La réaction de sumoylation

de celui de l'ubiquitination, notamment par l’implication d’une cascade similaire d'enzymes.

En revanche, alors que l'ubiquitination est principalement impliquée dans la stabilité des

protéines, en régulant leur dégradation par le protéasome, la sumoylation régule de

nombreuses fonctions (traffic intracellulaire, interactions protéiques, interaction

ADN-protéine, activité transcriptionnelle...). La protéine SUMO a été découverte en 1990, et ce,

20 ans après la découverte de l’ubiquitine. Ce délai est dû à la nature instable du lien entre

les protéines cibles et SUMO. C'est grâce à RanGap, une protéine fortement sumoylée et

dont la sumoylation est particulièrement stable, que la découverte eu lieu (Matunis et al.,

1996).

3.2.1. La famille des protéines SUMO.

Les protéines SUMO sont de petites protéines de l’ordre de 10-12 KDa. Bien qu’elles

présentent une structure tri-dimensionnelle similaire à celle de l’ubiquitine, leurs séquences

peptidiques présentent moins de 20% d’homologie avec celle de l’ubiquitine et la

distribution de leurs charges de surface est différente. Les protéines SUMO ont été très

conservées au cours de l’évolution et sont retrouvées depuis la Levure jusqu’à l’Homme. Les

organismes les moins évolués, tels que la Levure, le Nématode ou la Drosophile, ne

présentent qu’un unique gène SUMO. En revanche, les organismes comme les plantes ou les

vertébrés présentent plusieurs gènes SUMO. Chez l’homme, quatre protéines SUMO

(SUMO1-SUMO4) ont été caractérisées à ce jour.

3.2.2. La réaction de sumoylation.

Les protéines SUMO sont exprimées sous une forme immature. Ainsi, la réaction de

sumoylation commence par une étape de maturation des protéines SUMO, qui correspond

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au clivage de leur extrémité C-terminal. Ce clivage est assuré par des enzymes

carboxy-hydroxylases de la famille SENP (sentrin-specific protéase) et permet de découvrir le

di-peptide de glycine qui va permettre l’interaction de SUMO avec l’enzyme d’activation E1

(Figure 9). La deuxième étape, dite d’activation, consiste en la création d'une liaison

thioester de haute énergie (étape ATP-dépendante) entre SUMO et la cystéine catalytique

de l’enzyme E1 activatrice (hétérodimère SAE1/SAE2). Dans une troisième étape, dite de

conjugaison, SUMO est transférée depuis l’enzyme d’activation E1 sur la cystéine catalytique

de l’enzyme de conjugaison E2 Ubc9. Ici encore, il existe une différence notable avec

l’ubiquitination puisqu’à ce jour, Ubc9 est la seule enzyme de conjugaison E2 caractérisée

pour la sumoylation alors qu’il existe de multiples E2 pour l'ubiquitination. Enfin, dans une

dernière étape dite de ligation, Ubc9 transfère SUMO sur la protéine substrat par la

formation d’une liaison isopeptidique entre la glycine de l’extrémité C-terminale de SUMO et

la lysine de la protéine substrat. Contrairement à l’ubiquitination, l’intervention d’une

enzyme de ligation E3 n’est pas indispensable, tout du moins in vitro. De nombreuses

enzymes de type E3 ligases ont été récemment caractérisées pour SUMO. Ces études

montrent que les E3 sont nécessaires pour une sumoylation efficace des protéines in vivo.

Elles permettraient d’une part de stabiliser l’interaction entre Ubc9 et son substrat, et

d’autre part de conférer la spécificité du substrat. Actuellement, trois familles d’E3 ligase ont

été caractérisées : la famille des protéines PIAS, celle des protéines RanBP2 et celle du

groupe polycomb Pc.

Dans la majorité des cas, la sumoylation aboutit à la liaison d’une seule protéine

SUMO sur le substrat. Cependant, de la même manière que pour l’ubiquitination, il existe

quelques études qui montrent que SUMO de S. cerevisiae (Smt3) ainsi que SUMO2 et

SUMO3 humaines peuvent former des chaînes aussi bien in vitro qu’in vivo (Bylebyl et al.,

2003; Tatham et al., 2001). La formation de ces chaînes résulte de la sumoylation de la lysine

15 de Smt3 ou de la lysine 11 de SUMO2 et SUMO3. SUMO1 ne possède pas cette lysine et

ne semble pas former de chaîne in vivo. Actuellement, les conséquences des chaînes de

SUMO2 ou de SUMO3 sur la modulation des fonctions des protéines substrat sont très peu

documentées. Cependant il semblerait qu’une sumoylation unique ou en chaîne puisse avoir

des conséquences complètement opposées. C’est par exemple le cas de la protéine

précurseur de la β-amyloïde (APP : « Amyloid Precursor Protein »). Dans le cadre de la

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maladie d’Alzheimer, APP est anormalement clivée et génère un peptide dit β-amyloïde (Aβ)

qui s’agrège pour former des plaques de β-amyloïde. De par leur neurotoxicité, ces plaques

sont à l’origine de la dégénérescence neuronale caractéristique de cette maladie. Ainsi, une

étude montre que la formation de chaine de SUMO3 sur APP réduit la production d’Aβ et

qu’à l’inverse, une sumoylation par une unique SUMO3 augmente la production d’Aβ (Li et

al., 2003). Il a également été montré que la formation de chaînes de SUMO3 sur les

protéines PML (« Promyelocytic Leukemia Protein ») est particulièrement importante pour la

structuration et la dynamique des corps nucléaires PML (Fu et al., 2005).

Enfin, comme l'ubiquitination, la sumoylation est un processus réversible et

dynamique puisqu'il existe des protéases qui clivent la liaison entre SUMO et son substrat.

Ces enzymes sont des isopeptidases de la famille SENP. Chez l’homme, il existe six SENP :

SENP1-3 et SENP5-7. Les différentes SENPs diffèrent par leur activité vis-à-vis des différentes

protéines SUMO. Par exemple, SENP3 et SENP5 désumoylent préférentiellement SUMO2 et

SUMO3 (Di Bacco et al., 2006; Gong and Yeh, 2006). Les SENP diffèrent également par leur

localisation subcellulaire. Par exemple, SENP2 et SENP5 sont respectivement enrichies au

niveau des pores nucléaires ou dans les nucléoles (Hang and Dasso, 2002; Nishida et al.,

2000; Nishida and Yamada, 2008; Zhang et al., 2002).

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Figure 9: Schéma général du processus de sumoylation. L’étape de maturation, correspond

au clivage de la partie C-terminale de la protéine SUMO pour donner une protéine SUMO

activée, arborant un dipeptide de glycine (GG). Le clivage est assuré par des enzymes

carboxy-hydrolases de la famille des Protéases Sentrine (SENP). L’étape d'activation, consiste

en la création d’une liaison thioester (étape ATP-dépendante) entre le dipeptide GG de

SUMO et la cystéine catalytique de l’enzyme E1 (hétérodimère SAE1/SAE2). L’étape de

conjugaison de SUMO permet le transfert de SUMO depuis l’enzyme E1, sur la cystéine

catalytique de l’enzyme E2 (Ubc9). Enfin le processus de sumoylation s’achève par l’étape de

ligation de SUMO, par l’enzyme E2, sur la lysine acceptrice d’une protéine cible. Dans la

grande majorité des cas cette dernière étape fait intervenir des enzymes E3 qui permettent

notamment de stabiliser l’interaction de l’enzyme E2 avec le substrat et de conférer la

spécificité vis-à-vis du substrat. Enfin, SUMO peut être clivée du substrat par les SENP.