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Les troubles neurodéveloppementaux (TND) résultent de diverses étiologies avec des déterminants environnementaux ou génétiques qui entraînent le développement atypique du système nerveux1. Les tests génétiques de séquençage de nouvelle génération ont permis d’établir un lien entre un nombre croissant de variantes des gènes liés au système ubiquitine et les NDD génétiques2. Le système ubiquitine catalyse la ligature de l’ubiquitine, un petit modificateur protéique, principalement aux résidus de lysine dans les substrats protéiques pour entraîner des changements dans le comportement cellulaire, y compris la localisation, la stabilité, les interactions protéine-protéine ou l’activité3. L’ubiquitylation est médiée par les enzymes E1 activatrices, E2 conjuguées et E3 ligases4 et est réversible par l’activité des enzymes désubiquitylantes (DUBs) qui catalysent le clivage et l’élimination de l’ubiquitine des substrats protéiques5. L’ubiquitine peut être ligaturée au substrat sous forme de monomère (monoubiquitylation) ou de chaînes polymères (polyubiquitylation) qui se forment sur l’un des sept résidus de lysine (K6, K11, K27, K29, K33, K48, K63) ou le résidu M1 de l’ubiquitine. Ces différentes topologies de chaîne d’ubiquitine et leurs combinaisons créent un code cellulaire clé pour la transductiondu signal 6.
Les DUB tels que USP27X, USP7, USP9X, USP48, STAMBP, OTUD4, OTUD6B et OTUD5 ont été associés aux NDD2, 7, 8, 9, 10, 11. Pour la plupart des NDD, les mécanismes moléculaires à l’origine de la pathogenèse restent expérimentalement indéfinis. Certains des DUB à l’origine de troubles récemment décrits sont mal compris et ne disposent pas de données cellulaires connues pouvant être utilisées pour évaluer l’impact de la variation génétique sur la fonction des protéines. In vitro, les tests de clivage de la chaîne d’ubiquitine surmontent cette limitation en tant que lectures de l’activité DUB indépendantes du substrat qui peuvent mesurer l’impact des variantes génétiques sur l’activité enzymatique12.
Les tests de clivage in vitro de l’ubiquitine sont utilisés depuis les années 1980. Ces analyses utilisant des substrats radiomarqués ont permis de découvrir les premiers DUBs, y compris l’isopeptidase, identifiée pour sa capacité à désubiquityler l’histone H2A13, et l’ubiquitine carboxyl-terminale hydrolase (UCH), identifiée par sa capacité à hydrolyser l’ubiquitine à partir d’une variété de conjugués chimiques 14,15,16. De plus, des protéines ou des peptides polyubiquitylés radiomarqués ont été utilisés pour identifier l’isopeptidase T et plusieurs UCH et protéases spécifiques à l’ubiquitine (UBP) des érythrocytes et des muscles squelettiques, respectivement 17,18,19,20. Des chaînes d’ubiquitine d’une longueur définie et d’un type de liaison (tétra-ubiquitine liée à K48) ont d’abord été utilisées pour mesurer l’activité DUB de l’isopeptidase T21. Depuis lors, ce test est devenu l’étalon-or pour mesurer l’activité de DUB dans les analyses mutationnelles22,23. Le raffinement de ce test permet actuellement de visualiser le clivage de l’ubiquitine par électrophorèse et des colorants sur gel conventionnels tels que le bleu de Coomassie, l’orange SYPRO, le rubis et la coloration argentée ou la détection fluorescente ou basée sur l’immunobuvardage12,24. Les aspects moléculaires de l’activité de la DUB, tels que la longueur minimale de la chaîne et la spécificité de liaison 25,26,27,28, peuvent être clarifiés en utilisant des chaînes d’ubiquitine de différentes longueurs (par exemple, di-, tri-, tétra-ubiquitine) et de liaisons (K6, K11, K27, K29, K33, K48, K63, linéaire) dans les essais fonctionnels. Les variantes associées à la NDD peuvent entraîner des défauts d’activité DUB spécifiques au type de liaison de la chaîne d’ubiquitine11.
Un test de clivage de la di-ubiquitine utilisant des protéines DUB recombinantes purifiées peut mesurer directement l’impact des variants de la NDD sur l’activité de la DUB. USP27X, qui est muté dans le trouble de déficience intellectuelle lié à l’X NDD 105 (XLID105)7,28, modélise le processus présenté ici. Cette approche permet de déterminer comment l’activité des DUB est perturbée par des variantes génétiques dans les NDD associés aux DUB existants et inconnus.