Proteasomes, the primary mediators of ubiquitin-protein conjugate degradation, are regulated through complex and poorly understood mechanisms. Here we show that USP14, a proteasome-associated deubiquitinating enzyme, can inhibit the degradation of ubiquitin-protein conjugates both in vitro and in cells. A catalytically inactive variant of USP14 has reduced inhibitory activity, indicating that inhibition is mediated by trimming of the ubiquitin chain on the substrate. A high-throughput screen identified a selective small-molecule inhibitor of the deubiquitinating activity of human USP14. Treatment of cultured cells with this compound enhanced degradation of several proteasome substrates that have been implicated in neurodegenerative disease. USP14 inhibition accelerated the degradation of oxidized proteins and enhanced resistance to oxidative stress. Enhancement of proteasome activity through inhibition of USP14 may offer a strategy to reduce the levels of aberrant proteins in cells under proteotoxic stress.

Proteasomal receptors that recognize ubiquitin chains attached to substrates are key mediators of selective protein degradation in eukaryotes. Here we report the identification of a new ubiquitin receptor, Rpn13/ARM1, a known component of the proteasome. Rpn13 binds ubiquitin through a conserved amino-terminal region termed the pleckstrin-like receptor for ubiquitin (Pru) domain, which binds K48-linked diubiquitin with an affinity of approximately 90 nM. Like proteasomal ubiquitin receptor Rpn10/S5a, Rpn13 also binds ubiquitin-like (UBL) domains of UBL-ubiquitin-associated (UBA) proteins. In yeast, a synthetic phenotype results when specific mutations of the ubiquitin binding sites of Rpn10 and Rpn13 are combined, indicating functional linkage between these ubiquitin receptors. Because Rpn13 is also the proteasomal receptor for Uch37, a deubiquitinating enzyme, our findings suggest a coupling of chain recognition and disassembly at the proteasome. The 26S proteasome is a multisubunit complex that selectively degrades ubiquitin conjugated proteins. Two studies show that a known component of the proteasome, Rpn13 functions as a novel ubiquitin binding receptor. Structural studies reveal a novel mode of ubiquitin recognition. Rpn 13 is also a receptor for a deubiquitinating enzyme, suggesting a linkage between ubiquitin chain recognition and disassembly. The 26S proteasome is a multisubunit complex that selectively degrades ubiquitin conjugated proteins. Two studies (this Article and the Letter Dikic doi:10.1038/nature06924) show that a known component of the proteasome, Rpn13, functions as a novel ubiquitin binding receptor, and structural studies reveal a novel mode of ubiquitin recognition. Rpn13 is also a receptor for a deubiquitinating enzyme, suggesting a linkage between ubiquitin chain recognition and disassembly.

Ubiquitin chains serve as a recognition motif for the proteasome, a multisubunit protease, which degrades its substrates into polypeptides while releasing ubiquitin for reuse. Yeast proteasomes contain two deubiquitinating enzymes, Ubp6 and Rpn11. Rpn11 promotes protein breakdown through its degradation-coupled activity. In contrast, we show here that Ubp6 has the capacity to delay the degradation of ubiquitinated proteins by the proteasome. However, delay of degradation by Ubp6 does not require its catalytic activity, indicating that Ubp6 has both deubiquitinating activity and proteasome-inhibitory activity. Delay of degradation by Ubp6 appears to provide a time window allowing gradual deubiquitination of the substrate by Ubp6. Rpn11 catalyzes en bloc chain removal, and Ubp6 interferes with degradation at or upstream of this step, so that degradation delay by Ubp6 is accompanied by a switch in the mode of ubiquitin chain processing. We propose that Ubp6 regulates both the nature and magnitude of proteasome activity.

Targeted protein degradation is largely performed by the ubiquitin-proteasome pathway, in which substrate proteins are marked by covalently attached ubiquitin chains that mediate recognition by the proteasome. It is currently unclear how the proteasome recognizes its substrates, as the only established ubiquitin receptor intrinsic to the proteasome is Rpn10/S5a (ref. 1), which is not essential for ubiquitin-mediated protein degradation in budding yeast. In the accompanying manuscript we report that Rpn13 (refs 3-7), a component of the nine-subunit proteasome base, functions as a ubiquitin receptor, complementing its known role in docking de-ubiquitinating enzyme Uch37/UCHL5 (refs 4-6) to the proteasome. Here we merge crystallography and NMR data to describe the ubiquitin-binding mechanism of Rpn13. We determine the structure of Rpn13 alone and complexed with ubiquitin. The co-complex reveals a novel ubiquitin-binding mode in which loops rather than secondary structural elements are used to capture ubiquitin. Further support for the role of Rpn13 as a proteasomal ubiquitin receptor is demonstrated by its ability to bind ubiquitin and proteasome subunit Rpn2/S1 simultaneously. Finally, we provide a model structure of Rpn13 complexed to diubiquitin, which provides insights into how Rpn13 as a ubiquitin receptor is coupled to substrate deubiquitination by Uch37.

The yin and yang of proteasomal regulation The ubiquitin-proteasome pathway regulates myriad proteins through their selective proteolysis. The small protein ubiquitin is attached, typically in many copies, to the target protein, which is then recognized and broken down by the proteasome. Shi et al. found a repeat structure in the proteasome for recognizing ubiquitin as well as ubiquitin-like (UBL) proteins. Tandem binding sites allow the proteasome to dock multiple proteins. One of the bound UBL proteins is an enzyme that cleaves ubiquitin-protein conjugates, which antagonizes degradation. Thus, the repetition of related binding sites with distinct specificity achieves a balance of positive and negative regulation of the proteasome. Science , this issue p. 10.1126/science.aad9421

Abstract The condition of having a healthy, functional proteome is known as protein homeostasis, or proteostasis. Establishing and maintaining proteostasis is the province of the proteostasis network, approximately 2,500 genes that regulate protein synthesis, folding, localization, and degradation. The proteostasis network is a fundamental entity in biology with direct relevance to many diseases of protein conformation. However, it is not well defined or annotated, which hinders its functional characterization in health and disease. In this series of manuscripts, we aim to operationally define the human proteostasis network by providing a comprehensive, annotated list of its components. Here, we provide a curated list of 959 unique genes that comprise the protein synthesis machinery, chaperones, folding enzymes, systems for trafficking proteins into and out of organelles, and organelle-specific degradation systems. In subsequent manuscripts, we will delineate the human autophagy-lysosome pathway, the ubiquitin-proteasome system, and the proteostasis networks of model organisms.

The condition of having a healthy, functional proteome is known as protein homeostasis, or proteostasis. Establishing and maintaining proteostasis is the province of the proteostasis network, approximately 2,700 components that regulate protein synthesis, folding, localization, and degradation. The proteostasis network is a fundamental entity in biology that is essential for cellular health and has direct relevance to many diseases of protein conformation. However, it is not well defined or annotated, which hinders its functional characterization in health and disease. In this series of manuscripts, we aim to operationally define the human proteostasis network by providing a comprehensive, annotated list of its components. We provided in a previous manuscript a list of chaperones and folding enzymes as well as the components that make up the machineries for protein synthesis, protein trafficking into and out of organelles, and organelle-specific degradation pathways. Here, we provide a curated list of 838 unique high-confidence components of the autophagy-lysosome pathway, one of the two major protein degradation systems in human cells.

Abstract The proteasome is the principal cellular protease, and recognizes target proteins that have been covalently marked by ubiquitin chains. The ubiquitin signal is subject to rapid editing at the proteasome, allowing it to reject substrates based on topological features of their attached ubiquitin chains. Editing is mediated by a key regulator of the proteasome, deubiquitinating enzyme Ubp6. The proteasome activates Ubp6, whereas Ubp6 inhibits the proteasome–both by deubiquitinating proteasome-bound ubiquitin conjugates, and through a noncatalytic effect that does not involve deubiquitination. We report mutants in both Ubp6 and proteasome subunit Rpt1 that abrogate Ubp6 activation. The Ubp6 mutations fall within its ILR element, defined here, which is conserved from yeast to mammals. The ILR is a component of the BL1 blocking loop, other parts of which obstruct ubiquitin access to the catalytic groove in free Ubp6. Rpt1 docking at the ILR opens the catalytic groove by rearranging not only BL1 but also a novel network of three directly interconnected active-site-blocking loops. Ubp6 activation and noncatalytic proteasome inhibition by Ubp6 are linked in that they were eliminated by the same Ubp6 and Rpt1 mutations. Ubp6 and ubiquitin together drive the proteasome into a unique conformational state associated with proteasome inhibition. Our results identify a multicomponent allosteric switch that exerts simultaneous control over the activity of both Ubp6 and the proteasome, and suggest that their active states are in general mutually exclusive. The findings lead to a new paradigm for allosteric control of deubiquitinating enzymes.