SUMF1及SUMF2對(duì)硫酸酯酶功能的影響

劉　蕾(綜述)，梁紅艷，姜曉峰(審校)

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院檢驗(yàn)科，哈爾濱150001)

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SUMF1及SUMF2對(duì)硫酸酯酶功能的影響

劉蕾△(綜述)，梁紅艷，姜曉峰※(審校)

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院檢驗(yàn)科，哈爾濱150001)

摘要：硫酸酯酶作為硫酸酯類分解代謝酶在人體內(nèi)起著重要的作用，若其活性出現(xiàn)異常會(huì)導(dǎo)致多種疾病。硫酸酯酶的活性需要一個(gè)獨(dú)立的翻譯后調(diào)節(jié)，這個(gè)調(diào)節(jié)由硫酸酯酶的一種調(diào)控因子硫酸酯酶調(diào)控因子1(SUMF1)來完成。研究發(fā)現(xiàn)，硫酸酯酶具有另一種調(diào)控因子SUMF2。其中SUMF1既存在于原核生物中又存在于真核生物中，SUMF2只存在于脊椎動(dòng)物體內(nèi)，兩者對(duì)硫酸酯酶的活性調(diào)節(jié)對(duì)生物體內(nèi)硫酸酯類代謝有著深遠(yuǎn)的影響。該文對(duì)硫酸酯酶、SUMF1和SUMF2的結(jié)構(gòu)、功能及它們之間的相互作用進(jìn)行綜述。

關(guān)鍵詞：硫酸酯酶；硫酸酯酶調(diào)控因子1；硫酸酯酶調(diào)控因子2

在生物體內(nèi)，硫酸酯酶的作用是催化水解硫酸酯類[1]。當(dāng)一些硫酸酯酶的活性缺乏時(shí)，可導(dǎo)致人類遺傳學(xué)相關(guān)疾病。當(dāng)硫酸酯酶編碼區(qū)基因突變時(shí)會(huì)出現(xiàn)異染性腦白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)不良、Hunter 綜合征、Sanfilippo A 綜 合 征、Morquio 綜 合 征、Maroteaux-Lamy 綜合征、X-連鎖的魚鱗病及軟骨發(fā)育不全等[1]。另外，還有一種疾病多種硫酸酯酶缺乏癥(multiple sulfatase deficiency，MSD)是罕見的人類常染色體隱性遺傳疾病，在這種疾病中硫酸酯酶的活性全部或部分受損，受累的個(gè)體表現(xiàn)出所有已知硫酸酯酶缺乏的癥狀[1]。硫酸酯酶被激活后才可以水解底物，在其催化共有域內(nèi)含有一個(gè)半胱氨酸，它在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中[2]被硫酸酯酶調(diào)控因子1(sulfatase modify factor 1，SUMF1)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的甲酰甘氨酸生成酶(formylglycine-generating enzyme，F(xiàn)GE)修飾成甲酰甘氨酸(formylglycine，F(xiàn)Gly)[3]。通過序列對(duì)比發(fā)現(xiàn)了存在于脊椎動(dòng)物基因組中SUMF1的同源物：SUMF2。SUMF1與SUMF2的起始蛋白序列高度相似，現(xiàn)階段可以證明在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中SUMF2與SUMF1處于相同位置，且這兩種物質(zhì)可以形成異物二聚體。但在氨基酸303～351區(qū)域?yàn)镾UMF1所特有[3]，對(duì)細(xì)菌硫酸酯酶的修飾有重要作用[4]，因此這個(gè)區(qū)域可能為SUMF1的催化域。SUMF2可以通過抑制SUMF1使硫酸酯酶活性減弱，預(yù)示著SUMF1-SUMF2或許是通過相互作用從而對(duì)硫酸酯酶的活性進(jìn)行調(diào)控?，F(xiàn)對(duì)硫酸酯酶、SUMF1和SUMF2的結(jié)構(gòu)、功能及它們之間的相互作用進(jìn)行綜述。

1硫酸酯酶的結(jié)構(gòu)與功能

硫酸酯酶是一個(gè)高度保守的蛋白家族，可以將廣泛的底物分解成硫酸酯類。在人體的代謝活動(dòng)中硫酸酯酶起著重要作用，它至少參與8種因硫酸酯酶缺乏引起的人類單克隆抗體疾病。硫酸酯酶活性需要一個(gè)獨(dú)立的翻譯后調(diào)節(jié)過程，如果人體內(nèi)缺少這種調(diào)節(jié)，會(huì)導(dǎo)致多種MSD等疾病，而其根本原因是SUMF1的基因變異[5]。

硫酸酯酶在真核動(dòng)物與原核動(dòng)物體內(nèi)擁有一個(gè)獨(dú)立的氨基酸衍生物：FGly，它在半胱氨酸(真核和原核生物)或絲氨酸(原核生物)翻譯后調(diào)節(jié)產(chǎn)生[6]。FGly對(duì)于催化硫酸酯酶的活性非常重要，它在活性區(qū)域以醛水化合物的形式存在[7]，可以消化硫酸酯類并導(dǎo)致底物絡(luò)合物形成、裂解硫酸酯殘基[2]。MSD患者體內(nèi)均存在SUMF1變異，因?yàn)檫@種變異使SUMF1喪失了對(duì)硫酸酯酶的翻譯后修飾功能，導(dǎo)致硫酸酯酶活性下降[3]。

基于目前的研究可以將硫酸酯酶分成兩大類:第一類包括具有分解代謝功能的硫酸酯酶，它們位于溶酶體中，在酸性條件下發(fā)揮著酶的作用。如果在這方面硫酸酯酶活性缺失，可以考慮某種特殊的溶酶體貯存疾病[8]。第二類硫酸酯酶位于亞細(xì)胞管腔結(jié)構(gòu)中，如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等部位，在中性pH條件下具有活性，這類硫酸酯酶更傾向于發(fā)揮生物合成功能，而不是催化功能[6]。硫酸酯酶類具有的共同特征：①分子量相近，氨基酸長(zhǎng)度都在500～800；②廣泛糖基化；③都有顯著的序列同源性，尤其是在氨基末端區(qū)域；④具有高度相似的活性區(qū)域，導(dǎo)致所有硫酸酯酶具有相同的翻譯后調(diào)節(jié)過程[6]。

在一些研究中，硫酸酯酶也可以被用作具有特異性朝向生物發(fā)光探針[9]。在細(xì)胞培養(yǎng)中轉(zhuǎn)染與硫酸酯酶互補(bǔ)DNAs的SUMF1對(duì)硫酸酯酶活性有增強(qiáng)作用[3]。

2SUMF1的結(jié)構(gòu)與功能

SUMF1的基因位于3p26，是轉(zhuǎn)錄因子激活蛋白2α的靶基因[10]，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生FGE[11],該蛋白在進(jìn)化過程中高度保守遺傳，人類的SUMF1與細(xì)菌SUMF1高度同源[12]。FGE是一個(gè)可溶解糖蛋白，存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及其他分泌型細(xì)胞器(高爾基體、溶酶體、內(nèi)顆粒)中，并且可以被分泌到細(xì)胞外[13]。SUMF1在翻譯轉(zhuǎn)錄后可以活化所有新合成的硫酸酯酶[3]。其在第141個(gè)氨基酸(天冬酰胺)處有一個(gè)獨(dú)立的N-相關(guān)糖基化區(qū)域，并且胞內(nèi)SUMF1結(jié)構(gòu)(包括高甘露醇碳水化合物)由4～9個(gè)己糖類連接兩個(gè)N-乙酰氨基己糖殘基。Dierks等[14]發(fā)現(xiàn)FGE是一種氧合酶，通過與中間產(chǎn)物(半胱氨酸次磺酸殘基)和氧分子相互作用產(chǎn)生FGly，其結(jié)構(gòu)包含復(fù)雜的高甘露糖型寡糖家族，由1個(gè)碳水化合物核心組成：2個(gè)N乙酰氨基己糖，3個(gè)己糖(甘露醇)，1個(gè)巖藻糖殘基，攜帶3個(gè)乳糖，2個(gè)唾液酸以及1個(gè)脫氧核糖殘基。SUMF1調(diào)節(jié)硫酸酯酶的半胱氨酸轉(zhuǎn)換成FGly作為起始折疊蛋白[15]。在培養(yǎng)細(xì)胞中通過轉(zhuǎn)染或病毒載體等方式過量表達(dá)SUMF1和硫酸酯酶cDNA可以大大增強(qiáng)硫酸酯酶活性，暗示SUMF1對(duì)于硫酸酯酶活性的調(diào)節(jié)起著非常重要的作用[16]。在MSD患者體內(nèi)均發(fā)現(xiàn)變異的SUMF1，因?yàn)镾UMF1功能喪失會(huì)導(dǎo)致硫酸酯酶活性全部降低[3]。

3SUMF2的結(jié)構(gòu)與功能

SUMF2位于人類染色體(7q11.1)，其cDNA序列全長(zhǎng)857 bp，收錄至GenBank(編號(hào)NM_015411.2)，是硫酸酯酶的調(diào)控因子之一[17]。由SUMF2來源的EST序列(不同組織來源的cDNA序列)為8種脊椎動(dòng)物物種[18]。SUMF2因其序列和SUMF1相似而被發(fā)現(xiàn)[19]，但它缺乏SUMF1具有的催化酶的活性。SUMF1保守的存在于細(xì)菌及人體內(nèi)，而SUMF2變體出現(xiàn)較晚，只在脊椎動(dòng)物中存在，它有48%的可識(shí)別氨基酸和62%的SUMF1相似的氨基酸[3]。人類、鼠類相對(duì)于河豚同系物種的SUMF2序列與SUMF1相比，兩者基因顯示出更高水平的相似性，說明由初代基因變異產(chǎn)生的第二種獨(dú)立變體基因在脊椎動(dòng)物進(jìn)化前就已產(chǎn)生，這也是種系發(fā)生圖譜的證據(jù)之一。

通過RNA印跡法了解到SUMF2在不同的組織中的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)大量SUMF2 mRNA存在于所有已研究組織中，在腎、肝和胎盤組織中有大量SUMF1和SUMF2的信使RNAs存在。在肝癌細(xì)胞H22中SUMF2的表達(dá)明顯增強(qiáng)[20]。SUMF1與SUMF2相似的表達(dá)水平表明，這兩個(gè)基因可以被共同調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄。有證據(jù)表明，SUMF2和SUMF1在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中定位相同[21]，并且SUMF1和SUMF2蛋白既可以組成同源二聚體又可以組成異源二聚體。SUMF1有11個(gè)半胱氨酸，而SUMF2有2個(gè)，這些半胱氨酸或許對(duì)SUMF1和SUMF2組成四聚體的穩(wěn)定性起著重要的作用[22]。

SUMF2不能被分泌到細(xì)胞外，其在核糖體合成并轉(zhuǎn)運(yùn)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)進(jìn)行初步加工，很快被轉(zhuǎn)運(yùn)到高爾基體進(jìn)一步加工，而這種加工會(huì)改變其空間構(gòu)象使其C端四肽序列暴露，SUMF2只能從高爾基體重新返回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，并駐留于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)[23]。文獻(xiàn)報(bào)道，SUMF2可與白細(xì)胞介素13相互作用并抑制白細(xì)胞介素13的分泌[24]，但SUMF2在支氣管上皮細(xì)胞中的表達(dá)定位及其與白細(xì)胞介素13各種變異性的作用尚不清楚[17]。

SUMF2與硫酸酯酶的結(jié)合并不依賴SUMF1，并且SUMF2有抑制SUMF1增強(qiáng)硫酸酯酶活性的作用[21]。但是SUMF2不能增強(qiáng)硫酸酯酶的活性，因?yàn)樗鼪]有使硫酸酯酶中的半胱氨酸轉(zhuǎn)換成FGly的能力，但是硫酸酯酶的活性由SUMF1和SUMF2相互作用共同調(diào)節(jié)，表明SUMF1-SUMF2之間存在著更高水平的對(duì)硫酸酯酶活性調(diào)控的作用[21]。

4展望

通過上述研究對(duì)硫酸酯酶的認(rèn)知有了進(jìn)一步的了解，但也提出了很多新的疑問：是否其他蛋白中也含有FGly？SUMF1和SUMF2為何在特異性、活性和表達(dá)上是不同的？這些不同會(huì)導(dǎo)致什么結(jié)果？是否組織對(duì)SUMF1表達(dá)水平的特異性對(duì)個(gè)體硫酸酯酶減少的基因替代療法有影響？SUMF1和SUMF2作為基因?qū)Π腚装彼岷铣蒄Gly的作用會(huì)引導(dǎo)研究者對(duì)生物硫酸酯酶運(yùn)作方式和硫酸化的過程進(jìn)行深入了解，也可以更好地去了解對(duì)以分子為基礎(chǔ)的基因疾病(如MSD)翻譯后調(diào)節(jié)的復(fù)雜功能。

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Research Progress of SUMF1 and SUMF2′s Influence on the Function of Sulfatase FamilyLIULei,LIANGHong-yan,JIANGXiao-feng.(DepartmentofLaboratory,theFourthAffiliatedHospitalofHarbinMedicalUniversity,Harbin150001,China)

Abstract：Sulfatase works as an enzyme that cleaves sulfate esters and has an important role in human metabolism,and the sulfatase activity abnormality will lead to lots of diseases.Sulfatase undergo a unique post-translational modification by sulfatase modifying factor 1(SUMF1).Studies led to the discovery of a paralogue of SUMF1 in the vertebrate genomes,named SUMF2.SUMF1 exists in both prokaryotes and eukaryotes while SUMF2 only exists in vertebrate,they both have a profound impact on sulfatase activity in vivo.Here is to make a review of structure,function and the interaction of sulfatase,SUMF1 and SUMF2.

Key words:Sulfatase; Sulfatase modifying factor 1; Sulfatase modifying factor 2

收稿日期：2014-10-20修回日期:2014-11-27編輯：伊姍

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(81171657)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.14.010

中圖分類號(hào)：R446

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-2084(2015)14-2522-03