L'ubiquitination et le trafic endocytaire régulent la réponse immunitaire de la drosophile

The innate immune system relies on the recognition of “non-self” and on the activation of adapted responses, among which NF-κB signaling pathways play a crucial role. These pathways are tightly regulated, in order to prevent an excessive and sustained immune response, responsible for several pathologies, such as autoimmune and pro-inflammatory diseases. During my PhD thesis, I elucidated some Drosophila regulatory mechanisms of NF-κB pathways, Toll and IMD, which rely on protein ubiquitination and their subsequent degradation by the endocytic pathway or proteasome. Reversible ubiquitination of proteins is a post-translational modification, regulating their activity, their stability and the subcellular localization. In particular, ubiquitination of membrane receptors could trigger their internalization and their subsequent lysosomal degradation. In Drosophila, the PGRP-LC receptor specifically recognizes diaminopimelic acid containing peptidoglycan (PGN) and induces the IMD signaling pathway. I proved that PGRP-LC receptor is ubiquitinated, internalized and degraded by the endocytic pathway. In this process, I identified the major role of the USP8 deubiquitinating enzyme, which controls the degradation of ubiquitinated PGRP-LC. Besides, I showed that the IMD stimulation by PGN enhances the PGRP-LC internalization and its degradation, ensuring receptors elimination once the IMD pathway has been activated. Moreover, I took part to studies, aiming to understand the role of USP2, USP34 and USP36, previously selected by the team as negative regulators of the IMD and/or Toll pathways. In particular, my results showed that USP2 principally acts at the Imd level, allowing for the hydrolysis of its K48 poly-ubiquitin chains and its proteasomal degradation. Finally, I observed that USP2 also interacts with PGRP-LC and favors the hydrolysis of PGRP-LC associated K48 chains, whereas the degradation of K48 poly-ubiquitinated PGRP-LC is independent from the proteasome, but rather depends on the Hrs and Rab5 endocytic proteins and on the USP8 deubiquitinating enzyme.Le système immunitaire inné repose sur la détection de motifs microbiens et l'activation de réponses adaptées, parmi lesquelles les voies de signalisation dépendantes des facteurs NF-κB jouent un rôle primordial. Ces voies sont finement régulées afin d'éviter une réponse immunitaire excessive et soutenue dans le temps qui peut causer de nombreuses pathologies, comme les maladies auto-immunes et pro-inflammatoires. Au cours de ma thèse, j'ai élucidé certains mécanismes de régulation des voies de signalisation NF-κB, Toll et IMD, chez la drosophile, qui reposent sur l'ubiquitination de protéines et leur dégradation par la voie endocytaire ou le protéasome. L'ubiquitination réversible des protéines est une modification post-traductionnelle qui permet de réguler leur activité, leur stabilité et leur localisation subcellulaire. En particulier, l'ubiquitination des récepteurs membranaires peut servir de signal d'endocytose et de dégradation lysosomale. Chez la drosophile, le récepteur PGRP-LC reconnaît spécifiquement le peptidoglycane (PGN) bactérien de type acide diaminopimélique et induit la voie de signalisation IMD. J'ai montré que PGRP-LC est ubiquitiné, internalisé et dégradé par la voie endocytaire. Dans ce processus, j'ai identifié le rôle majeur de la déubiquitinase USP8 qui contrôle la dégradation de PGRP-LC ubiquitiné. J'ai aussi mis en évidence que la stimulation de la voie IMD par les PGN augmente l'internalisation et la dégradation de PGRP-LC, assurant l'élimination des récepteurs après que la voie IMD ait été activée. En outre, j'ai participé à des études visant à comprendre le rôle des déubiquitinases USP2, USP34 et USP36, préalablement sélectionnées par l'équipe comme des régulateurs négatifs des voies IMD et/ou Toll. Mes résultats ont notamment contribué à montrer que USP2 agit principalement au niveau de la protéine adaptatrice Imd, en permettant l'hydrolyse de ses chaînes d'ubiquitine K48 et sa dégradation par le protéasome. Finalement, j'ai observé que USP2 interagit également avec PGRP-LC et favorise l'hydrolyse des chaînes K48 associées à ce récepteur, bien que dans ce cas, la dégradation des formes poly-ubiquitinées K48 de PGRP-LC ne dépende pas du protéasome, mais des protéines de la voie endocytaire Hrs, Rab5 et de la déubiquitinase USP8

L'ubiquitination et le trafic endocytaire régulent la réponse immunitaire de la drosophile

The innate immune system relies on the recognition of “non-self” and on the activation of adapted responses, among which NF-κB signaling pathways play a crucial role. These pathways are tightly regulated, in order to prevent an excessive and sustained immune response, responsible for several pathologies, such as autoimmune and pro-inflammatory diseases. During my PhD thesis, I elucidated some Drosophila regulatory mechanisms of NF-κB pathways, Toll and IMD, which rely on protein ubiquitination and their subsequent degradation by the endocytic pathway or proteasome. Reversible ubiquitination of proteins is a post-translational modification, regulating their activity, their stability and the subcellular localization. In particular, ubiquitination of membrane receptors could trigger their internalization and their subsequent lysosomal degradation. In Drosophila, the PGRP-LC receptor specifically recognizes diaminopimelic acid containing peptidoglycan (PGN) and induces the IMD signaling pathway. I proved that PGRP-LC receptor is ubiquitinated, internalized and degraded by the endocytic pathway. In this process, I identified the major role of the USP8 deubiquitinating enzyme, which controls the degradation of ubiquitinated PGRP-LC. Besides, I showed that the IMD stimulation by PGN enhances the PGRP-LC internalization and its degradation, ensuring receptors elimination once the IMD pathway has been activated. Moreover, I took part to studies, aiming to understand the role of USP2, USP34 and USP36, previously selected by the team as negative regulators of the IMD and/or Toll pathways. In particular, my results showed that USP2 principally acts at the Imd level, allowing for the hydrolysis of its K48 poly-ubiquitin chains and its proteasomal degradation. Finally, I observed that USP2 also interacts with PGRP-LC and favors the hydrolysis of PGRP-LC associated K48 chains, whereas the degradation of K48 poly-ubiquitinated PGRP-LC is independent from the proteasome, but rather depends on the Hrs and Rab5 endocytic proteins and on the USP8 deubiquitinating enzyme.Le système immunitaire inné repose sur la détection de motifs microbiens et l'activation de réponses adaptées, parmi lesquelles les voies de signalisation dépendantes des facteurs NF-κB jouent un rôle primordial. Ces voies sont finement régulées afin d'éviter une réponse immunitaire excessive et soutenue dans le temps qui peut causer de nombreuses pathologies, comme les maladies auto-immunes et pro-inflammatoires. Au cours de ma thèse, j'ai élucidé certains mécanismes de régulation des voies de signalisation NF-κB, Toll et IMD, chez la drosophile, qui reposent sur l'ubiquitination de protéines et leur dégradation par la voie endocytaire ou le protéasome. L'ubiquitination réversible des protéines est une modification post-traductionnelle qui permet de réguler leur activité, leur stabilité et leur localisation subcellulaire. En particulier, l'ubiquitination des récepteurs membranaires peut servir de signal d'endocytose et de dégradation lysosomale. Chez la drosophile, le récepteur PGRP-LC reconnaît spécifiquement le peptidoglycane (PGN) bactérien de type acide diaminopimélique et induit la voie de signalisation IMD. J'ai montré que PGRP-LC est ubiquitiné, internalisé et dégradé par la voie endocytaire. Dans ce processus, j'ai identifié le rôle majeur de la déubiquitinase USP8 qui contrôle la dégradation de PGRP-LC ubiquitiné. J'ai aussi mis en évidence que la stimulation de la voie IMD par les PGN augmente l'internalisation et la dégradation de PGRP-LC, assurant l'élimination des récepteurs après que la voie IMD ait été activée. En outre, j'ai participé à des études visant à comprendre le rôle des déubiquitinases USP2, USP34 et USP36, préalablement sélectionnées par l'équipe comme des régulateurs négatifs des voies IMD et/ou Toll. Mes résultats ont notamment contribué à montrer que USP2 agit principalement au niveau de la protéine adaptatrice Imd, en permettant l'hydrolyse de ses chaînes d'ubiquitine K48 et sa dégradation par le protéasome. Finalement, j'ai observé que USP2 interagit également avec PGRP-LC et favorise l'hydrolyse des chaînes K48 associées à ce récepteur, bien que dans ce cas, la dégradation des formes poly-ubiquitinées K48 de PGRP-LC ne dépende pas du protéasome, mais des protéines de la voie endocytaire Hrs, Rab5 et de la déubiquitinase USP8

Identifying USPs regulating immune signals in Drosophila: USP2 deubiquitinates Imd and promotes its degradation by interacting with the proteasome.

International audienceBACKGROUND: Rapid activation of innate immune defences upon microbial infection depends on the evolutionary conserved NF-κB dependent signals which deregulation is frequently associated with chronic inflammation and oncogenesis. These signals are tightly regulated by the linkage of different kinds of ubiquitin moieties on proteins that modify either their activity or their stability. To investigate how ubiquitin specific proteases (USPs) orchestrate immune signal regulation, we created and screened a focused RNA interference library on Drosophila NF-κB-like pathways Toll and Imd in cultured S2 cells, and further analysed the function of selected genes in vivo. RESULTS: We report here that USP2 and USP34/Puf, in addition to the previously described USP36/Scny, prevent inappropriate activation of Imd-dependent immune signal in unchallenged conditions. Moreover, USP34 is also necessary to prevent constitutive activation of the Toll pathway. However, while USP2 also prevents excessive Imd-dependent signalling in vivo, USP34 shows differential requirement depending on NF-κB target genes, in response to fly infection by either Gram-positive or Gram-negative bacteria. We further show that USP2 prevents the constitutive activation of signalling by promoting Imd proteasomal degradation. Indeed, the homeostasis of the Imd scaffolding molecule is tightly regulated by the linkage of lysine 48-linked ubiquitin chains (K48) acting as a tag for its proteasomal degradation. This process is necessary to prevent constitutive activation of Imd pathway in vivo and is inhibited in response to infection. The control of Imd homeostasis by USP2 is associated with the hydrolysis of Imd linked K48-ubiquitin chains and the synergistic binding of USP2 and Imd to the proteasome, as evidenced by both mass-spectrometry analysis of USP2 partners and by co-immunoprecipitation experiments. CONCLUSION: Our work identified one known (USP36) and two new (USP2, USP34) ubiquitin specific proteases regulating Imd or Toll dependent immune signalling in Drosophila. It further highlights the ubiquitin dependent control of Imd homeostasis and shows a new activity for USP2 at the proteasome allowing for Imd degradation. This study provides original information for the better understanding of the strong implication of USP2 in pathological processes in humans, including cancerogenesis

Ubiquitination and endocytic trafficking regulate the immune response in Drosophila

Le système immunitaire inné repose sur la détection de motifs microbiens et l'activation de réponses adaptées, parmi lesquelles les voies de signalisation dépendantes des facteurs NF-κB jouent un rôle primordial. Ces voies sont finement régulées afin d'éviter une réponse immunitaire excessive et soutenue dans le temps qui peut causer de nombreuses pathologies, comme les maladies auto-immunes et pro-inflammatoires. Au cours de ma thèse, j'ai élucidé certains mécanismes de régulation des voies de signalisation NF-κB, Toll et IMD, chez la drosophile, qui reposent sur l'ubiquitination de protéines et leur dégradation par la voie endocytaire ou le protéasome. L'ubiquitination réversible des protéines est une modification post-traductionnelle qui permet de réguler leur activité, leur stabilité et leur localisation subcellulaire. En particulier, l'ubiquitination des récepteurs membranaires peut servir de signal d'endocytose et de dégradation lysosomale. Chez la drosophile, le récepteur PGRP-LC reconnaît spécifiquement le peptidoglycane (PGN) bactérien de type acide diaminopimélique et induit la voie de signalisation IMD. J'ai montré que PGRP-LC est ubiquitiné, internalisé et dégradé par la voie endocytaire. Dans ce processus, j'ai identifié le rôle majeur de la déubiquitinase USP8 qui contrôle la dégradation de PGRP-LC ubiquitiné. J'ai aussi mis en évidence que la stimulation de la voie IMD par les PGN augmente l'internalisation et la dégradation de PGRP-LC, assurant l'élimination des récepteurs après que la voie IMD ait été activée. En outre, j'ai participé à des études visant à comprendre le rôle des déubiquitinases USP2, USP34 et USP36, préalablement sélectionnées par l'équipe comme des régulateurs négatifs des voies IMD et/ou Toll. Mes résultats ont notamment contribué à montrer que USP2 agit principalement au niveau de la protéine adaptatrice Imd, en permettant l'hydrolyse de ses chaînes d'ubiquitine K48 et sa dégradation par le protéasome. Finalement, j'ai observé que USP2 interagit également avec PGRP-LC et favorise l'hydrolyse des chaînes K48 associées à ce récepteur, bien que dans ce cas, la dégradation des formes poly-ubiquitinées K48 de PGRP-LC ne dépende pas du protéasome, mais des protéines de la voie endocytaire Hrs, Rab5 et de la déubiquitinase USP8.The innate immune system relies on the recognition of “non-self” and on the activation of adapted responses, among which NF-κB signaling pathways play a crucial role. These pathways are tightly regulated, in order to prevent an excessive and sustained immune response, responsible for several pathologies, such as autoimmune and pro-inflammatory diseases. During my PhD thesis, I elucidated some Drosophila regulatory mechanisms of NF-κB pathways, Toll and IMD, which rely on protein ubiquitination and their subsequent degradation by the endocytic pathway or proteasome. Reversible ubiquitination of proteins is a post-translational modification, regulating their activity, their stability and the subcellular localization. In particular, ubiquitination of membrane receptors could trigger their internalization and their subsequent lysosomal degradation. In Drosophila, the PGRP-LC receptor specifically recognizes diaminopimelic acid containing peptidoglycan (PGN) and induces the IMD signaling pathway. I proved that PGRP-LC receptor is ubiquitinated, internalized and degraded by the endocytic pathway. In this process, I identified the major role of the USP8 deubiquitinating enzyme, which controls the degradation of ubiquitinated PGRP-LC. Besides, I showed that the IMD stimulation by PGN enhances the PGRP-LC internalization and its degradation, ensuring receptors elimination once the IMD pathway has been activated. Moreover, I took part to studies, aiming to understand the role of USP2, USP34 and USP36, previously selected by the team as negative regulators of the IMD and/or Toll pathways. In particular, my results showed that USP2 principally acts at the Imd level, allowing for the hydrolysis of its K48 poly-ubiquitin chains and its proteasomal degradation. Finally, I observed that USP2 also interacts with PGRP-LC and favors the hydrolysis of PGRP-LC associated K48 chains, whereas the degradation of K48 poly-ubiquitinated PGRP-LC is independent from the proteasome, but rather depends on the Hrs and Rab5 endocytic proteins and on the USP8 deubiquitinating enzyme

The Nonaspanins TM9SF2 and TM9SF4 regulate the plasma membrane localization and signalling activity of the Peptidoglycan Recognition Protein PGRP-LC in Drosophila

Transmembrane 9 (TM9) proteins, or nonaspanins, are a family of proteins conserved throughout evolution and characterized by 9 transmembrane domains. In Drosophila, TM9 superfamily protein member 4 (TM9SF4) and its closest paralogue, TM9SF2, contribute to phagocytosis of various types of particles, while TM9SF4 displays non-redundant requirement in Gram-negative bacteria engulfment. In addition, the two TM9 proteins control the actin cytoskeleton in larval haemocytes and in Drosophila S2 cells. Here, we show that TM9SF4 and TM9SF2 co-immunoprecipitate with the peptidoglycan recognition protein (PGRP)-LC, which triggers the Drosophila immune response to bacterial infection. Furthermore, both TM9 proteins co-localize with this receptor in intracellular vesicles and at the plasma membrane in Drosophila S2 cells in culture and in the fly fat body. Silencing TM9SF4 prevents plasma membrane localization of PGRP-LC, whereas silencing TM9SF2 does not, which may account for the non-redundant role of TM9SF4 in phagocytosis of Gram-negative bacteria. Finally, we provide a set of data suggesting that TM9 proteins can prevent inappropriate signalling from the unstimulated receptor

The deubiquitinating enzyme USP36 controls selective autophagy activation by ubiquitinated proteins

Initially described as a nonspecific degradation process induced upon starvation, autophagy is now known also to be involved in the degradation of specific ubiquitinated substrates such as mitochondria, bacteria and aggregated proteins, ensuring crucial functions in cell physiology and immunity. We report here that the deubiquitinating enzyme USP36 controls selective autophagy activation in Drosophila and in human cells. We show that dUsp36 loss of function autonomously inhibits cell growth while activating autophagy. Despite the phenotypic similarity, dUSP36 is not part of the TOR signaling pathway. Autophagy induced by dUsp36 loss of function depends on p62/SQSTM1, an adaptor for delivering cargo marked by polyubiquitin to autophagosomes. Consistent with p62 requirement, dUsp36 mutant cells display nuclear aggregates of ubiquitinated proteins, including Histone H2B, and cytoplasmic ubiquitinated proteins; the latter are eliminated by autophagy. Importantly, USP36 function in p62-dependent selective autophagy is conserved in human cells. Our work identifies a novel, crucial role for a deubiquitinating enzyme in selective autophagy