SUMO化調(diào)節(jié)在深低溫停循環(huán)腦保護(hù)機(jī)制中的研究進(jìn)展

孫 鵬（綜述），吉冰洋，龍 村（審校）

·綜 述·

SUMO化調(diào)節(jié)在深低溫停循環(huán)腦保護(hù)機(jī)制中的研究進(jìn)展

孫 鵬（綜述），吉冰洋，龍 村（審校）

深低溫停循環(huán)；腦保護(hù)；SUMO化；SUMO蛋白

深低溫停循環(huán)（deep hypothermic circulatory arrest，DHCA）作為一種復(fù)雜的體外循環(huán)技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜先心病矯治和大血管手術(shù)，目的是為外科醫(yī)生提供清晰無血的術(shù)野。但應(yīng)用DHCA需要完全阻斷動脈血流，因此，會導(dǎo)致患者術(shù)后發(fā)生不同程度的一過性或永久性的神經(jīng)功能障礙［1］，主要包括術(shù)后精神錯亂、焦慮、瞻望、意識不清、中風(fēng)和昏迷等。有研究表明，DHCA后一過性和永久性的神經(jīng)功能障礙的發(fā)生率高達(dá)8%和9.3%［2］，因此，DHCA中如何避免和減輕缺血后腦損傷的研究成為目前研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的機(jī)制認(rèn)為在DHCA過程中通過應(yīng)用深度低溫降低缺血神經(jīng)細(xì)胞的能量代謝和低溫狀態(tài)下神經(jīng)細(xì)胞的ATP損耗，但其詳細(xì)機(jī)制未被完全闡明［3］。新近研究表明在低溫動物的大腦組織中發(fā)現(xiàn)大量的SUMO化（SUMOylation）調(diào)節(jié)，并證實(shí)SUMO化調(diào)節(jié)可增強(qiáng)神經(jīng)細(xì)胞對缺血性損傷的耐受性［4］。SUMO化調(diào)節(jié)是否與深度低溫減輕大腦組織神經(jīng)細(xì)胞損傷的分子機(jī)制相關(guān)，引起學(xué)者的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)就SUMO化調(diào)節(jié)與DHCA中腦保護(hù)機(jī)制的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 SUMO蛋白的簡述和分類

SUMO化調(diào)節(jié)是一種針對靶蛋白的翻譯后調(diào)節(jié)，SUMO蛋白（small ubiquitin-like modifier）通過共價鍵可逆的結(jié)合到靶蛋白上，通過多種酶促瀑布反應(yīng)，在細(xì)胞的生理調(diào)節(jié)中起重要作用。自1996年首次發(fā)現(xiàn)SUMO-1蛋白以來，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了SUMO-2、SUMO-3和SUMO-4蛋白［5］。SUMO-1又被稱為GMP1、UBL1、PIC1、sentrin和Smt3c［5-9］，分子量11kDa，獨(dú)立結(jié)合于調(diào)節(jié)DNA雙鏈交換的核絲狀蛋白RAD51/52上［6］。SUMO-1的功能是對核孔蛋白（Ran-GTPase-activating protein 1，RanGAP1）進(jìn)行共價鍵的SUMO化調(diào)節(jié)［5，10］。SUMO-2蛋白又被稱為sentrin2［11］、Smt3b和GMP相關(guān)蛋白［5，9］，SUMO-3蛋白又被稱為sentrin3和Smt3a［9，11］。SUMO-2和SUMO-3蛋白具有97%的同源性，僅N段3個殘基不同，抗體也無法區(qū)分二者差異，因此，二者常被稱為SUMO-2/3蛋白［12，13］。但SUMO-2/3與SUMO-1的同源性只有大約50%［12-13］。SUMO-4蛋白目前只發(fā)現(xiàn)于腎臟、淋巴結(jié)和脾臟［14-15］。由于SUMO-4蛋白在空間結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位有一個脯氨酸殘基，其是否具有結(jié)合到其他靶蛋白的功能，目前未得到闡明［16］。

2 SUMO化調(diào)節(jié)的結(jié)合與解離過程

SUMO蛋白在SUMO化調(diào)節(jié)的結(jié)合過程中首先轉(zhuǎn)錄成沒有活性的前體蛋白，該前體蛋白隨后被SUMO特異蛋白酶（sentrin/SUMO-specific protease，SENP）剪切，暴露出C端的二氨基乙酸模體，隨后經(jīng)活化與E1活化酶的活化位點(diǎn)形成ATP依賴的硫酯鍵?；罨说腟UMO蛋白通過SUMO化調(diào)節(jié)過程中唯一的一種E2結(jié)合酶Ubc9的半胱氨酸活化位點(diǎn)與Ubc9結(jié)合，最后通過E3連接酶將SUMO蛋白轉(zhuǎn)移至靶蛋白，完成SUMO化調(diào)節(jié)。SUMO化調(diào)節(jié)的解離過程由SUMO蛋白酶SENP介導(dǎo)，解離后的SUMO蛋白又可以重新與靶蛋白結(jié)合。這是一個快速動態(tài)可逆的循環(huán)過程［13，17］。

3 SUMO化調(diào)節(jié)的翻譯后修飾

SUMO化調(diào)節(jié)通過許多途徑來修飾其靶蛋白，在細(xì)胞周期調(diào)節(jié)、基因轉(zhuǎn)錄分化和細(xì)胞定位中起到重要作用。這種在翻譯后調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)穩(wěn)定性和功能的過程即為翻譯后修飾。SUMO化調(diào)節(jié)的翻譯后修飾主要包括泛素化、乙?；?、磷酸化、甲基化、糖基化等，起到調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)降解等多種作用［13，18］。

4 細(xì)胞應(yīng)激與SUMO化調(diào)節(jié)的激活

許多類型的細(xì)胞應(yīng)激均可引起SUMO化表達(dá)的增加。COS-7細(xì)胞（非洲綠猴腎細(xì)胞）在靜止?fàn)顟B(tài)下有大量游離的SUMO-2/3蛋白，但當(dāng)其受到熱應(yīng)激、乙醇及滲透性應(yīng)激時，導(dǎo)致SUMO-2/3化的普遍增加［19］。將細(xì)胞暴露于增高的溫度中，靶蛋白熱休克因子1會迅速與SUMO-1蛋白結(jié)合于賴氨酸298位點(diǎn)，以調(diào)節(jié)熱休克因子1的DNA結(jié)合能力，活化靶基因的轉(zhuǎn)錄［20］。氧化應(yīng)激對SUMO化的調(diào)節(jié)依據(jù)條件不同而方式不同。低濃度的活性氧通過直接抑制E1活化酶和E2結(jié)合酶Ubc9，導(dǎo)致SUMO-1和SUMO-2結(jié)合蛋白的迅速消失［21］。高濃度的活性氧通過可逆形成二硫化物，抑制SUMO蛋白酶SENP1活性，阻止SUMO結(jié)合蛋白的解離［22］。將細(xì)胞暴露于極低濃度的呼吸抑制劑亞砷酸鹽中，亦可導(dǎo)致SUMO結(jié)合蛋白濃度的大量升高［23］。與DHCA密切相關(guān)的細(xì)胞應(yīng)激為腦缺血和低溫。

5 腦缺血與SUMO化的激活

有學(xué)者模擬動物的冬眠過程，在降低地松鼠的心率、腦血流、腦血糖消耗和體溫后，使用蛋白質(zhì)印跡分析發(fā)現(xiàn)，動物大腦組織的大部分區(qū)域蛋白質(zhì)SUMO化水平升高，包括SUMO-1和SUMO-2/3化，同時伴有游離SUMO蛋白的減少，且SUMO化過程中唯一的一種E2結(jié)合酶Ubc9的濃度升高與SUMO化水平升高保持一致。冬眠過程結(jié)束后，SUMO結(jié)合蛋白的濃度也迅速下降，提示SUMO化與冬眠過程存在著緊密的聯(lián)系［4，24］。Zhao通過設(shè)計(jì)地松鼠的冬眠模型，亦發(fā)現(xiàn)了腦組織中SUMO化的高表達(dá)現(xiàn)象［25］。

氧/糖剝奪模型（oxygen/glucose deprivation，OGD）是一種離體的大腦缺血性模型，有學(xué)者在OGD模型中，通過使人骨髓神經(jīng)母細(xì)胞瘤（SHSY5Y）細(xì)胞的Ubc9過表達(dá)，發(fā)現(xiàn)SHSY5Y細(xì)胞對短暫的OGD耐受性明顯增強(qiáng)，而Ubc9是SUMO化中唯一的一種E2結(jié)合酶［26］。Lee等［4］對SHSY5Y細(xì)胞的OGD耐受性研究，亦發(fā)現(xiàn)了相同的結(jié)果，SHSY5Y細(xì)胞SUMO化的水平?jīng)Q定了其對OGD的耐受性。Lee等隨后又對大腦皮層神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行亞致死性的OGD預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)預(yù)處理過的大腦皮層神經(jīng)細(xì)胞對嚴(yán)重的OGD損傷的耐受性要遠(yuǎn)超過沒有進(jìn)行預(yù)處理的神經(jīng)細(xì)胞。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)SUMO-1化高表達(dá)可增強(qiáng)SHSY5Y細(xì)胞對OGD的耐受性，而去除或減少內(nèi)源性的SUMO-1使SHSY5Y細(xì)胞更易受OGD損傷；對大腦皮層神經(jīng)細(xì)胞做相同的處理，結(jié)果亦然［27］。Liam等發(fā)現(xiàn)進(jìn)行無損傷的OGD預(yù)處理后，細(xì)胞對嚴(yán)重的OGD損傷的耐受性提高，且SUMO-2/3化水平降低［28］。

Yang等結(jié)扎小鼠兩側(cè)頸總動脈將平均動脈壓降到30 mm Hg以下，維持10 min后進(jìn)行血流再灌注。在此短暫的前腦缺血模型中發(fā)現(xiàn)，大腦皮層和海馬組織的SUMO-2/3化水平明顯升高，伴游離SUMO-2/3濃度的降低。缺血再灌注損傷后E2結(jié)合酶Ubc9的濃度在海馬組織沒有變化，但在大腦皮層組織卻是降低的。產(chǎn)生這個矛盾可能的原因是在大腦皮層組織SUMO-2/3化水平升高，抑制了SUMO化的解離過程，從而推斷SUMO化過程中唯一的一種E2結(jié)合酶Ubc9，并非SUMO化的限制因素［23］。Yang等［29］隨后又在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，通過誘導(dǎo)局灶腦缺血，SUMO化表達(dá)最明顯的部位在頂葉皮層，位于腦膜中動脈支配區(qū)域邊緣處的神經(jīng)細(xì)胞，再次提出缺血后SUMO化的表達(dá)對神經(jīng)細(xì)胞具有保護(hù)作用。

6 低溫與SUMO化的激活

Lee等［4］通過麻醉地松鼠，保持其體溫在24℃，發(fā)現(xiàn)單純的低溫條件亦可出現(xiàn)SUMO化的高表達(dá)。有學(xué)者通過大鼠的體外循環(huán)模型將溫度分別控制在37℃和18℃，轉(zhuǎn)流1 h后取出大腦組織，通過蛋白質(zhì)印跡分析發(fā)現(xiàn)，深低溫組的大鼠腦組織中出現(xiàn)大量SUMO化的高表達(dá)，且SUMO-2/3化的變化顯著高于SUMO-1化，但常溫組的SUMO化表達(dá)沒有任何變化［30］。對細(xì)胞進(jìn)行OGD損傷處理前進(jìn)行30 min 4℃的預(yù)處理，可減少54%的SUMO-2/3化表達(dá)，并顯著減少細(xì)胞的死亡［28］。

7 結(jié) 語

綜上所述，SUMO化調(diào)節(jié)的高表達(dá)可增強(qiáng)神經(jīng)細(xì)胞在低溫狀態(tài)下對缺血性損傷的耐受性。而通過何種途徑激活SUMO化調(diào)節(jié)的高表達(dá)，發(fā)揮其內(nèi)源性的腦保護(hù)作用，可能是未來DHCA中腦保護(hù)的研究方向。

［1］ Kunihara T，Grün T，Aicher D，et al.Hypothermic circulatory arrest is not a risk factor for neurologic morbidity in aortic surgery：a propensity score analysis［J］.J Thorac Cardiovasc Surg，2005，130（3）：712-718.

［2］ Di Eusanio M，Wesselink RM，Morshuis WJ，et al.Deep hypothermic circulatory arrest and antegrade selective cerebral per-fusion during ascending aorta-hemiarch replacement：a retrospective comparative study［J］.J Thorac Cardiovasc Surg，2003，125（4）：849-854.

［3］ Zhurav L，Wildes TS.Pro：topical hypothermia should be used during deep hypothermic circulatory arrest［J］.J Cardiothorac Vasc Anesth，2012，26（2）：333-336.

［4］ Lee YJ，Miyake S，Wakita H，et al.Protein SUMOylation is massively increased in hibernation torpor and is critical for the cytoprotection provided by ischemic preconditioning and hypothermia in SHSY5Y cells［J］.J Cereb Blood Flow Metab，2007，27（5）：950-962.

［5］ Matunis MJ，Coutavas E，Blobel G.A novel ubiquitin-like modification modulates the partitioning of the Ran-GTPase-activating protein RanGAP1 between the cytosol and the nuclear pore complex［J］.J Cell Biol，1996，135（6 Pt 1）：1457-1470.

［6］ Shen Z，Pardington-Purtymun PE，Comeaux JC，et al.UBL1，a human ubiquitin-like protein associating with human RAD51/RAD52 proteins［J］.Genomics，1996，36（2）：271-279.

［7］ Boddy MN，Howe K，Etkin LD，et al.PIC 1，a novel ubiquitin -like protein which interacts with the PML component of a multiprotein complex that is disrupted in acute promyelocytic leukaemia［J］.Oncogene，1996，13（5）：971-982.

［8］ Okura T，Gong L，Kamitani T，et al.Protection against Fas/APO-1-and tumor necrosis factor-mediated cell death by a novel protein，sentrin［J］.J Immunol，1996，157（10）：4277-4281.

［9］ Lapenta V，Chiurazzi P，van der Spek P，et al.SMT3A，a human homologue of the S.cerevisiae SMT3 gene，maps to chromosome 21qter and defines a novel gene family［J］.Genomics，1997，40（2）：362-366.

［10］ Mahajan R，Delphin C，Guan T，et al.A small ubiquitin-related polypeptide involved in targeting RanGAP1 to nuclear pore complex protein RanBP2［J］.Cell，1997，88（1）：97-107.

［11］ Kamitani T，Kito K，Nguyen HP，et al.Characterization of a second member of the sentrin family of ubiquitin-like proteins［J］.J Biol Chem，1998，273（18）：11349-11353.

［12］ Gareau JR，Lima CD.The SUMO pathway：emerging mechanisms that shape specificity，conjugation and recognition［J］.Nat Rev Mol Cell Biol，2010，11（12）：861-871.

［13］ Wilkinson KA，Henley JM.Mechanisms，regulation and consequences of protein SUMOylation［J］.Biochem J，2010，428（2）：133-145.

［14］ Bohren KM，Nadkarni V，Song JH，et al.A M55V polymorphism in a novel SUMO gene（SUMO-4）differentially activates heat shock transcription factors and is associated with susceptibility to type I diabetes mellitus［J］.J Biol Chem，2004，279（26）：27233-27238.

［15］ Guo D，Li M，Zhang Y，et al.A functional variant of SUMO4，a new I kappa B alpha modifier，is associated with type 1 diabetes［J］.Nat Genet，2004，36（8）：837-841.

［16］ Owerbach D，McKay EM，Yeh ET，et al.A proline-90 residue unique to SUMO-4 prevents maturation and sumoylation［J］.Biochem Biophys Res Commun，2005，337（2）：517-520.

［17］ Meulmeester E，Melchior F.Cell biology：SUMO［J］.Nature，2008，452（7188）：709-711.

［18］ Hannoun Z，Greenhough S，Jaffray E，et al.Post-translational modification by SUMO［J］.Toxicology，2010，278（3）：288-293.

［19］ Saitoh H，Hinchey J.Functional heterogeneity of small ubiquitin-related protein modifiers SUMO-1 versus SUMO-2/3［J］.J Biol Chem，2000，275（9）：6252-6258.

［20］ Hong Y，Rogers R，Matunis MJ，et al.Regulation of heat shock transcription factor 1 by stress-induced SUMO-1 modification［J］.J Biol Chem，2001，276（43）：40263-40267.

［21］ Bossis G，Melchior F.Regulation of SUMOylation by reversible oxidation of SUMO conjugating enzymes［J］.Mol Cell，2006，21（3）：349-357.

［22］ Xu Z，Lam LS，Lam LH，et al.Molecular basis of the redox regulation of SUMO proteases：a protective mechanism of intermolecular disulfide linkage against irreversible sulfhydryl oxidation［J］.FASEB J，2008，22（1）：127-137.

［23］ Yang W，Sheng H，Warner DS，et al.Transient global cerebral ischemia induces a massive increase in protein sumoylation［J］.J Cereb Blood Flow Metab，2008，28（2）：269-279.

［24］ Lee YJ，Hallenbeck JM.Insights into cytoprotection from ground squirrel hibernation，a natural model of tolerance to profound brain oligaemia［J］.Biochem Soc Trans，2006，34（Pt 6）：1295-1298.

［25］ Zhao J.Sumoylation regulates diverse biological processes［J］.Cell Mol Life Sci，2007，64（23）：3017-3033.

［26］ Hillion JA，Takahashi K，Maric D，et al.Development of an ischemic tolerance model in a PC12 cell line［J］.J Cereb Blood Flow Metab，2005，25（2）：154-162.

［27］ Lee YJ，Castri P，Bembry J，et al.SUMOylation participates in induction of ischemic tolerance［J］.J Neurochem，2009，109（1）：257-267.

［28］ Loftus LT，Gala R，Yang T，et al.Sumo-2/3-ylation following in vitro modeled ischemia is reduced in delayed ischemic tolerance［J］.Brain Res，2009，1272：71-80.

［29］ Yang W，Sheng H，Warner DS，et al.Transient focal cerebral ischemia induces a dramatic activation of small ubiquitin-like modifier conjugation［J］.J Cereb Blood Flow Metab，2008，28（5）：892-896.

［30］ Yang W，Ma Q，Mackensen GB，et al.Deep hypothermia markedly activates the small ubiquitin-like modifier conjugation pathway；implications for the fate of cells exposed to transient deep hypothermic cardiopulmonary bypass［J］.J Cereb Blood Flow Metab，2009，29（5）：886-890.

R654.1

A

1672-1403（2013）02-0116-03

2012-10-12）

2012-11-06）

國家自然科學(xué)基金（81270384）

100037北京，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院阜外心血管病醫(yī)院體外循環(huán)科。［孫鵬（在讀碩士）］

吉冰洋，E-mail：dr.ji.cpb＠gmail.com