新型SUMO E3連接酶PIAL1和PIAL2的研究綜述

摘? 要? SUMO是類似于泛素的蛋白質修飾方式，可以參與調節植物對逆境反應、病源防御、脫落酸信號傳遞以及成花誘導等許多過程，是植物正常生長發育中必不可少的修飾方式之一。PIAL1和PIAL2是SUMO中新型的E3連接酶，可以增強SUMO鏈的形成，本文就其研究進展作一簡要介紹。

關鍵詞? SUMO? E3連接酶? PIAL1? PIAL2

植物的生長發育過程中會遭受干旱、極端溫度、強光等非生物脅迫，影響植物的正常生理活動和生長發育。蛋白質的翻譯后修飾（Post-translational modification，PTM）在對蛋白質的折疊、細胞內定位、穩定性及正確行使功能等方面發揮著重要的作用，可以引起穩定性、活性、相互作用或亞細胞定位的改變，是調節植物生長發育和脅迫應答的關鍵機制[1]。

類泛素化修飾（Sumoylation）是小泛素相關修飾物（small ubiquitin-like odifimer，SUMO）與底物蛋白結合的植物中一種必不可少的蛋白質翻譯后修飾。SUMO化修飾是一個動態、可逆的過程，包括SUMO化和去SUMO化兩部分。SUMO蛋白通過由SUMO活化酶E1（SAE），SUMO結合酶E2（SCE）和SUMO連接酶E3等組分與底物蛋白共價連接。SUMO E1激活酶通過形成硫酯鍵將底物轉移至SUMO E2結合酶上催化SUMO羧基末端的活化。SCE可以單獨使用，也可以借助E3連接酶將SUMO羧基末端與底物中的賴氨酸ε-氨基連接。SUMO可以修飾多種蛋白質，其中重點是細胞核蛋白質，底物通常帶有單個SUMO部分。SUMO化可以調控干旱，低溫和干旱等多種脅迫，也在生長，開花時間，配子體發育和根系生長等發育過程方面發揮作用[2]。在最近的研究中發現，SUMO化在SUMO鏈的結合方面也具有生理作用。

擬南芥中有三種SUMO E1活化酶（SAE1a，SAE1b和SAE2），兩種SUMO E2結合酶（SCE1a和SCE1b）和四種SUMO E3連接酶（SIZ1，HPY2，PIAL1和PIAL2）[3]。對這些成分有缺陷的突變體的分析表明，它們不僅是生長和發育所必需的，而且是對多種脅迫的反應所必需的。本文對SUMO E3連接酶PIAL1和PIAL2的結構和功能進行綜述，對后續研究PIAL1和PIAL2在植物的SUMO化中的功能研究奠定基礎。

1.PIAL1和PIAL2的結構

四種SUMO E3連接酶均包含一個SP（SIZ-PIAS）-RING（也稱為zf-MIZ）結構域，該結構通常存在于SUMO E3連接酶中，并且在植物中是保守的。SP-RING是一個 C2HC3鋅指結構域，可以賦予SUMO E3連接酶催化功能的結構域，促進其與SUMO E2結合酶SCE1 結合。但在SP-RING結構域中只有一個能夠與鋅離子結合成環的位點，另一個位點可能被氫鍵和范德華力所替代，從而來保證整個結構的穩定性。PIAL1和PIAL2屬于一個包括 PIAS 成員（蛋白質抑制劑活性 STAT）的家族，最初發現了作為抑制劑的 STAT 轉錄因子，后被發現可以作為SUMO E3連接酶發揮功能。

2.PIAL1和PIAL2的功能

研究發現，PIAL1和PIAL2在體外可以增強SUMO鏈的形成，即SUMO-SUMO異肽鍵。PIAL1的轉錄因受熱而增加，而PIAL2的轉錄因鹽和滲透脅迫而瞬時增加。對于突變體分析發現，PIAL1和2有助于調節鹽脅迫和滲透脅迫反應，并參與硫酸鹽同化和硫代謝，并且在一定程度上存在功能重疊。在標準溫室條件下，pial1或pial2單突變體或雙重突變體均未顯示任何明顯的生長差異。在鹽脅迫的情況下，pial1 pial2雙突變體的生長比野生型更好，生長狀態與非脅迫的野生型相似，具有更高的鮮重。相反，這些在滲透條件下維持生長的能力較弱。在siz1背景中，PIAL的缺失會加劇siz1對應激激素ABA的超敏性，pial1 pial2和siz1 pial1 pial2突變體組合還減少了siz1突變體在土壤上的生長，這表明siz1突變體對PIAL功能喪失特別敏感。對于糖代謝的分析，siz1的葡萄糖含量降低，而pial1 pial2的葡萄糖含量正常。蘋果酸在siz1中增加，在pial1 pial2中增加，而果糖在siz1中正常，但是在pial1 pial2中增加。 對于兩種主要的營養離子，硝酸根和硫酸根。siz1突變體的硝酸鹽含量增加，而在pial1 pial2植物中，其含量略有降低。在硫酸鹽代謝中，pial1 pial2突變體中大多數硫代謝基因被下調。在體外實驗中，PIAL1和PIAL2均可增加體外SUMO鏈形成的程度。在高濃度的SUMO結合酶SCE1下，SUMO鏈的增強更是相對明顯。

3.展望

SUMO化是一種可以響應多種非生物脅迫和信號途徑的復雜調控機制，在植物的生長發育和生理活動中發揮重要作用。PIAL1和PIAL2是一種新型的E3連接酶，可以增加SUMO鏈的形成，也參與多種信號途徑，本文對其研究進展作一綜述，為后續研究PIAL1和PIAL2的功能研究奠定基礎。

參考文獻：

[1] Park B. S.， Song J. T.， Seo H. S.. Arabidopsis nitrate reductase activity is stimulated by the E3 SUMO ligase AtSIZ1. Nat. Commun.， 2011， 2： 400.

[2] Kurepa J.， Walker J. M.， Smalle J.， et al. The small ubiquitin-like modifier （SUMO） protein modification system in Arabidopsis Accumulation of SUMO1 and-2 conjugates is increased by stress.? J.? Biol. Chem.， 2003， 278： 6862-6872.

[3] Ishida， T.， Yoshimura， M.， Miura， K.， and Sugimoto， K. （2012）. MMS21/HPY2 and SIZ1， two Arabidopsis SUMO E3 ligases， have distinct functions in development. PLoS ONE 7： e46897.

[4] Tomanov， K.， Zeschmann， A.， Hermkes， R.， Eiflfler， K.， Ziba， I.， Grieco， M.， Novatchkova， M.， Hofmann， K.， Hesse， H.， and Bachmair， A. （2014）. Arabidopsis PIAL1 and 2 promote SUMO chain formation as E4-type SUMO ligases and are involved in stress responses and sulfur metabolism. Plant Cell 26： 4547–4560.

[5] Han Y F ， Zhao Q Y ， Dang L L ， et al. The SUMO E3 ligase-like proteins PIAL1 and PIAL2 interact with MOM1 and form a novel complex required for transcriptional silencing[J]. Plant Cell， 2016：1215.

陳明聰 遼寧師范大學