - drug discovery Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-118132 SN - 1757-4684 VL - 6 IS - 12 ER - TY - THES A1 - Mony Nair, Rahul T1 - Elucidating ubiquitin recognition by the HECT-type ubiquitin ligase HUWE1 T1 - Studien zur Ubiquitinerkennung durch die HECT-Typus Ubiquitinligase HUWE1 N2 - The small protein modifier ubiquitin is at the heart of an immensely versatile posttranslational modification system that orchestrates countless physiological and disease-associated cellular processes. Key to this versatility are the manifold modifications that can be assembled from ubiquitin “building blocks” and are associated with specific functional outcomes for the modified substrates. In particular, ubiquitin molecules can form polymeric chains of distinct lengths and linkage types that give rise to distinct chain conformations, thereby providing recognition sites for specific signaling receptors/effectors. The class of E3 enzymes (ubiquitin ligases) provides critical specificity determinants in ubiquitin linkage formation; it is therefore crucial to unravel precisely how E3 enzymes operate in order to understand the structural basis of ubiquitin signaling and exploit these insights for therapeutic benefit. Overexpression and deregulation of the HECT-type ubiquitin ligase HUWE1 is implicated in several different cancer types and neurodegenerative disorders. It is largely unknown which factors control the ubiquitin modifications formed by HUWE1, how the catalytic HECT domain interacts with functionally distinct ubiquitin molecules (donor, acceptor and regulatory ubiquitin molecules) and which conformational transitions enable these interactions during ubiquitin chain formation. One aim of this study was to structurally elucidate the recognition of donor ubiquitin by the HECT domain of HUWE1. To this end I utilized a ubiquitin activity-based probe to reconstitute a proxy for a donor ubiquitin-linked conjugate of the HECT domain of HUWE1 and determined its structure by X-ray crystallography. This structure reveals that the donor ubiquitin binds to the C-lobe of HUWE1 in the same way as NEDD4-type ligases, corroborating the idea that HECT ligases utilize a conserved mode of donor ubiquitin recognition. independent of their linkage and substrate specificities. With the help of biochemical analyses, I also validated specific features of the structure, in particular the positioning of the C-terminal tail of the ligase, which was known to be critical for activity. In the newly determined structure, which reflects an “L-shaped”, active state of the HECT domain, this tail is fully resolved and coordinated at the N-lobe-C-lobe interface. I defined residues that are critical for this coordination and showed that they are also essential for the activity of HUWE1, including auto-ubiquitination, free ubiquitin chain formation, and substrate ubiquitination. Furthermore, I discovered that the N-lobe of HUWE1 harbors a ubiquitin-binding exosite similar to NEDD4-type ligases and E6AP. My in-vitro activity and binding assays show that HUWE1 uses the exosite for isopeptide bond formation, but that it is dispensable for thioester bond formation. The binding assays further show that the donor ubiquitin loaded HECT domain binds an additional ubiquitin molecule at the exosite more tightly than the apo HECT domain, which possibly suggests allosteric communication between the two sites. Finally, I showed that the ubiquitin activity-based probe (ubiquitin-propargylamine) can label the catalytic cysteine of HUWE1 and NEDD4-type with close to quantitative turn- over, while it does not react with the HECT domain of the evolutionarily more divergent E6AP. The determinants underlying these differential reactivities remain to be explored. Taken, together my results significantly enhance our mechanistic understanding of the catalytic domain of HUWE1 and pinpoint linchpins for therapeutic interventions with the activity of this disease-relevant enzyme. N2 - Der kleine Proteinmodifikator Ubiquitin ist das Herzstück eines immens vielseitigen posttranslationalen Modifikationssystems, das unzählige physiologische und krankheitsassoziierte zelluläre Prozesse orchestriert. Der Schlüssel zu dieser Vielseitigkeit sind die vielfältigen Modifikationen, die sich aus Ubiquitin-"Bausteinen" zusammensetzen lassen und mit spezifischen funktionellen Ergebnissen für die modifizierten Substrate verbunden sind. Insbesondere können Ubiquitin-Moleküle Ketten unterschiedlicher Länge und Verknüpfungstypen bilden, die zu unterschiedlichen Kettenkonformationen führen und dadurch Erkennungsstellen für spezifische Signalrezeptoren/-effektoren bieten. Die Klasse der E3-Enzyme (Ubiquitin-Ligasen) liefert kritische Spezifitätsdeterminanten für die Bildung von Ubiquitin-Bindungen; daher ist es entscheidend, die genaue Funktionsweise der E3-Enzyme zu entschlüsseln, um die strukturelle Grundlage der Ubiquitin-Signalisierung zu verstehen und diese Erkenntnisse für therapeutische Anwendungen zu nutzen. Die Überexpression und Deregulierung der Ubiquitin-Ligase HUWE1 aus der Klasse der HECT-E3-Ligasen ist an mehreren verschiedenen Krebsarten und neurodegenerativen Erkrankungen beteiligt. Es ist weitgehend unbekannt, welche Faktoren durch die von HUWE1 gebildeten Ubiquitin-Modifikationen kontrolliert werden, wie die katalytische HECT-Domäne mit funktionell unterschiedlichen Ubiquitin-Molekülen (Donor-, Akzeptor- und regulatorische Ubiquitin-Moleküle) interagiert und welche Konformationsübergänge diese Interaktionen während der Ubiquitin-Kettenbildung ermöglichen. Ein Ziel dieser Studie war es, die Erkennung des Donor-Ubiquitin-Moleküls durch die HECT-Domäne von HUWE1 strukturell aufzuklären. Zu diesem Zweck verwendete ich eine ´ubiquitin activity-based probe´, um ein Konjugat der HUWE1-HECT-Domäne mit einem Donor-Ubiquitin-Molekül zu rekonstitutieren und die Struktur mittels Röntgenkristallographie zu bestimmen. Diese Struktur zeigte, dass das Donor-Ubiquitin-Molekül auf die gleiche Weise an den C-lobe von HUWE1 bindet wie die Klasse der NEDD4-Ligasen, was die Idee bestätigt, dass HECT-Ligasen einen vergleichbaren Mechanismus bei der Donor-Ubiquitin-Erkennung verwenden, unabhängig von ihrer Bindung und Substratspezifität. Mit Hilfe biochemischer Analysen validierte ich auch spezifische Merkmale der Struktur, insbesondere die Positionierung des C-terminal tail der Ligase, der entscheidend für die Aktivität ist. In der neu bestimmten Struktur, die einen "L-förmigen", aktiven Zustand der HECT-Domäne widerspiegelt, ist der C-terminal tail an der Grenzfläche von N-lobe und C-lobe vollständig aufgelöst und koordiniert. Ich konnte Seitenketten festmachen, die für diese Koordination kritisch sind, und habe gezeigt, dass sie auch für die Aktivität von HUWE1 wesentlich sind, einschließlich der Auto-Ubiquitinierung, der freien Ubiquitin-Kettenbildung und der Substrat-Ubiquitinierung. Darüber hinaus entdeckte ich, dass der N-lobe von HUWE1 eine Ubiquitin-bindende exosite aufweist, ähnlich wie für die Klasse der NEDD4-Ligasen und E6AP. Meine in vitro Aktivitäts- und Bindungstests ergaben, dass HUWE1 die exosite für die Bildung von Isopeptidbindungen verwendet, diese aber für die Bildung von Thioesterbindungen entbehrlich ist. Die Bindungstests zeigten ferner, dass die Donor-Ubiquitin-beladene HECT-Domäne ein zusätzliches Ubiquitin-Molekül an der exosite stärker bindet als die Apo-HECT-Domäne, was möglicherweise auf eine allosterische Kommunikation zwischen den beiden Ubiquitin-Bindestellen hindeutet. Schließlich zeigte ich, dass die ´ubiquitin activity-based probe´ (Ubiquitin-Propargylamin) das katalytische Cystein von HUWE1 und NEDD4 mit nahezu quantitativem Umsatz markieren kann, während es nicht mit der HECT-Domäne des evolutionär stärker divergierenden E6AP reagiert. Die Faktoren, die diesen unterschiedlichen Reaktivitäten zugrunde liegen, müssen noch erforscht werden. Zusammengenommen verbessern meine Ergebnisse unser mechanistisches Verständnis der katalytischen Domäne von HUWE1 und geben uns die Dreh- und Angelpunkte für therapeutische Interventionen mit der Aktivität dieses krankheitsrelevanten Enzyms an die Hand. KW - HUWE1 KW - Ubiquitin-PA Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-221030 ER - TY - JOUR A1 - Yanku, Yifat A1 - Bitman-Lotan, Eliya A1 - Zohar, Yaniv A1 - Kurant, Estee A1 - Zilke, Norman A1 - Eilers, Martin A1 - Orian, Amir T1 - Drosophila HUWE1 ubiquitin ligase regulates endoreplication and antagonizes JNK signaling during salivary gland development JF - Cells N2 - The HECT-type ubiquitin ligase HECT, UBA and WWE Domain Containing 1, (HUWE1) regulates key cancer-related pathways, including the Myc oncogene. It affects cell proliferation, stress and immune signaling, mitochondria homeostasis, and cell death. HUWE1 is evolutionarily conserved from Caenorhabditis elegance to Drosophila melanogaster and Humans. Here, we report that the Drosophila ortholog, dHUWE1 (CG8184), is an essential gene whose loss results in embryonic lethality and whose tissue-specific disruption establishes its regulatory role in larval salivary gland development. dHUWE1 is essential for endoreplication of salivary gland cells and its knockdown results in the inability of these cells to replicate DNA. Remarkably, dHUWE1 is a survival factor that prevents premature activation of JNK signaling, thus preventing the disintegration of the salivary gland, which occurs physiologically during pupal stages. This function of dHUWE1 is general, as its inhibitory effect is observed also during eye development and at the organismal level. Epistatic studies revealed that the loss of dHUWE1 is compensated by dMyc proeitn expression or the loss of dmP53. dHUWE1 is therefore a conserved survival factor that regulates organ formation during Drosophila development. KW - HECT KW - HUWE1 KW - ubiquitin KW - salivary gland KW - endoreplication KW - JNK KW - dMyc KW - dmP53 Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-197630 SN - 2073-4409 VL - 7 IS - 10 ER - TY - JOUR A1 - Sander, Bodo A1 - Xu, Wenshan A1 - Eilers, Martin A1 - Popov, Nikita A1 - Lorenz, Sonja T1 - A conformational switch regulates the ubiquitin ligase HUWE1 JF - eLife N2 - The human ubiquitin ligase HUWE1 has key roles in tumorigenesis, yet it is unkown how its activity is regulated. We present the crystal structure of a C-terminal part of HUWE1, including the catalytic domain, and reveal an asymmetric auto-inhibited dimer. We show that HUWE1 dimerizes in solution and self-associates in cells, and that both occurs through the crystallographic dimer interface. We demonstrate that HUWE1 is inhibited in cells and that it can be activated by disruption of the dimer interface. We identify a conserved segment in HUWE1 that counteracts dimer formation by associating with the dimerization region intramolecularly. Our studies reveal, intriguingly, that the tumor suppressor p14ARF binds to this segment and may thus shift the conformational equilibrium of HUWE1 toward the inactive state. We propose a model, in which the activity of HUWE1 underlies conformational control in response to physiological cues—a mechanism that may be exploited for cancer therapy. KW - Medicine KW - Structural Biology KW - Molecular Biophysics KW - HUWE1 KW - HECT Ligase KW - Ubiquitin KW - P14ARF KW - X-Ray Chrystallography KW - Enzyme Regulation Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-171862 VL - 6 ER -