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Mendoza-Salazar I, Fragozo A, González-Martínez AP, Trejo-Martínez I, Arreola R, Pavón L, Almagro JC, Vallejo-Castillo L, Aguilar-Alonso FA, Pérez-Tapia SM. Almost 50 Years of Monomeric Extracellular Ubiquitin (eUb). Pharmaceuticals (Basel) 2024; 17:185. [PMID: 38399400 PMCID: PMC10892293 DOI: 10.3390/ph17020185] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [Grants] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 12/26/2023] [Revised: 01/17/2024] [Accepted: 01/24/2024] [Indexed: 02/25/2024] Open
Abstract
Monomeric ubiquitin (Ub) is a 76-amino-acid highly conserved protein found in eukaryotes. The biological activity of Ub first described in the 1970s was extracellular, but it quickly gained relevance due to its intracellular role, i.e., post-translational modification of intracellular proteins (ubiquitination) that regulate numerous eukaryotic cellular processes. In the following years, the extracellular role of Ub was relegated to the background, until a correlation between higher survival rate and increased serum Ub concentrations in patients with sepsis and burns was observed. Although the mechanism of action (MoA) of extracellular ubiquitin (eUb) is not yet well understood, further studies have shown that it may ameliorate the inflammatory response in tissue injury and multiple sclerosis diseases. These observations, compounded with the high stability and low immunogenicity of eUb due to its high conservation in eukaryotes, have made this small protein a relevant candidate for biotherapeutic development. Here, we review the in vitro and in vivo effects of eUb on immunologic, cardiovascular, and nervous systems, and discuss the potential MoAs of eUb as an anti-inflammatory, antimicrobial, and cardio- and brain-protective agent.
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Affiliation(s)
- Ivette Mendoza-Salazar
- Unidad de Desarrollo e Investigación en Bioterapéuticos (UDIBI), Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Laboratorio Nacional para Servicios Especializados de Investigación, Desarrollo e Innovación (I + D + i) para Farmoquímicos y Biotecnológicos, LANSEIDI-FarBiotec-CONACyT, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Departamento de Inmunología, Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
| | - Ana Fragozo
- Unidad de Desarrollo e Investigación en Bioterapéuticos (UDIBI), Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Laboratorio Nacional para Servicios Especializados de Investigación, Desarrollo e Innovación (I + D + i) para Farmoquímicos y Biotecnológicos, LANSEIDI-FarBiotec-CONACyT, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Departamento de Inmunología, Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
| | - Aneth P González-Martínez
- Unidad de Desarrollo e Investigación en Bioterapéuticos (UDIBI), Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Laboratorio Nacional para Servicios Especializados de Investigación, Desarrollo e Innovación (I + D + i) para Farmoquímicos y Biotecnológicos, LANSEIDI-FarBiotec-CONACyT, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Departamento de Inmunología, Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
| | - Ismael Trejo-Martínez
- Unidad de Desarrollo e Investigación en Bioterapéuticos (UDIBI), Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Laboratorio Nacional para Servicios Especializados de Investigación, Desarrollo e Innovación (I + D + i) para Farmoquímicos y Biotecnológicos, LANSEIDI-FarBiotec-CONACyT, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Departamento de Inmunología, Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
| | - Rodrigo Arreola
- Subdirección de Investigaciones Clínicas, Instituto Nacional de Psiquiatría Ramón de la Fuente Muñiz, Calzada México-Xochimilco 101, Colonia San Lorenzo Huipulco, Tlalpan, Mexico City 14370, Mexico
| | - Lenin Pavón
- Laboratorio de Psicoinmunología, Dirección de Investigaciones en Neurociencias, Instituto Nacional de Psiquiatría Ramón de la Fuente Muñiz, Mexico City 14370, Mexico
| | - Juan C Almagro
- Unidad de Desarrollo e Investigación en Bioterapéuticos (UDIBI), Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Laboratorio Nacional para Servicios Especializados de Investigación, Desarrollo e Innovación (I + D + i) para Farmoquímicos y Biotecnológicos, LANSEIDI-FarBiotec-CONACyT, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- GlobalBio, Inc., 320 Concord Ave, Cambridge, MA 02138, USA
| | - Luis Vallejo-Castillo
- Unidad de Desarrollo e Investigación en Bioterapéuticos (UDIBI), Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Laboratorio Nacional para Servicios Especializados de Investigación, Desarrollo e Innovación (I + D + i) para Farmoquímicos y Biotecnológicos, LANSEIDI-FarBiotec-CONACyT, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
| | - Francisco A Aguilar-Alonso
- Unidad de Desarrollo e Investigación en Bioterapéuticos (UDIBI), Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Laboratorio Nacional para Servicios Especializados de Investigación, Desarrollo e Innovación (I + D + i) para Farmoquímicos y Biotecnológicos, LANSEIDI-FarBiotec-CONACyT, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
| | - Sonia M Pérez-Tapia
- Unidad de Desarrollo e Investigación en Bioterapéuticos (UDIBI), Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Laboratorio Nacional para Servicios Especializados de Investigación, Desarrollo e Innovación (I + D + i) para Farmoquímicos y Biotecnológicos, LANSEIDI-FarBiotec-CONACyT, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Departamento de Inmunología, Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
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Saini V, Marchese A, Tang WJ, Majetschak M. Structural determinants of ubiquitin-CXC chemokine receptor 4 interaction. J Biol Chem 2011; 286:44145-44152. [PMID: 22039044 PMCID: PMC3243501 DOI: 10.1074/jbc.m111.298505] [Citation(s) in RCA: 37] [Impact Index Per Article: 2.8] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Grants] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 09/04/2011] [Revised: 10/17/2011] [Indexed: 01/26/2023] Open
Abstract
Ubiquitin, a post-translational protein modifier inside the cell, functions as a CXC chemokine receptor (CXCR) 4 agonist outside the cell. However, the structural determinants of the interaction between extracellular ubiquitin and CXCR4 remain unknown. Utilizing C-terminal truncated ubiquitin and ubiquitin mutants, in which surface residues that are known to interact with ubiquitin binding domains in interacting proteins are mutated (Phe-4, Leu-8, Ile-44, Asp-58, Val-70), we provide evidence that the ubiquitin-CXCR4 interaction follows a two-site binding mechanism in which the hydrophobic surfaces surrounding Phe-4 and Val-70 are important for receptor binding, whereas the flexible C terminus facilitates receptor activation. Based on these findings and the available crystal structures, we then modeled the ubiquitin-CXCR4 interface with the RosettaDock software followed by small manual adjustments, which were guided by charge complementarity and anticipation of a conformational switch of CXCR4 upon activation. This model suggests three residues of CXCR4 (Phe-29, Phe-189, Lys-271) as potential interaction sites. Binding studies with HEK293 cells overexpressing wild type and CXCR4 after site-directed mutagenesis confirm that these residues are important for ubiquitin binding but that they do not contribute to the binding of stromal cell-derived factor 1α. Our findings suggest that the structural determinants of the CXCR4 agonist activity of ubiquitin mimic the typical structure-function relationship of chemokines. Furthermore, we provide evidence for separate and specific ligand binding sites on CXCR4. As exogenous ubiquitin has been shown to possess therapeutic potential, our findings are expected to facilitate the structure-based design of new compounds with ubiquitin-mimetic actions on CXCR4.
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Affiliation(s)
- Vikas Saini
- Department of Surgery, Burn and Shock Trauma Institute, Loyola University Chicago Stritch School of Medicine, Maywood, Illinois 60153
| | - Adriano Marchese
- Department of Molecular Pharmacology and Therapeutics, Loyola University Chicago Stritch School of Medicine, Maywood, Illinois 60153
| | - Wei-Jen Tang
- Ben May Department for Cancer Research, The University of Chicago, Chicago, Illinois 60637
| | - Matthias Majetschak
- Department of Surgery, Burn and Shock Trauma Institute, Loyola University Chicago Stritch School of Medicine, Maywood, Illinois 60153; Department of Molecular Pharmacology and Therapeutics, Loyola University Chicago Stritch School of Medicine, Maywood, Illinois 60153.
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