SUMO化修飾在精子發生過程中的作用

欒家妍，李 朋，韓邦旻

上海交通大學醫學院附屬第一人民醫院泌尿外科臨床醫學中心，上海 200080

精子發生是一個連續而復雜的過程，其從原始生殖細胞分化為精原干細胞開始，經歷精原細胞自我更新、增殖和分化，精母細胞減數分裂和精子變形，最終形成精子。其中，任一環節出現問題都可能導致精子發生異常，表現為少弱畸精子癥，嚴重時則會導致無精子癥。精子發生異?？捎蛇z傳因素和表觀遺傳因素引起，前者包括染色體異常、Y 染色體微缺失、致病基因突變等，后者包括非編碼RNA 對染色質的重塑［1-4］、DNA 甲基化修飾、組蛋白翻譯后修飾［5］等。SUMO 化修飾（SUMOylation）作為一種蛋白質翻譯后修飾方式，通過在一系列特定酶的作用下，使底物蛋白與小分子泛素相關修飾物 蛋 白 （small ubiquitin-related modifier protein，SUMO）相結合，從而調節細胞功能。由于底物蛋白不盡相同，SUMO 化修飾也發揮了不同作用。在精子發生過程中，SUMO 在精母細胞、延長形精子細胞和成熟精子中均有表達且表達水平各異，提示SUMO 化修飾可能參與了精子發生中的多個重要事件?；诖?，本文針對SUMO 化修飾在精子發生的不同階段中的作用進行介紹。

1 SUMO化修飾

SUMO化修飾是底物蛋白的賴氨酸殘基與SUMO形成異肽鍵的過程［6］，能夠調控一系列生物學事件，包括DNA 損傷修復、免疫應答、腫瘤免疫、細胞周期和凋亡等。在細胞中，SUMO 化修飾過程是可逆的，由SUMO 家族、SUMO 修飾酶系、SENP 家族共同參與完成。SUMO化修飾需經歷成熟、激活、結合和連接4 個步驟（圖1）。最初，SUMO 是無活性的SUMO 前體，經SUMO 特異性蛋白酶（sentrin/SUMO-specific protease，SENP）切割后，與SUMO E1 激活酶連接從而被激活；隨后，在E2 結合酶的作用下，其可通過異肽鍵連接到目標蛋白賴氨酸殘基上，形成底物、E2 結合酶、SUMO 的三者復合物；最后，E3 連接酶與該復合物結合，促進復合物中E2結合酶的解離，從而使SUMO 與底物連接得更為直接且緊密。同時， SENP 家族成員可切斷底物與SUMO的異肽鍵，完成去SUMO化。

圖1 SUMO化修飾與去SUMO化修飾的基本過程Fig 1 Basic process of SUMOylation and deSUMOylation

2 SUMO家族在精子發生中的作用

1996 年SUMO 被首次發現，且相關報道［7］顯示其三維結構與泛素相似，僅在氨基酸序列和表面結構分布上存在差異。在哺乳動物中，參與SUMO 化修飾的SUMO 家族主要包括4 個成員，即SUMO1、SUMO2、SUMO3 和SUMO4；其 中，SUMO2 和SUMO3 具有高度同源性（約97%），常被統稱為SUMO2/3；而SUMO4 僅表達于腎臟、肝臟和淋巴結中［8］。

2.1 SUMO1在精子發生中的作用

SUMO1 主要作用于精母細胞的第一次減數分裂過程，影響染色體聯會［9］。在第一次減數分裂前期，SUMO1 表達始于偶線期，隨后在粗線期表達增多，直至雙線期停止。同時，SUMO1 定位于粗線期的染色質軸上；在粗線期的早期，主要呈線性模式表達，與聯會復合體共定位于所有染色體上；而在粗線期的后期，可孤立表達于9 號、1 號染色體著絲粒區域的異染色質上［10］。9 號染色體著絲粒區域是最后發生聯會的區域，如聯會出現異常則將導致精子發生過程停滯［11］，且多數不育男性的9 號、1 號染色體均存在異常［12］，因此推測SUMO1 在9 號染色體的表達可能會影響精子發育過程。此外，在不育癥患者的樣本中發現，即使異染色質聯會不連續甚至受阻，SUMO 化修飾依然存在，精母細胞仍可發育至粗線期［13］，因此SUMO （特別是SUMO1） 可能是一個保護性蛋白。同時，有研究［14］在雙鏈DNA 斷裂位點發現了SUMO1 的表達，進一步證明SUMO1 在染色體重組中發揮了一定的作用。另有研究［15-16］發現，SUMO 可能與泛素共同影響精母細胞的第一次減數分裂，并參與調節染色體軸的組裝和聯會；由于泛素可促使蛋白發生降解，繼而提示在此階段SUMO 化修飾可能發揮了保證精母細胞發育的作用。

在精子變形過程中，SUMO1可影響線粒體功能。在延長形精子細胞中，SUMO1 主要定位于精子的頭部、頸部和中段［17］，特別是中段的線粒體之中?？紤]到外膜線粒體錨定蛋白連接酶作為SUMO E3連接酶，可通過SUMO 化修飾的動力相關蛋白1促進線粒體分裂［18］，而在無精子、弱精子受試者參與的研究［19］中證實，精子表達的SUMO1越多，精子運動能力越差，繼而推測SUMO1 可能通過裂解線粒體而影響精子活力，但還需進一步的研究驗證。

此外，Sertoli 細胞也可受到SUMO1 的影響。在Sertoli 細胞的細胞核中，雄激素受體（androgen receptor，AR）經SUMO 化修飾后，其轉錄活性受到抑制；而在體外抑制了SUMO 化修飾作用后，小鼠和人類的Sertoli 細胞均會發生凋亡［20］。這提示SUMO1和AR均可影響Sertoli細胞，特別是Sertoli細胞中的雄激素依賴性轉錄活動。在梗阻性無精子癥患者中，Sertoli細胞核仁內的SUMO1表達缺乏、AR表達大量存在；而在生精阻滯的非梗阻性無精子癥患者中，二者的表達均極低［21］；由此可以推斷，SUMO1和AR 的表達異常可能直接影響Sertoli 細胞的功能，從而導致男性不育，但具體機制尚不明確。

2.2 SUMO2/3在精子發生中的作用

在精子發生過程中SUMO2/3 先于SUMO1 表達，即在細線期和偶線期均可檢測到［22］。研究［10］發現，SUMO2/3主要集中表達于9號染色體著絲粒處，少量呈灶性或彌散分布于其余常染色體著絲粒處。且在Sumo1敲除小鼠中，其睪丸生精功能正常［8］。因此，我們推測SUMO2/3 可能代償SUMO1 的功能或獨立發揮作用，但具體機制尚不清楚。

YANG等［23］發現，非洲綠猴腎成纖維細胞COS7內含有豐富的、未結合的SUMO2/3，當細胞受到損傷刺激后，SUMO化修飾的蛋白質將明顯增加，參與細胞應激反應。SHRIVASTAVA 等［24］發現，吸煙產生的氧化反應可損傷精子細胞，而此時精子細胞中SUMO2/3的表達也會增加。且當精子細胞發生形態或功能的異常時，SUMO常在精子頸部過度表達［25］。因此，SUMO2/3 的表達或與精子細胞損傷程度呈正相關，這可能是導致不育的潛在因素之一。

3 SUMO 化修飾酶系在精子發生中的作用

3.1 SUMO E1激活酶在精子發生中的作用

SUMO E1 激活酶 是由SAE1 和UBA2 共2 個亞基組成的異二聚體，其活性位點位于亞基UBA2上，可與SUMO 結合。SUMO 前體被SENP 切割后，與UBA2 上的活性位點發生結合，從而激活SUMO。在細胞的SUMO 化修飾過程中，SUMO E1 激活酶發揮作用是第一步，而該步驟一旦被抑制，SUMO將無法被活化，繼而使得SUMO1 和SUMO2/3 無法與底物連接，導致SUMO 化修飾無法進行。目前，有關SUMO E1激活酶在精子發生中的相關研究較少。

3.2 SUMO E2結合酶在精子發生中的作用

Ubc9 是目前發現的、唯一的SUMO E2 結合酶［26］。在 精 子 發 生 中，Ubc9 的 定 位 與SUMO1、SUMO2/3 相似，主要表達于粗線期和雙線期的聯會復合體和XY 小體內［27-28］。在Ubc9敲除小鼠的囊胚細胞中染色質高度濃縮，染色體在后期分離時出現錯誤，導致非整倍體產生從而影響細胞的有絲分裂，最終導致細胞凋亡；同時，Ubc9 的缺失還會阻礙囊胚內細胞SUMO 化修飾的進行，導致細胞核結構和物質運輸能力受損，進而影響胚胎存活［29］。

3.3 SUMO E3連接酶的作用

研究［7］顯示，SUMO E3 連接酶可提高SUMO E2 結合酶促進SUMO 與底物分子相結合的能力，以及SUMO 化修飾的效率。近年來，SUMO E3 連接酶在精子發生中的作用備受關注。

在哺乳動物中，活化STAT 的蛋白抑制劑（protein inhibitor of activated STAT，PIAS）是最早被發現且研究最為廣泛的SUMO E3 連接酶家族成員。PIAS 家族由至少5 個成員組成，分別是PIAS1、PIAS3、PIASy 和PIASx，其中PIASx 又分為PIASxα和PIASxβ共2個亞類［30-32］。

（1）碼頭拆除分區清挖順序：4區不受地基處理影響，開工后先施工4區，5區在地基滿足強度要求后立即進行開挖。施工順序為4區→其他→5區，由下游往上游施工。

在新生大鼠睪丸中，PIASx 和PIAS1 的表達較低，僅見于少量的精原細胞內；隨著大鼠睪丸的發育，PIASx 主要表達于精母細胞中，而PIAS1 表達晚于PIASx，主要在晚期精母細胞和圓形精子細胞中，之后二者表達量逐漸遞增［33-34］；當大鼠睪丸發育成熟后，二者僅局限表達于Sertoli 細胞和精母細胞中。有研究［35］發現，Piasx被敲除后小鼠能夠存活且仍具有一定的生育能力，但睪丸重量明顯減少，精子細胞凋亡異常增加。此外，PIASx 和PIAS1 還可介導信號轉導蛋白和轉錄激活物1 （signal transducer and activator of transcription 1，STAT1） 的SUMO 化 修飾［36］，調節Sertoli 細胞中的AR 的轉錄活性；同時，PIAS1 也被證實為男性前列腺癌的影響因素之一［37］，這可能也與其對AR 的影響有關。在精子發生過程中，PIAS1 和PIASx 可通過多種方式發揮重要作用，主要表現為調控精母細胞減數分裂和AR的功能。

SUMO 化修飾的RET 指蛋白（RET finger protein，RFP）高表達于人類的多種腫瘤細胞系和雄性生殖細胞中，并與精子發生有關［38-39］。且有研究［40］證實，RFP、PIASy和SUMO1定位于小鼠睪丸的精母細胞的XY 小體中。由于在粗線期性染色體形成XY 小體可抑制X 和Y 染色體編碼的基因表達，因此推測SUMO 化修飾可能增強RFP 的轉錄抑制作用，從而有助于基因沉默，促進XY小體的形成。

4 SENP家族在精子發生中的作用

SENP 家族可通過切割SUMO 和底物之間的異肽鍵使底物去SUMO化修飾，以維持目標蛋白的SUMO化和去SUMO化的動態平衡。在哺乳動物中，目前已知的SENP家族成員有SENP 1～3、SENP 5～7，可分為3 個亞家族；其中，亞家族1 包括SENP1 和SENP2，可解離SUMO1 和SUMO2/3；亞家族2 包括SENP3 和SENP5，可解離SUMO2/3 與底物的共價結合［41］；亞家族3 包括SENP6 和SENP7，可分解SUMO2/3 聚合鏈［42］。此外，SENP 家族（主要是SENP1 和SENP2）還可切割SUMO 前體，從而在SUMO E1 激活酶的作用下使SUMO發生活化［43］。SENP家族對SUMO化修飾的調節還會影響細胞的功能，研究［44］發現SUMO化修飾可抑制基因的表達，而SENP 家族的去SUMO化修飾能夠再次激活被抑制的基因。

目前，相關研究對SENP 家族在精子發生過程中的定位及作用底物已有了初步認識。SENP1、SENP2和SENP6 的表達模式與SUMO2/3、SAE1/UBA2 和Ubc9 相同，即在精母細胞第一次減數分裂前期的細線期、偶線期、粗線期表達持續增加，而在圓形精子細胞中表達較低。SENP5 在該細胞第一次減數分裂前期的細線期、偶線期的表達低于粗線期，但粗線期前后其表達量沒有變化，這和SUMO1 的表達模式相類似［45］。SENP3 和SENP7 在該細胞第一次減數分裂前期的細線期和偶線期表達最為豐富，之后隨著精子細胞的成熟而表達下降［27］，這與PIAS1、PIASx 和PIASy 的表達模式相反［45］。上述這些表達差異再次提示，SUMO 化修飾在精子發生過程中呈動態變化，雖然其詳細的作用機制尚不明確，但可以推測SENP1、SENP 2 從精子發生早期即開始表達，解離SUMO1 和SUMO2/3，以促進二者各自發揮作用；在發育過程中，SENP5 解離SUMO2/3 與底物，使SUMO2/3 恢復未結合狀態以應對細胞應激，同時避免過量SUMO2/3 損傷精子細胞，或促進SUMO2/3 參與染色體聯會；在精子形成后期，SENP3、SENP7的表達較少，與SUMO2/3 此時表達穩定相符。此外，SENP3 的作用也不局限于去SUMO 化修飾。研究［46］發現，在成年小鼠的Sertoli細胞中，SENP3可通過調節STAT3 的轉錄活性，影響血睪屏障（blood-testis barrier，BTB）的基因表達；且在Senp3敲除小鼠的睪丸內肌動蛋白會發生解聚［47］，而肌動蛋白是BTB的超微結構。因此，SENP3 的缺失會影響BTB 的緊密連接，從而影響BTB對精子細胞的保護作用。

5 總結與展望

SUMO化修飾參與了精子發生過程中的多個重要事件。首先，SUMO化修飾可作用于精母細胞的第一次減數分裂，SUMO1、SUMO2/3 和Ubc9 參與染色體聯會，且PIASx、PIAS1 的表達有助于調控該減數分裂過程。其次，SUMO 化修飾可影響生精微環境，SUMO1、PIASx 和PIAS1 均 參 與 調 節Sertoli 細 胞 和AR 之間的關系，SENP3 有利于保證BTB 的緊密連接。同時，SUMO化修飾的過度或缺失均會導致精子發生過程的異常，但具體的分子機制尚未被明確，亟待進一步的相關研究加以證實。

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻/Authors'Contributions

韓邦旻負責文章設計及論文修改；欒家妍、李朋負責論文的寫作和修改。所有作者均閱讀并同意了最終稿件的提交。

The study was designed and the manuscript was revised by HAN Bangmin. The manuscript was drafted and revised by LUAN Jiayan and LI Peng. All authors have read the last version of paper and consented for submission.

·Received：2022-02-11

·Accepted：2022-07-01

·Published online：2022-07-28