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I disturbi del neurosviluppo (NDD) derivano da diverse eziologie con determinanti ambientali o genetici che guidano lo sviluppo atipicodel sistema nervoso 1. I test genetici di sequenziamento di nuova generazione hanno collegato un numero crescente di varianti nei geni correlati al sistema dell'ubiquitina con le NDD genetiche2. Il sistema dell'ubiquitina catalizza la legatura del piccolo modificatore proteico ubiquitina principalmente ai residui di lisina nei substrati proteici per guidare i cambiamenti nel comportamento cellulare, tra cui la localizzazione, la stabilità, le interazioni proteina-proteina o l'attività3. L'ubiquitinazione è mediata dagli enzimi E1 attivante, E2 coniugato e E3 ligasi4 ed è reversibile dall'attività degli enzimi deubiquitilanti (DUB) che catalizzano la scissione e la rimozione dell'ubiquitina dai substrati proteici5. L'ubiquitina può essere legata al substrato come monomero (monoubiquitinazione) o catene polimeriche (poliubiquitinazione) che si formano su uno qualsiasi dei sette residui di lisina (K6, K11, K27, K29, K33, K48, K63) o il residuo M1 dell'ubiquitina. Queste diverse topologie di catena dell'ubiquitina e le loro combinazioni creano un codice cellulare che è la chiave per la trasduzione del segnale6.
DUB come USP27X, USP7, USP9X, USP48, STAMBP, OTUD4, OTUD6B e OTUD5 sono stati associati a NDD 2,7,8,9,10,11. Per la maggior parte delle NDD, i meccanismi molecolari che guidano la patogenesi rimangono sperimentalmente indefiniti. Alcuni dei DUB che guidano i disturbi descritti di recente sono scarsamente conosciuti e mancano di letture cellulari note che possono essere utilizzate per valutare l'impatto della variazione genetica sulla funzione delle proteine. In vitro, i saggi di scissione della catena dell'ubiquitina superano questa limitazione in quanto l'attività DUB indipendente dal substrato può misurare l'impatto delle varianti geniche sull'attività enzimatica12.
I saggi in vitro per la scissione dell'ubiquitina sono stati utilizzati dagli anni '80. Questi saggi con substrati radiomarcati hanno permesso la scoperta dei primi DUB, tra cui l'isopeptidasi, identificata per la sua capacità di deubiquitilare l'istone H2A13, e l'ubiquitina carbossil-terminale idrolasi (UCH), identificata per la sua capacità di idrolizzare l'ubiquitina da una varietà di coniugati chimici 14,15,16. Inoltre, sono state utilizzate proteine o peptidi poliubiquitilati radiomarcati a lunghezza intera per identificare l'isopeptidasi T e diverse UCH e proteasi specifiche per l'ubiquitina (UBP) da eritrociti e muscolo scheletrico, rispettivamente 17,18,19,20. Le catene di ubiquitina di lunghezza e tipo di legame definite (tetra-ubiquitina legata a K48) sono state utilizzate per la prima volta per misurare l'attività DUB dell'isopeptidasi T21. Da allora, questo test è diventato il gold standard per misurare l'attività del DUB nelle analisi mutazionali22,23. Il perfezionamento di questo test consente attualmente la visualizzazione della scissione dell'ubiquitina tramite elettroforesi e colorazioni di gel convenzionali come il blu Coomassie, l'arancione SYPRO, la colorazione di rubino e argento o la rilevazione fluorescente o basata sull'immunoblotting12,24. Gli aspetti molecolari dell'attività del DUB, come la lunghezza minima della catena e la specificità del linkage 25,26,27,28, possono essere chiariti utilizzando catene di ubiquitina di diverse lunghezze (ad esempio, di-, tri-, tetra-ubiquitina) e linkage (K6, K11, K27, K29, K33, K48, K63, lineare) in saggi funzionali. Le varianti associate a NDD possono determinare difetti di attività DUB specifici del tipo di collegamento della catena dell'ubiquitina11.
Un saggio di scissione della di-ubiquitina che utilizza proteine DUB ricombinanti purificate può misurare direttamente l'impatto delle varianti NDD sull'attività DUB. USP27X, che è mutato nel disturbo da disabilità intellettiva legato all'X NDD 105 (XLID105)7,28, modella il processo qui presentato. Questo approccio consente di determinare come l'attività del DUB sia interrotta da varianti geniche in NDD associati a DUB esistenti e sconosciuti.