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背景介绍 蛋白质翻译后修饰（PTMs）是指蛋白质翻译后的化学修饰。PTMs是一个复杂的过程，几乎参与细胞所有的生命活动过程，发挥极其重要的调控作用，使被修饰的蛋白结构更复杂、作用更专一、功能更完善，PTMs具备生命研究和探索的巨大潜力。目前已知的PTMs超过400种，主要包括磷酸化，糖基化、乙酰化、泛素化、SUMO化以及一些其他小众的修饰方式。 磷酸化几乎参与所有的生物过程，包括细胞生长分裂、迁徙、分泌、死亡以及代谢等；糖基化多发生于膜上表达的蛋白，是最为复杂的翻译后修饰，在免疫、肿瘤诊断相关研究中关注最多；乙酰化中最常见的是组蛋白乙酰化，其在表观调控过程中至关重要；泛素化也几乎参与真核生物所有的生物调控过程，主要起到降解靶蛋白，下调蛋白表达作用，近年来在肿瘤以及免疫领域大热；SUMO化通过一种类似却又不同于泛素化的途径发生，主要起到调控蛋白间相互作用、定位、稳定性的作用。 PTMs对蛋白质功能影响具有多样性，主要表现在以下三个方面：（1）同一蛋白质，即使只发生一种类型的修饰，也可能会赋予多种功能；（2）同一蛋白的同一种翻译后修饰，如果发生在不同氨基酸上，其功能也可能不同；（3）同一蛋白还可能具有不同的修饰，其功能和参与的生物过程就更为复杂。 SUMO化修饰过程 小泛素相关修饰物（smallubiquitin-like modifier，SUMO）是一种约10 kDa的蛋白，通过一种称为SUMO化的酶促过程与底物蛋白共价结合。在哺乳动物细胞中，SUMO蛋白家族由SUMO1-4 4个成员组成，SUMO2与SUMO3具有95％的同源性，但它们与SUMO1大约只有45%的同源性。尽管序列同源性低，但SUMO1和SUMO2/3具有非常相似的三维结构。 SUMO化修饰过程由4个连续的酶促反应组成[1]：SENP酶促使SUMO成熟化、E1酶激活SUMO、活化的SUMO与E2酶结合、E3酶促进SUMO与底物的结合(图1)。
图1 蛋白质发生SUMO化修饰的生化过程[1] 首先，SUMO的几个C-末端氨基酸被SUMO特异性蛋白酶（sentrin/SUMO-specific proteases, SENP）所降解，暴露出二甘氨酸残基并成为成熟的SUMO。接着，在ATP的调节作用下，SUMO的二甘氨酸残基与E1激活酶的半胱氨酸残基结合形成活化的SUMO。E1酶是ATP依赖性异二聚体，由人类细胞中的SUMO活化酶亚基1（SAE1）和SUMO活化酶亚基2（SAE2）构成。SAE1/SAE2可以特异性地识别目前已知唯一的E2结合酶（Ubc9），通过酯交换反应，SUMO被转移到Ubc9的半胱氨酸残基上，形成高能硫酯键。最后，在E3连接酶的催化作用下，Ubc9直接识别底物蛋白的保守序列Ψ-KxD / E（Ψ是疏水基团，K是与SUMO偶联的赖氨酸，x是任何氨基酸，D / E是由底物中的天冬氨酸或谷氨酸组成的酸性氨基酸），将SUMO与底物的赖氨酸残基结合形成异肽键，最终完成了SUMO和底物蛋白之间的特异性结合。目前，已发现三种类型的E3连接酶，Ran结合蛋白2（RanBP2）、活化的STAT蛋白抑制剂( PIAS）和多梳蛋白2（Pc2），这些连接酶都具有增强Ubc9和底物之间识别的能力。此外，结合的SUMO可以通过SENP与底物的赖氨酸残基解离以参与新一轮的SUMO化修饰，这个过程被称为去SUMO化。目前已知有6种SENPs，包括SENP1/2/3/5/6/7，SENP1/2主要解离SUMO1-3，SENP3/5主要识别SUMO2/3以及使SUMO2/3从底物上移除，SENP6/7主要介导多聚SUMO链的去SUMO化。综上，SUMO化和去SUMO化一起构成完整的可逆酶促反应，通过SUMO与底物的结合、解离进一步调节各种细胞生物过程。 鉴定蛋白质SUMO化修饰的方式 蛋白质研究中最常用的是抗体，但对于PTMs来说，抗体较难实现对蛋白质上发生修饰的氨基酸位置进行精确定位。同时，每一种蛋白质的每一种修饰的每一个修饰位点，都需要对应的一种抗体来进行分析，其分析成本太高，适用范围非常有限，也难以应用于系统性层面上的研究。因此，用抗体来研究PTMs这一举措并不合适。 现今，研究者对于PTMs的探索和认识，很大程度上得益于质谱技术的发展。质谱技术（Mass Spectroscope, MS）通过正确测定蛋白质分子的质量而进行蛋白质分子鉴定、蛋白质分子修饰和蛋白质分子相互作用，成为研究和分析蛋白质及其翻译后修饰的重要工具。 然而，由于大多数SUMO化蛋白质丰度低，SUMO化修饰的鉴定面临着一些挑战。目前，SUMO化鉴定的方法主要包括生物信息学与氨基酸定点突变相结合、基于质谱的蛋白质组学分析相结合。另外，通过模拟计算生物信息学预测蛋白质SUMO化位点，这可以通过氨基酸定点突变得到进一步的验证。此外，还可通过基于MS的技术和生化验证鉴定靶蛋白的可变SUMO化修饰位点(图2)。
图2 识别SUMO化修饰的方法[1] SUMO化修饰与疾病的关系 蛋白质的SUMO化在正常生理条件下是一种动态调控过程，而SUMO化和去SUMO化的失衡与多种疾病的发生和发展有关[1]，包括癌症、神经退行性疾病、心脏病以及先天免疫性疾病(图3)。
图3 SUMO化修饰与疾病的关系[1] 1. SUMO化与癌症[3] 肿瘤细胞中过高表达SUMO化修饰的E1、E2、E3、SENP酶均会打破SUMO化和去SUMO化的动态平衡，改变基因转录活性、基因表达以及细胞增殖、迁移、侵袭和自噬等细胞生物学行为，最终导致癌症的发生和进展(图4)。如Ubc9的表达水平在腺癌和卵巢癌细胞中上调；PIAS3在肺癌、乳腺癌、前列腺癌和结直肠癌中也有不同程度的增加。此外，人类肿瘤的发生与SUMO化修饰的底物蛋白密切相关，如SUMO化修饰的MAFB通过细胞周期调节促进结直肠癌肿瘤发生等。
图4 SUMO化体系失衡导致癌症的发生[2] 2. SUMO化与神经退行性疾病[4] 神经退行性疾病通常涉及异常和有毒蛋白质的聚集，这被认为是该疾病发生和发展的主要因素。越来越多的证据表明，神经元的SUMO化导致许多病理症状和神经系统疾病的发生。常见的是亨廷顿氏病（HD）、帕金森病（PD）、阿尔茨海默病（AD），分别是由于HTT蛋白修饰异常、α-突触核蛋白在大脑中高表达、β-淀粉样蛋白斑块形成所造成。 3. SUMO化与心脏病[5] 蛋白质SUMO化在心脏功能中起着重要作用，平衡的SUMO化/去SUMO化对正常的心脏发育、新陈代谢和应激适应都很重要。Ubc9介导的SUMO化增强可能代表一种新的治疗策略，旨在增加自噬通量和改善血液性心脏病的发病率。Ubc9 / PML / RNF4（SUMO靶向泛素连接酶）轴作为心脏纤维化中重要的SUMO化途径起着关键作用，通过调节信号轴途径为心脏纤维化和心力衰竭提供强有力的治疗靶点[6]。 4. SUMO化与先天免疫性疾病 SUMO化可通过直接修饰病毒蛋白或通过调节与抗病毒防御有关的细胞蛋白来触发大量病毒的复制。SUMO化是TBK1（TANK结合激酶1）的一种新型翻译后修饰方式[7]，TBK1活化后可以诱导并激活下游Ⅰ型干扰素IFN-α、IFN-β的表达。TBK1激酶的活性需要SUMO1或SUMO2/3蛋白的附着，K694位点的SUMO化修饰有助于TBK1的抗病毒功能，然而病毒蛋白Gam1却能拮抗该翻译后修饰。 小结 SUMO化是蛋白质翻译后修饰的方式之一，它已被确立为许多细胞功能修饰的重要参与者，被认为是调节细胞内蛋白质功能的重要因子之一。蛋白质的异常SUMO化将导致疾病的发生。随着生物信息学和质谱技术的不断发展，已有几种准确的方法来探索SUMO化的修饰位点，这有助于破译蛋白质SUMO化介导的疾病分子机制。另外，针对SUMO化修饰酶所出现的异常表达，开发新型小分子抑制剂对于治疗相关疾病具有重要的研发意义。 参考文献 [1] Yang Y,He Y, Wang X, et al. Protein SUMOylation modification and its associations with disease [J]. Open Biology, 2017, 7(10):170167. [2] Yang Y,Xia Z, Wang X, et al. Small-Molecule Inhibitors Targeting Protein SUMOylationas Novel Anticancer Compounds[J].Molecular Pharmacology, 2018, 94: 885-894. [3] Seeler JS, Dejean A. SUMO and the robustness of cancer.[J]. Nature Reviews Cancer, 2017,17(3):184-197. [4] Mun M J,Kim J H, Choi J Y, et al. Polymorphisms of small ubiquitin-related modifiergenes are associated with risk of Alzheimer's disease in Korean: A case-control study.[J]. Journal of the Neurological Sciences, 2016, 364:122-127. [5] DaSilva-Ferrada E, Ribeiro-Rodrigues T M, Manuel S, et al. Proteostasis and SUMOin the heart.[J]. The InternationalJournal of Biochemistry & Cell Biology, 2016, 79:443-450. [6] Liu Y,Zhao D, Qiu F, et al. Manipulating PML SUMOylation via Silencing UBC9 and RNF4 Regulates Cardiac Fibrosis.[J]. Molecular Therapy, 2017, 25(3):666-678. [7] Saul V V,Niedenthal R, Pich A, et al. SUMO modification of TBK1 at the adaptor-bindingC-terminal coiled-coil domain contributes to its antiviral activity.[J].Biochimica et Biophysica Acta (BBA) -Molecular Cell Research, 2015,1853(1):136-143. 作者：林晓芬 校稿：朱丽丽 编辑：贡梦蝶/王洁 华东理工大学/上海市新药设计重点实验室/李洪林教授课题组 |
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