F-box proteins are the substrate binding subunits of SCF (Skp1-Cul1-F-box protein) ubiquitin ligase complexes. Using affinity purifications and mass spectrometry, we identified RRM2 (the ribonucleotide reductase family member 2) as an interactor of the F-box protein cyclin F. Ribonucleotide reductase (RNR) catalyzes the conversion of ribonucleotides to deoxyribonucleotides (dNTPs), which are necessary for both replicative and repair DNA synthesis. We found that, during G2, following CDK-mediated phosphorylation of Thr33, RRM2 is degraded via SCF(cyclin F) to maintain balanced dNTP pools and genome stability. After DNA damage, cyclin F is downregulated in an ATR-dependent manner to allow accumulation of RRM2. Defective elimination of cyclin F delays DNA repair and sensitizes cells to DNA damage, a phenotype that is reverted by expressing a nondegradable RRM2 mutant. In summary, we have identified a biochemical pathway that controls the abundance of dNTPs and ensures efficient DNA repair in response to genotoxic stress.

SUMMARY BTB-Kelch proteins form the largest subfamily of Cullin-RING E3 ligases, yet their substrate complexes are mapped and structurally characterized only for KEAP1 and KLHL3. KLHL20 is a related CUL3-dependent ubiquitin ligase linked to autophagy, cancer and Alzheimer’s disease that promotes the ubiquitination and degradation of substrates including DAPK1, PML and ULK1. We identified a ‘LPDLV’-containing recruitment site in the DAPK1 death domain and determined the 1.1 Å crystal structure of a KLHL20-DAPK1 complex. DAPK1 binds to KLHL20 as a loose helical turn that inserts deeply into the central pocket of the Kelch domain to contact all six blades of the β-propeller. Here, KLHL20 forms a salt bridge as well as hydrophobic interactions that include a tryptophan and cysteine residue ideally positioned for covalent inhibitor development. The structure highlights the diverse binding modes of circular substrate pockets versus linear grooves and suggests a novel E3 ligase for protac-based drug design.

Abstract Efficient entry into S phase of the cell cycle is necessary for embryonic development and tissue homeostasis. However, unscheduled S phase entry triggers DNA damage and promotes oncogenesis, underlining the requirement for strict control. Here, we identify the NUCKS1-SKP2-p21/p27 axis as a checkpoint pathway for the G1/S transition. In response to mitogenic stimulation, NUCKS1, a transcription factor, is recruited to chromatin to activate expression of SKP2 , the F-box component of the SCF SKP2 ubiquitin ligase, leading to degradation of p21 and p27 and promoting progression into S phase. In contrast, DNA damage induces p53-dependent transcriptional repression of NUCKS1 , leading to SKP2 downregulation, p21/p27 upregulation, and cell cycle arrest. We propose that the NUCKS1-SKP2-p21/p27 axis integrates mitogenic and DNA damage signalling to control S phase entry. TCGA data reveal that this mechanism is hijacked in many cancers, potentially allowing cancer cells to sustain uncontrolled proliferation.

Cancer mutations can create neomorphic protein-protein interactions to drive aberrant function

Abstract The BTB-Kelch protein KLHL3 is a Cullin3-dependent E3 ligase that mediates the ubiquitin-dependent degradation of kinases WNK1-4 to control blood pressure and cell volume. A crystal structure of KLHL3 has defined its binding to an acidic degron motif containing a PXXP sequence that is strictly conserved in WNK1, WNK2 and WNK4. Mutations in the second proline abrograte the interaction causing the hypertension syndrome pseudohypoaldosteronism type II. WNK3 shows a diverged degron motif containing 4 amino acid substitutions that remove the PXXP motif raising questions as to the mechanism of its binding. To understand this atypical interaction, we determined the crystal structure of the KLHL3 Kelch domain in complex with a WNK3 peptide. The electron density enabled the complete 11-mer WNK-family degron motif to be traced for the first time revealing several conserved features not captured in previous work, including additional salt bridge and hydrogen bond interactions. Overall, the WNK3 peptide adopted a conserved binding pose except for a subtle shift to accommodate bulkier amino acid substitutions at the binding interface. At the centre, the second proline was substituted by WNK3 Thr541, providing a unique phosphorylatable residue among the WNK-family degrons. Fluorescence polarisation and structural modelling experiments revealed that its phosphorylation would abrogate the KLHL3 interaction similarly to hypertension-causing mutations. Together, these data reveal how the KLHL3 Kelch domain can accommodate the binding of multiple WNK isoforms and highlight a potential regulatory mechanism for the recruitment of WNK3.

Breast cancer is a prevalent and significant cause of mortality in women, and manifests as six molecular subtypes. Its further histologic classification into non-invasive ductal or lobular carcinoma (DCIS) and invasive carcinoma (ILC or IDC) underscores its heterogeneity. The ubiquitin-proteasome system plays a crucial role in breast cancer, with inhibitors targeting the 26S proteasome showing promise in clinical treatment. The Cullin-RING ubiquitin ligases, including CUL3, have direct links to breast cancer. This study focuses on CUL3 as a potential biomarker, leveraging high-throughput sequencing, gene expression profiling, experimental and data analysis tools. Through comprehensive analysis using databases like GEPIA2 and UALCAN, as well as TCGA datasets, CUL3's expression and its association with prognostic values were assessed. Additionally, the impact of CUL3 overexpression was explored in MCF-7 and MDA-MB-231 breast cancer cell lines, revealing distinct differences in molecular and phenotypic characteristics. We further profiled its expression and localization in breast cancer tissues identifying prominent differences between luminal A and TNBC tumors. Conclusively, CUL3 was found to be associated with cell cycle progression, and DNA damage response, exhibiting diverse roles depending on the tumor's molecular type. It exhibits a tendency to act as an oncogene in triple-negative tumors and as a tumor suppressor in luminal A types, suggesting a potential significance in breast cancer progression and therapeutic directions.

Wnt signaling is critically dependent on dishevelled proteins (DVL1-3), which are required to assemble an intracellular Wnt signalosome at the plasma membrane. The levels of dishevelled proteins are strictly regulated by multiple E3 ubiquitin ligases that target DVL1-3 for ubiquitination and proteasomal degradation. The BTB-Kelch family protein KLHL12 is a substrate-specific adaptor for a Cullin-RING E3 ligase complex that contains Cullin3 and Rbx1. KLHL12 was the first E3 ligase to be identified for DVL1-3, but the molecular mechanisms determining its substrate interactions have remained unknown. Here, we mapped the interaction of DVL1-3 to a PGXPP motif that is conserved in other known partners and substrates of KLHL12, including PLEXHA4, PEF1 and SEC31. A 20-mer peptide containing the DVL1 motif bound to the Kelch domain of KLHL12 with low micromolar affinity. In cells, the mutation or deletion of this motif caused a striking reduction in the binding, ubiquitination and stability of DVL1 confirming this sequence as a degron motif for KLHL12 recruitment. To determine the binding mechanism we solved a 2.4 crystal structure of the Kelch domain of KLHL12 in complex with a DVL1 peptide. The structure revealed that the DVL1 substrate adopted a U-shaped turn conformation that enabled hydrophobic interactions with all six blades of the Kelch domain -propeller. Overall, these results define the molecular mechanisms determining DVL regulation by KLHL12 and establish the KLHL12 Kelch domain as a new protein interaction module for a novel proline-rich motif.

Ubiquitination is a crucial posttranslational modification required for the proper repair of DNA double-strand breaks (DSBs) induced by ionizing radiation (IR). DSBs are mainly repaired through homologous recombination (HR) when template DNA is present and nonhomologous end joining (NHEJ) in its absence. In addition, microhomology-mediated end joining (MMEJ) and single-strand annealing (SSA) provide backup DSBs repair pathways. However, the mechanisms controlling their use remain poorly understood. By using a high-resolution CRISPR screen of the ubiquitin system after IR, we systematically uncover genes required for cell survival and elucidate a critical role of the E3 ubiquitin ligase SCF