The intracellular levels of many proteins are regulated by ubiquitin-dependent proteolysis. One of the best-characterized enzymes that catalyzes the attachment of ubiquitin to proteins is a ubiquitin ligase complex, Skp1-Cullin-F box complex containing Hrt1 (SCF). We sought to artificially target a protein to the SCF complex for ubiquitination and degradation. To this end, we tested methionine aminopeptidase-2 (MetAP-2), which covalently binds the angiogenesis inhibitor ovalicin. A chimeric compound, protein-targeting chimeric molecule 1 (Protac-1), was synthesized to recruit MetAP-2 to SCF. One domain of Protac-1 contains the IκBα phosphopeptide that is recognized by the F-box protein β-TRCP, whereas the other domain is composed of ovalicin. We show that MetAP-2 can be tethered to SCF β -TRCP , ubiquitinated, and degraded in a Protac-1-dependent manner. In the future, this approach may be useful for conditional inactivation of proteins, and for targeting disease-causing proteins for destruction.

The 26S proteasome mediates degradation of ubiquitin-conjugated proteins. Although ubiquitin is recycled from proteasome substrates, the molecular basis of deubiquitination at the proteasome and its relation to substrate degradation remain unknown. The Rpn11 subunit of the proteasome lid subcomplex contains a highly conserved Jab1/MPN domain-associated metalloisopeptidase (JAMM) motif-EX(n)HXHX(10)D. Mutation of the predicted active-site histidines to alanine (rpn11AXA) was lethal and stabilized ubiquitin pathway substrates in yeast. Rpn11(AXA) mutant proteasomes assembled normally but failed to either deubiquitinate or degrade ubiquitinated Sic1 in vitro. Our findings reveal an unexpected coupling between substrate deubiquitination and degradation and suggest a unifying rationale for the presence of the lid in eukaryotic proteasomes.

In S. cerevisiae, the G1/S transition requires Cdc4p, Cdc34p, Cdc53p, Skp1p, and the Cln/Cdc28p cyclin-dependent kinase (Cdk). These proteins are thought to promote the proteolytic inactivation of the S-phase Cdk inhibitor Sic1p. We show here that Cdc4p, Cdc53p, and Skp1p assemble into a ubiquitin ligase complex named SCFCdc4p. When mixed together, SCFCdc4p subunits, E1 enzyme, the E2 enzyme Cdc34p, and ubiquitin are sufficient to reconstitute ubiquitination of Cdk-phosphorylated Sic1p. Phosphorylated Sic1p substrate is specifically targeted for ubiquitination by binding to a Cdc4p/Skp1p subcomplex. Taken together, these data illuminate the molecular basis for the G1/S transition in budding yeast and suggest a general mechanism for phosphorylation-targeted ubiquitination in eukaryotes.

Exit from mitosis in budding yeast requires a group of essential proteins—including the GTPase Tem1 and the protein phosphatase Cdc14—that downregulate cyclin-dependent kinase activity. We identified a mutation, net1-1, that bypasses the lethality of tem1Δ. NET1 encodes a novel protein, and mass spectrometric analysis reveals that it is a key component of a multifunctional complex, denoted RENT (for re gulator of n ucleolar silencing and t elophase), that also contains Cdc14 and the silencing regulator Sir2. From G1 through anaphase, RENT localizes to the nucleolus, and Cdc14 activity is inhibited by Net1. In late anaphase, Cdc14 dissociates from RENT, disperses throughout the cell in a Tem1-dependent manner, and ultimately triggers mitotic exit. Nucleolar sequestration may be a general mechanism for the regulation of diverse biological processes.

SCF ubiquitin ligases control various processes by marking regulatory proteins for ubiquitin-dependent proteolysis. To illuminate how SCF complexes are regulated, we sought proteins that interact with the human SCF component CUL1. The COP9 signalosome (CSN), a suppressor of plant photomorphogenesis, associated with multiple cullins and promoted cleavage of the ubiquitin-like protein NEDD8 from Schizosaccharomyces pombe CUL1 in vivo and in vitro. Multiple NEDD8-modified proteins uniquely accumulated in CSN-deficient S. pombe cells. We propose that the broad spectrum of activities previously attributed to CSN subunits—including repression of photomorphogenesis, activation of JUN, and activation of p27 nuclear export—underscores the importance of dynamic cycles of NEDD8 attachment and removal in biological regulation.

COP9 signalosome (CSN) cleaves the ubiquitin-like protein Nedd8 from the Cul1 subunit of SCF ubiquitin ligases. The Jab1/MPN domain metalloenzyme (JAMM) motif in the Jab1/Csn5 subunit was found to underlie CSN's Nedd8 isopeptidase activity. JAMM is found in proteins from archaea, bacteria, and eukaryotes, including the Rpn11 subunit of the 26 S proteasome. Metal chelators and point mutations within JAMM abolished CSN-dependent cleavage of Nedd8 from Cul1, yet had little effect on CSN complex assembly. Optimal SCF activity in yeast and both viability and proper photoreceptor cell (R cell) development in Drosophila melanogaster required an intact Csn5 JAMM domain. We propose that JAMM isopeptidases play important roles in a variety of physiological pathways.

Cancer incidence is rising and this global challenge is further exacerbated by tumour resistance to available medicines. A promising approach to meet the need for improved cancer treatment is drug repurposing. Here we highlight the potential for repurposing disulfiram (also known by the trade name Antabuse), an old alcohol-aversion drug that has been shown to be effective against diverse cancer types in preclinical studies. Our nationwide epidemiological study reveals that patients who continuously used disulfiram have a lower risk of death from cancer compared to those who stopped using the drug at their diagnosis. Moreover, we identify the ditiocarb–copper complex as the metabolite of disulfiram that is responsible for its anti-cancer effects, and provide methods to detect preferential accumulation of the complex in tumours and candidate biomarkers to analyse its effect on cells and tissues. Finally, our functional and biophysical analyses reveal the molecular target of disulfiram’s tumour-suppressing effects as NPL4, an adaptor of p97 (also known as VCP) segregase, which is essential for the turnover of proteins involved in multiple regulatory and stress-response pathways in cells. Disulfiram is metabolized into copper–diethyldithiocarbamate, which binds to NPL4 and induces its aggregation in cells, leading to blockade of the p97–NPL4–UFD1 pathway and induction of a complex cellular phenotype that results in cell death. Disulfiram (trade names Antabuse and Antabus) has been used to treat alcohol dependence for several decades. Jiri Bartek and colleagues report epidemiological data from Danish nationwide registries showing that individuals who continued to take disulfiram after a cancer diagnosis had lower cancer-related mortality than individuals who stopped taking the drug. The authors show that disulfiram has anti-cancer effects in vitro and in vivo and identify the NPL4 protein as a drug target. NPL4 is involved in protein turnover, including stress-response pathways that promote tumorigenesis. These findings suggest that re-purposing disulfiram as an anti-cancer drug is a potential future therapeutic strategy.

Ubiquitin-dependent proteolysis is catalyzed by the 26S proteasome, a dynamic complex of 32 different proteins whose mode of assembly and mechanism of action are poorly understood, in part due to the difficulties encountered in purifying the intact complex. Here we describe a one-step affinity method for purifying intact 26S proteasomes, 19S regulatory caps, and 20S core particles from budding yeast cells. Affinity-purified 26S proteasomes hydrolyze both model peptides and the ubiquitinated Cdk inhibitor Sic1. Affinity purifications performed in the absence of ATP or presence of the poorly hydrolyzable analog ATP-γ-S unexpectedly revealed that a large number of proteins, including subunits of the skp1-cullin-F-box protein ligase (SCF) and anaphase-promoting complex (APC) ubiquitin ligases, copurify with the 19S cap. To identify these proteasome-interacting proteins, we used a recently developed method that enables the direct analysis of the composition of large protein complexes (DALPC) by mass spectrometry. Using DALPC, we identified more than 24 putative proteasome-interacting proteins, including Ylr421c (Daq1), which we demonstrate to be a new subunit of the budding yeast 19S cap, and Ygr232w (Nas6), which is homologous to a subunit of the mammalian 19S cap (PA700 complex). Additional PIPs include the heat shock proteins Hsp70 and Hsp82, the deubiquitinating enzyme Ubp6, and proteins involved in transcriptional control, mitosis, tubulin assembly, RNA metabolism, and signal transduction. Our data demonstrate that nucleotide hydrolysis modulates the association of many proteins with the 26S proteasome, and validate DALPC as a powerful tool for rapidly identifying stoichiometric and substoichiometric components of large protein assemblies.

In Saccharomyces cerevisiae, chemical or genetic inhibition of proteasome activity induces new proteasome synthesis promoted by the transcription factor RPN4. This ensures that proteasome activity is matched to demand. This transcriptional feedback loop is conserved in mammals, but its molecular basis is not understood. Here, we report that nuclear factor erythroid-derived 2-related factor 1 (Nrf1), a transcription factor of the cap “n” collar basic leucine zipper family, but not the related Nrf2, is necessary for induced proteasome gene transcription in mouse embryonic fibroblasts (MEFs). Promoter-reporter assays revealed the importance of antioxidant response elements in Nrf1-mediated upregulation of proteasome subunit genes. Nrf1−/− MEFs were impaired in the recovery of proteasome activity after transient treatment with the covalent proteasome inhibitor YU101, and knockdown of Nrf1 in human cancer cells enhanced cell killing by YU101. Taken together, our results suggest that Nrf1-mediated proteasome homeostasis could be an attractive target for therapeutic intervention in cancer.