USP15 regulates receptor-activated Smads by opposing a regulative monoubiquitylation

The TGFβ pathway is critical for embryonic development and adult tissue homeostasis. Upon ligand stimulation, the TGFβ/BMP receptors phosphorylate the Receptor-activated Smads (R-Smads), which then associate with Smad4 to form a transcriptional complex that regulates gene expression through site-specific DNA recognition. Several ubiquitin ligases serve as inhibitors of R-Smads, yet no deubiquitylating enzymes (DUBs) for these molecules have so far been identified. This contributed to leave unexplored the possibility that ubiquitylation of R-Smads is reversible and engaged in regulating Smad function, in addition to degradation. Here we identify USP15 as a DUB for R-Smads. USP15 is required for TGFβ and BMP gene responses and biological effects in mammalian cells and Xenopus embryos. At the biochemical level, USP15 primarily opposes regulative ubiquitylation of R-Smads, that hits their DNA binding domain and is incompatible with promoter recognition. As such, USP15 is critical for the occupancy of endogenous target promoters by the Smad complex. These data identify a new layer of control by which the ubiquitin system regulates TGFβ biology

La via di segnale TGFβ svolge un ruolo critico durante lo sviluppo embrionale e nell’omoestasi dei tessuti nella vita adulta. In seguito alla stimolazione da ligando i recettori per TGFβ/BMP fosforilano le R-Smads che si associano così a Smad4 per formare un complesso trascrizionale in grado di regolare l’espressione genica mediante il riconoscimento di specifiche sequenze di DNA. Molteplici ubiquitina-ligasi agiscono come inibitori delle R-Smads, ma ad oggi non sono ancora stati identificati enzimi deubiquitinanti (DUBs) per queste molecule. Questo lascia aperta la possibilità che l’ubiquitinazione delle R-Smads sia reversibile e che possa essere coinvolta nella regolazione delle funzioni delle R-Smads con modalità diverse dalla degradazione. In questo lavoro USP15 è stata identificata come una DUB per le R-Smads. USP15 è richiesta per le risposte geniche indotte da TGFβ e BMP e per gli effetti biologici mediati da questi segnali in cellule di mammifero e in embrioni di Xenopus laevis. A livello biochimico USP15 principalmente si contrappone ad una forma regolativa di ubiquitinazione delle R-Smads, la quale inibisce la loro capacità di legarsi al DNA ed è quindi incompatibile con il riconoscimeto del promotore. Tramite questo meccanismo USP15 è fondamentale nel determinare la persistenza del complesso delle Smads sui promotori dei geni endogeni. Questi risultati evidenziano un nuovo meccanismo con cui l’ubiquitina regola gli effetti biologici di TGFβ e BMP