小類泛素化修飾過程中四種主要酶的研究進展

徐 晨 楊立順 鮑會靜 (天津市第四中心醫院檢驗科，天津300140)

蛋白質的翻譯后修飾是真核細胞一種非常重要的調控方式之一，主要包括有磷酸化、乙酰化、甲基化、糖基化等，這些調控方式已經被廣泛研究。除此之外，由小類泛素化修飾肽(Small ubiquitin-like modifier，SUMO)參與的 SUMO化修飾(SUMOylation)是當今研究翻譯后調控的熱點，這類修飾不但參與蛋白的翻譯后修飾，而且還可以調節蛋白的轉錄，DNA的復制與修復等多種不同的生理生化反應[1]。參與SUMO化修飾過程的酶主要包括有四種，分別為:SUMO激活酶(E1)、SUMO偶聯酶(E2)、SUMO連接酶(E3)以及去SUMO化酶。而其中任何一種酶的改變都可能會影響機體正常生理生化反應。本文主要是回顧近幾年來對SUMO化修飾中四種主要酶的研究進展，為今后研究SUMO化修飾與疾病的關系提供材料與依據。

1 SUMO激活酶E1

SUMO激活酶E1具有二聚體結構，不同于泛素激活酶E1是一個單體蛋白。它包括兩個不同的亞基，分別為大亞基UBA2(也被稱為SEA2)與小亞基AOS1(也被稱為SEA1)。在細胞中SUMO激活酶E1是以異源二聚體的形式存在的，它們具有獨立的功能和調控機制。任何一個單獨亞基都不具有催化活性，只有當兩個亞基結合在一起的時候，才具有了SUMO 激活酶 E1 的活性[2，3]。

AOS1與UBA2在細胞內具有高度的保守性，無論從酵母還是到人類中都有廣泛的表達。AOS1與泛素激活酶E1具有28%的同源性;UBA2與泛素激活酶E1具有50%的同源性。AOS1只具有一個單一的結構，參與SUMO化反應;而UBA2具有三個結構域:半胱氨酸催化結構域、腺苷化結構域以及泛素折疊結構域。除此之外，在UBA2的腺苷化結構域中存在有一個典型的Gly-X-Gly-X-X-Gly ATP的結合模序。這種模序無論在泛素化還是在SUMO化過程中都是高度保守的，同時該模序會與SUMO偶聯酶E2有強烈的相互作用。UBA2的C端包含有半胱氨酸的活性位點，該位點即可與SUMO C端的Gly 形成硫脂鍵[4-6]。

激活酶E1催化SUMO C端形成硫脂鍵通常有三步，同時該過程是需要ATP提供能量的。首先，SUMO的C端的羧基受到ATP的攻擊，釋放出來一個磷酸，從而使C端磷酸化;接著，E1的活性位點，即半胱氨酸位置的硫醇集團會攻擊SUMO C端的腺苷酸，釋放出來AMP;最后，在E1和SUMO C端形成一個高能硫脂鍵，從而完成了激活酶E1催化SUMO的過程。大多數的機體一般只具有一種SUMO激活酶E1，它催化不同的SUMO與靶蛋白結合[7]。

2 SUMO偶聯酶E2

不同于泛素偶聯酶E2在生物體中具有多種不同形式，SUMO偶聯酶E2(UBC9)在生物體中目前只發現一種[8]。SUMO偶聯酶UBC9與泛素偶聯酶UBC4有33%的相似性。同時，SUMO偶聯酶E2在生物體中又具有高度的保守性。

SUMO偶聯酶E2的主要作用就是接受來自于E1的SUMO，從而形成了E2-SUMO中間體的形式，該中間體可以將SUMO直接轉移到靶蛋白上，從而完成對靶蛋白的SUMO化修飾過程，它也可以將SUMO傳遞給SUMO連接酶E3，接著再由E3完成傳遞SUMO至靶蛋白的過程，從而完成SUMO化修飾[9]。

SUMO偶聯酶E2在早期的胚胎發育以及進化過程中起著十分重要的作用。UBC9缺失的小鼠的胚胎在其著床后期就會死亡。應用基因敲除技術改造的UBC9缺陷型細胞，表現出嚴重的細胞核組織缺陷癥狀，主要有核仁的損壞，染色體聚集，以及RanGAP1無法在核孔周圍聚集。對于UBC9功能的缺失，對于線蟲的胚胎是致死性的，而在釀酒酵母中，它會阻斷酵母由G2向M期的過渡。如果UBC9的功能缺失發生在果蠅上，則會對果蠅的減數分裂過程產生嚴重的影響[10]。研究表明，對于雞淋巴瘤細胞系DT-40來說，如果該細胞系缺失了UBC9，確實會對細胞的分裂產生很大的影響，但是該影響并不涉及染色體的錯誤聚集或是分離[11]。這種由于缺失UBC9而使細胞系與胚胎受到不同程度的影響的原因，目前還是一個需要深入研究的問題。

3 SUMO連接酶E3

SUMO連接酶E3的作用是將SUMO傳遞給靶蛋白，使其與靶蛋白以異肽鍵的方式連接在一起，從而對靶蛋白進行SUMO化修飾。一般來說，SUMO連接酶E3不直接與SUMO結合，而是與E2-SUMO中間體中的E2結合，同時也與靶蛋白結合，從而達到使SUMO與靶蛋白結合的目的。實際上在體內，有的時候SUMO-1與靶蛋白結合是可以不用借助SUMO E3酶的;另外在體外不存在E3的時候，SUMO化修飾仍然是可以發生的，說明在細胞中E3只是參與部分的SUMO化修飾過程，促進SUMO與靶蛋白的特異性結合[12，13]。

有一些SUMO連接酶都含有一個保守的SPRING模序，該模序對于發揮SUMO連接酶E3的功能是十分重要的。該模序可以直接與靶蛋白結合，從而達到使SUMO連接到靶蛋白的目的[14]。到目前為止，已經發現了有三種不同的SUMO連接酶E3，分別為:PIAS家族蛋白(protein inhibitors of activated STAT)，核孔蛋白RanBP2/Nup358(Ran binding protein-2)和Pc(human polycomb group protein)[15]。

到目前為止，在果蠅和線蟲中只發現有一種SP-RNG模序，而在酵母和哺乳動物中則發現有由多種不同基因編碼的SP-RING模序，例如在哺乳動物中，含有分別由四種基因編碼的SP-RNG模序，分別為:PIAS1，PIAS3，具有α和β兩種形式的PIASx以及PIASy。PIA基因功能的缺失，會導致果蠅和線蟲的胚胎死亡，同時伴有形態異常。PIA缺失的細胞也同樣會嚴重影響細胞中染色體的分離以及端粒的聚集等現象。但是研究表明，如果把小鼠的PIASx或者是PIASy基因敲除，并不會影響到小鼠的發育，甚至沒有影響到與SUMO化修飾相關的細胞功能。通過該結果可以看出，在小鼠中SUMO E3酶對于SUMO化的修飾并不是必需的[16-18]。

4 SUMO蛋白酶

在細胞中，SUMO化過程是一個可逆的動態過程，主要是由SUMO化與去SUMO化共同完成的。去SUMO化是指在SUMO特異性蛋白酶(SUMO-specific proteases，也可以稱為異肽酶)的作用下，將SUMO與靶蛋白之間的異肽鍵切除，從而釋放出游離SUMO的過程[14]。在這一可逆的過程中，異肽酶主要有三種重要的作用。首先，它可以去除靶蛋白上的SUMO，從而使SUMO游離出來，進入到下一次循環中;其次，它在使SUMO自由化的過程中，對靶蛋白也有調控作用;第三，在SUMO成熟過程中，它可以切割未成熟SUMO末端的數個氨基酸，從而暴露出雙甘氨酸，使SUMO變成成熟的形態。目前研究表明，自由態的SUMO主要有兩個來源:從頭合成途徑以及去SUMO化途徑。

迄今，人們已經發現了在哺乳動物細胞中至少含有七種不同的去SUMO化的酶，被稱之為SENP(SUMO/sentrin-specific protease)，它們是由細胞中的六種基因編碼的[19]。在小鼠中如果 SENP1缺失，會導致小鼠由于胎盤異常而產生胚胎死亡[20]。除此之外，研究還發現哺乳動物的SENP2定位于核孔復合體中，SENP5在核中十分豐富，SENP1在核間質中穿梭，SENP6在核中以及胞質中都有存在[14]。

SUMO化修飾是一個可逆的過程，同SUMO化一樣，去SUMO化過程在細胞中也同樣起著十分重要的作用。例如，缺氧誘導因子-1α(HIF-1α)是一種可以被SUMO化的蛋白，SENP1可以使HIF-1α去SUMO化，從而使該蛋白保持穩定，并且同SUMO調節一樣，這種去HIF-1α的去SUMO化調節也是有嚴格的反應機制的[21-25]。

5 展望

SUMOylation對于維持細胞內環境穩定的重要性已經越來越多的被大家所認識，而調節該過程的酶在細胞中起著十分重要的作用。因此對于這些酶的研究必然會為我們今后研究某些疾病提供寶貴的資料與依據。

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