SUMO化在中樞神經系統疾病中的作用機制研究進展

王大鵬綜述， 海 艦審校

小泛素化修飾蛋白(small ubiquitin-related modifier,SUMO)是一類高度保守的由97個氨基酸殘基組成的多肽，分為SUMO1、SUMO2、SUMO3和SUMO4，參與蛋白質翻譯后修飾。SUMO修飾蛋白質的過程稱為SUMO化修飾(SUMOylation)，SUMOylation參與調節細胞分化、細胞周期、核轉錄、蛋白間的相互作用、DNA修復等多種病理生理過程[1]。目前研究表明SUMO化與心臟病、癌癥、CNS疾病的發生密切相關，然而其作用機制并不清楚[2]。本文重點對SUMOylation在CNS腫瘤、神經退行性疾病和缺血性腦損傷的發生發展中的作用機制綜述如下。

1 SUMO結構、分布和功能

SUMO相對分子量約為11000 kDa，從結構上分析SUMO與泛素有18%的同源相似性，不同點在于SUMO的分子序列末端，比泛素分子的氨基酸序列多22個氨基酸殘基[3]。SUMO分子可共價結合底物的賴氨酸(Lys)殘基，與靶蛋白相互活化、結合、連接或解離。SUMO的底物大部分存在真核細胞核內，包括啟動子、轉錄因子以及部分調節因子。在哺乳動物中，SUMO1、SUMO2、SUMO3和SUMO4的分布和功能存在差異，SUMO1～3在各個組織中均有表達，SUMO4在腎臟、脾臟和淋巴結表達。SUMO1主要修飾多數蛋白質；SUMO2/3具有高度同源相似性(約87%)，主要修飾應激蛋白；SUMO4主要修飾免疫性疾病和糖尿病相關蛋白[4]。

蛋白的SUMOylation受E1活化酶(SAEl/SAE2)、E2結合酶(Ubc9)和E3連接酶(PIASs)調節，其中E1活化酶是由Aosl和Uba2組成的異源性二聚體共同發揮作用；Ubc9是SUMO1與靶蛋白結合的關鍵酶；E3連接酶并不直接與SUMO結合，主要通過活化Ubc9，增加SUMO羧基末端甘氨酸(Gly)與靶蛋白Lys殘基異肽鏈連接的特異性和效率[5]。SUMOylation是重要的蛋白質翻譯后修飾形式之一，調節蛋白的結構、增強蛋白質的活性和功能穩定性。蛋白的SUMOylation是其功能完整的基礎，但并不是所有的蛋白都進行SUMOylation，該過程消耗ATP且競爭磷酸化作用。另外，SUMOylation還是一個可逆的過程。去SUMO化(deSUMOylation)主要由SUMO特異性蛋白酶類(SUMO-specific proteases,SENPs)調控。目前人類中發現6種SENPs：SENP1、SENP2、SENP3、SENP5、SENP6和SENP7[6]。SENPs類似一個“開關”，調控SUMOylation和deSUMOylation的動態平衡，既可作用于SUMO前體，暴露其Gly殘基，促進SUMO與底物的結合；又可抑制SUMO2/3，將SUMO與靶蛋白解離。SUMOylation和deSUMOylation的失衡可導致多種CNS疾病的發生。

2 SUMOylation與CNS腫瘤

蛋白后修飾是細胞信號通路調節機制的重要組成部分，促進細胞適應內環境的改變。SUMO以及SENPs參與調控多種細胞信號通路，如磷脂酰肌醇-3激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3-kinase/Protein Kinase B,PI3K/Akt)、HIF-1α/VEGF-A和核轉錄因子κB (nuclear factor κB，NF-κB)信號通路等，影響CNS腫瘤的生物學行為[7,8]。

2.1 SUMOylation與膠質瘤 SUMO和Ubc9的表達水平隨膠質瘤級別的增加而增加，抑制SUMO可抑制膠質瘤細胞DNA合成和mRNA代謝，影響正常的細胞周期和蛋白功能。細胞周期蛋白激酶6(cyclin-dependent kinase 6,CDK6)在膠質母細胞瘤中可被SUMO1修飾，Lys216位的SUMO化抑制其在Lys147位的泛素化，進一步抑制泛素介導的CDK6降解，促進細胞的增殖[9]。聚嘧啶多肽結合蛋白2 (polypyrimidine tract-binding protein 2,PTBP2)影響mRNA前體加工以及mRNA代謝和轉運。在T98G膠質瘤細胞系中，Ubc9顯著增強PTBP2的SUMO1修飾，其SUMOylation位點是Lys137位，但該位點容易發生突變影響蛋白的穩定性。另外SENPs也影響膠質瘤細胞的增殖與侵襲。在膠質母細胞瘤中，敲除SENP2可增強NF-κB調節因子的SUMOylation水平，促進細胞的存活和侵襲，而抑制SENP1可抑制AKT的磷酸化；在LN-299膠質瘤細胞系中，SENP1表達的下調可促進細胞凋亡[10]。

2.2 SUMOylation與垂體腺瘤 SUMO1在侵襲性垂體腺瘤中的表達水平明顯高于非侵襲垂體腺瘤和正常垂體包膜組織，表明SUMO1可促進垂體腺瘤的侵襲，作用機制與RWD結構修飾增強子(RWD-domain-containing sumoylation enhancer,RSUME)高表達有關[10]。RSUME有增強SUMOylation水平的作用，通過穩定HIF-1α和VEGF-A的表達及轉錄活性，促進垂體腺瘤的血管新生和侵襲[11]。相反，有研究報道RSUME可促進抑制分子kappa B(inhibitor kappa B,IκB)的Lys21、22位的SUMO化，IκB活性及功能增強后抑制了NF-κB，進一步抑制細胞DNA合成，因此有抗炎、抗腫瘤細胞生長的作用[12]。綜上，RSUME或SUMO在一定程度上調控垂體腺瘤的生物學行為，為腫瘤的治療提供了新的分子作用靶點。

3 SUMOylation與神經退行性疾病

神經退行性疾病是一類以特定神經元慢性變性、丟失，進展性的記憶和(或)運作障礙為特征的疾病。SUMOylation對維持神經細胞生長、突觸可塑性、線粒體功能和蛋白磷酸化等起著重要的作用，與阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)、帕金森病(Parkinson disease，PD)、亨廷頓病(Huntington’s disease，HD)、肌萎縮性脊髓側索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)和脊髓小腦共濟失調癥(spinocerebellar ataxia，SCA)等病變的發生密切相關[13]。

3.1 SUMOylation與AD AD是最常見的癡呆性疾病，全球有4700萬人口遭受AD的困擾，給家庭和社會帶來巨大的經濟和心理負擔[14]。其病理改變包括β-淀粉樣肽(β-amyloid peptide，Aβ)沉積、神經元纖維纏結、神經元變性丟失、tau蛋白過度磷酸化等。在上述重要的病理改變中，Aβ和tau的異常蓄積認為是關鍵兩個致病因素。Aβ的代謝與膜內淀粉樣前體蛋白(Amyloid precursor protein，APP)有關，APP的587、595 位Lys殘基是SUMO1和2的修飾位點，可減少Aβ的沉積；過表達的E2酶Ubc9也可促進Aβ的降解[15]。在APP/PS1 AD動物模型中，Ubc9蛋白和mRNA水平顯著增高，影響突觸后密度蛋白質95的表達和突觸傳導；在Tg2576動物模型中，雖然SENP1和Ubc9的表達無明顯改變，但SUMO1表達增加，促進Aβ的沉積，加重神經損傷[16]。另外，tau蛋白的340位的Lys殘基可被SUMO1修飾，SUMO可競爭性結合tau蛋白的磷酸化位點，改變蛋白構象。此外，SUMO1還可以下調膠質纖維酸性蛋白的表達，抑制膠質細胞的活化；神經元凋亡也與SENP2減少所致的線粒體功能破壞有關[17]。

3.2 SUMOylation與PD PD是一種緩慢進展的運動神經系統疾病，癥狀表現為顫抖、肢體僵硬、運動功能減退、步態異常，病情嚴重者可進展為癡呆或精神異常。多數PD患者發病機制并不清楚，目前已證實基因突變編碼的α-突觸核蛋白、帕金蛋白(Parkin) 和DJ-1參與了其發病。α-突觸核蛋白有兩個SUMO位點：Lys96和102位，其中102位主要由SUMO1修飾。PD中α-突觸核蛋白SUMOylation異常聚集可產生毒素效應，誘導細胞凋亡[18]。Parkin的SUMO化異常表現為該蛋白與 SUMO1非共價結合，增加E3連接酶的活性。在早發性PD病例中，DJ-1的Lys130位可被SUMO修飾，但因DJ-1突變，導致DJ-1多重位點發生SUMOylation，降低了DJ-1的溶解度，破壞了細胞的生長[19]。

3.3 SUMOylation與HD HD是一種常染色體顯性遺傳疾病，病因與4號染色上體亨廷頓基因中CAG 序列大量重復有關，引起亨廷頓蛋白(Huntingtin protein，Htt)的N端多聚谷氨酰胺序列異常增大，導致突變型Htt在神經細胞內異常聚積，病發時無法控制四肢，并伴隨認知和運動功能緩慢減退。Htt的N端Lys 6、9、15位是SUMO化修飾的位點。SUMOylation可引起由Htt介導的轉錄抑制的增加，降低突變型Htt的積累。最新研究表明Htt的SUMOylation并不一定減少細胞毒性，SUMO的效應受其位點的影響，可能與Htt的泛素化和SUMO化的修飾位點一致，二者存在競爭拮抗關系有關；另一可能與紋狀體大量表達的Rhes(小G蛋白超家族的亞家族成員)對E3連接酶的調控有關[20]。

3.4 SUMOylation與ALS 引發ALS最常見的是人類21號染色體上的超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1,SOD1)基因突變。SOD1的SUMO位點是Lys67和75位，可被SUMO1、SUMO2/3修飾，其中僅SUMO3可增加SOD1的缺陷(功能性缺失或增添)，具體表現為自由基積累或細胞毒性物質增加；突變SOD1還可破壞線粒體、蛋白酶體以及分子伴侶的功能[21]。ALS的另一病因與興奮性氨基酸轉運蛋白2(excitatory amino acid transporter 2，EAAT2)有關。在SOD1-G93A小鼠ALS模型中，EAAT2羧基末端結構域與SUMO1接合，可引起脊髓膠質細胞源性的神經毒性作用[22]。

3.5 SUMOylation與SCA SCA以漸進性的步伐不協調為主要臨床表現，常伴有手、眼部活動失調和小腦萎縮，其發病與共濟失調蛋白(Ataxin)突變、生化酶缺乏及DNA修復功能異常等有關。Ataxin1有5個SUMOylation位點，分別是Lys16、194、610、697、746位；Ataxin3和Ataxin7也被證實可發生SUMOylation，其位點分別是Lys166位和Lys257位[13]。Ataxin的SUMO化水平影響其在細胞核的定位，增加的SUMO1和Ubc2可促進Ataxin在細胞質積聚。突變的Ataxin1其SUMOylation水平減少，且Ataxin1的SUMOylation可被JNK磷酸化抑制；突變的Ataxin3和Ataxin7可引起caspase-3表達增加，促進細胞凋亡[23]。

4 SUMOylation與缺血性腦血管病

短暫性腦缺血或卒中可激活多種蛋白質的修飾作用，卒中后SUMO2/3水平的增高表明SUMO化影響腦缺血的發展。敲除SUMO1～3后，基因組微陣列分析小鼠海馬CA1區，發現多達400種基因的轉錄水平異常上調，小鼠的神經功能下降[24]。在大腦中動脈閉塞的大鼠模型中，SUMO2/3在缺血早期有一定的神經保護作用，過表達Ubc9可保護大腦局灶性缺血[25]。在皮質神經元中，除SUMO-1或Ubc9的過表達可增加細胞對氧和葡萄糖剝奪的耐受外， miRNA182(miR182、miR183、miR96)和miRNA200(miR200a、b、c、miR141、miR429)上調SUMOylation也有同樣的作用[26]。另外，SUMO化也調控神經元對慢性腦缺血的反應機制。SENP1～7在CNS中廣泛表達，調節神經元和突觸的活動。慢性腦缺血引起活性氧(reactive oxygen species,ROS)的蓄積，ROS進一步上調SENPs的表達，其中過表達SENP3引起神經血管單元的損傷，抑制SENP3可明顯改善缺血性認知功能障礙[27]。在腦外傷、脊髓損傷和蛛網膜下腔出血的動物模型中，神經元、星型膠質細胞過度表達SENP3，SENP3通過上調發動蛋白相關蛋白1(dynamin-related protein 1,Drp1)促進caspase-3的表達，誘導神經細胞凋亡[28]。

另外，糖原合成酶激酶-3β (Glycogen synthase kinase 3β,GSK-3β)、Sirtuin 1和糖皮質激素受體的SUMOylation異常可促進神經細胞凋亡。雌激素受體-β (estrogen receptor β,ER-β)的SUMO化則可以抑制膠質細胞活性，減少膠質細胞源性神經毒物的產生，減弱炎癥引起的神經損傷[29]。另外，E2-25K是一種E2結合酶，其SUMO化位點是Lys14位，該酶的SUMOylation異常可加重缺血再灌注所致的神經炎癥損傷[30]。熱休克蛋白1(heat shock factor protein 1,HSF1)的Lys298位，是SUMO1的修飾位點，SUMO化后可增強其與DNA的結合能力，減少ROS對神經元的損傷[29]。目前，越來越多的研究認為SUMO化在缺血性腦損傷中有一定的神經保護作用。

5 結 論

SUMOylation具有復雜性、多樣性和動態性的特點，參與調控多種細胞信號傳導通路，對蛋白質的定位、變構和加工成熟有重要的作用。SUMOylation或deSUMOylation異常與多種CNS疾病的發生密切相關，因此研究蛋白質的SUMOylation，有助于在分子水平上揭示疾病的發病機制和SUMO的調控作用機制，為疾病的治療提供新思路。