SUMO化修飾及其對信號通路的調控

肖云飛，王嘉賓，耿海剛，劉青娟

(河北醫(yī)科大學 基礎醫(yī)學院 病理學教研室 河北省腎臟病重點實驗室，河北 石家莊 050017)

蛋白質的翻譯后修飾(post-translational modifications，PTMs)是一種強有力且快速的調控生物活性的關鍵機制，修飾形式十分多樣，例如磷酸化、乙?；?、甲基化、泛素化和SUMO化等，且不同的修飾可相互影響。其中小泛素相關修飾物(small ubiquitin-related modifier, SUMO)是新近發(fā)現(xiàn)的一類蛋白質翻譯后修飾因子，其分子質量約為11 ku[1]。近年來，SUMO化(SUMOylation)已成為蛋白質研究的焦點，在調節(jié)許多細胞過程中起關鍵作用。另外SUMO化修飾還是一種高度應激反應，是解決細胞損傷問題的關鍵中介，例如缺氧、熱休克、基因毒性應激等[2]。而在許多細胞活動中，NF-κB信號通路、MAPK信號通路、TGF-β信號通路在胞內(nèi)外信號傳導方面具有關鍵作用。最近的研究顯示，SUMO的多種亞型可對上述3種通路中許多重要蛋白進行修飾，從而發(fā)揮對多種生物細胞活動的調控作用，因此SUMO化修飾對許多疾病的治療都是一個重要的潛在機制。本文綜述了SUMO化與以上3種通路中某些蛋白的作用關系及對蛋白質生物活性的影響。

1 SUMO的家族成員和SUMO化修飾

SUMO家族成員至今發(fā)現(xiàn)有5種：SUMO-1、SUMO-2、SUMO-3、SUMO-4和SUMO-5(由于SUMO-2和SUMO-3的氨基酸序列非常接近，常合寫成SUMO-2/3[3])，主要功能是對底物蛋白進行SUMO化修飾。SUMO-1、SUMO-2和SUMO-3在所有細胞和器官中廣泛表達；而SUMO-4特異性的只在某些器官中表達，例如腎臟、淋巴結和脾臟；SUMO-5僅在部分組織中表達。SUMO-5在睪丸和造血系統(tǒng)中含量豐富[4]。

SUMO化修飾主要為蛋白質賴氨酸殘基翻譯后的動態(tài)修飾，即SUMO通過三級酶促級聯(lián)反應與靶蛋白進行可逆的共價連接(圖 1)[5]。激活酶(E1)、偶聯(lián)酶(E2)和連接酶(E3)在此過程中必不可少，激活、結合和連接等步驟均需要SUMO參與[6]。首先成熟形式的SUMO在E1(在人類為SAE1/SAE2，在酵母中被稱為AOS1/Uba2)和ATP參與下活化，隨后活化的SUMO被轉移到E2(現(xiàn)只發(fā)現(xiàn)一種即為Ubc9)上，Ubc9催化SUMO與底物蛋白結合，Ubc9被活化或Ubc9與底物蛋白的距離被拉近，因此更高效的將SUMO從Ubc9上轉移到底物蛋白。動態(tài)性和可逆性是該修飾過程的特征，當特異性的蛋白將SUMO從底物蛋白中解離出來時，即為去SUMO化[7]。所以，維持底物正常生理功能的關鍵在于SUMO化與去SUMO化間的動態(tài)平衡，若此平衡失調則會使底物蛋白功能異常，從而可能導致炎性反應和腫瘤等疾病的發(fā)生。

SUMO化修飾對維持器官的穩(wěn)態(tài)、調節(jié)細胞增值和分化等生物學功能至關重要，但針對不同的底物和不同的應激過程來說影響有所差異，導致的生物學效應也多種多樣[8]。此外，許多含有與SUMO相互作用基序(SIMs)的蛋白質可以與SUMO進行非共價的相互作用，也可穩(wěn)定蛋白質組裝[9]。

2 SUMO化修飾在NF-κB信號通路中的作用

核因子 κB (nuclear factor-κB，NF-κB)信號通路現(xiàn)是目前得到公認的參與免疫應答和炎性反應的主要信號通路。而NF-κB 抑制蛋白(inhibitor of NF-κB, IκB)可抑制NF-κB信號通路的激活。IκB可掩蓋 NF-κB 的核定位信號(nuclear localization signal, NLS)，使NF-κB在靜息狀態(tài)下和IκB集合，在胞質以非活性形式存在，從而被阻止不能進入胞核參與核轉錄[10]。近年來研究顯示，除IκBα的磷酸化、繼之泛素化降解的經(jīng)典激活途徑和通過激活IKK的旁路激活途徑外，與泛素化類似的PTM機制-SUMO化修飾也可對NF-κB信號通路進行調控。

圖1 小泛素相關修飾物(SUMO)偶聯(lián)系統(tǒng)Fig 1 Small Ubiquitin-like Modifier (SUMO) conjugation system

IκB家族主要包含：傳統(tǒng)的IκB蛋白(IκBα，IκBβ，IκBε)，NF-κB前體蛋白(p100，p105)和核IκB(IκBζ, Bcl-3和IκBNS)。其中IκBα是在NF-κB信號通路中被第一個發(fā)現(xiàn)的發(fā)生SUMO修飾的蛋白。賴氨酸(Lys)結合位點K21是IκBα發(fā)生SUMO化修飾的主要位點，形成的SUMO-IκBα復合物可使IκBα更加穩(wěn)定。由于IκBα發(fā)生SUMO化修飾的位點也正是泛素化修飾的位點，故可以與其競爭使IκBα不被泛素化降解，從而抑制了NF-κB進入胞核、NF-κB信號通路被激活等一系列過程。通過低氧-再給氧循環(huán)刺激腺苷信號時，可聚集大量的SUMO-1，并加劇IκBα-SUMO1化修飾，阻滯IκBα磷酸化和泛素化降解的出現(xiàn)，使通過NF-κB信號介導的基因轉錄減弱，這也使上述觀點得到證實[11]；但是，又得到相反的結論。SUMO-2/3通過對IκBα的Lys結合位點K21進行SUMO化修飾，使RelA(p65)從IκBα中被釋放出來，激活NF-κB 信號通路[12]。由此也提示SUMO不同亞型在對IκBα相同位點進行修飾時，產(chǎn)生的生物學效應可能不同。

3 SUMO化修飾在MAPK信號通路中的作用

絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)信號通路是將胞外刺激轉化成胞內(nèi)信號的關鍵途徑。MAPK信號通路是高度保守的三級級聯(lián)激活模式已得到廣泛認可，包括上游激活蛋白→MAPKK激酶(MAPKKK)→MAPK激酶(MAP-KK)→MAPK[13]。MAPK家族由4個不同的亞族構成，包括p38、胞外信號調節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)、ERK5和c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase, JNK)。目前發(fā)現(xiàn)，SUMO化修飾對MAPK信號通路中的不同亞族均有調控作用。

3.1 p38與SUMO化修飾

在靜息狀態(tài)下中，p38在胞質和胞核中均有分布，胞質內(nèi)的p38蛋白在各種刺激下可向胞核內(nèi)移位，以接近其核底物。因此，p38在胞內(nèi)的再分布是其完成細胞功能的重要機制。p38上存在許多蛋白質都有的一種短且疏水的SUMO相互作用基序(SUMO-interacting motifs，SIMs)。而SIMs與SUMO之間具有中等的親和力和特異性，最重要位點是SIM3(氨基酸289LVLD292)。當二者廣泛結合并相互作用時，SUMO化修飾可以作為一種“分子膠水”來維持SUMO-SIMs蛋白質復合物的穩(wěn)定。 最近許多研究發(fā)現(xiàn)，在幽門螺桿菌感染期間，通過敲低或過表達SUMO來影響p38的核轉移，可分別導致細胞存活率的增加或減少。從而間接支持了通過這種非共價相互作用，進行p38核轉移的觀點，而現(xiàn)證實這種相互作用與磷酸化狀態(tài)無關[14]。因此不難看出，在p38被SUMO化修飾后，其亞細胞定位被改變，從而對p38通路的信號傳導產(chǎn)生影響。

3.2 ERK與SUMO化修飾

圖2 Ras-MEK-ERK激活途徑Fig 2 Activation of Ras-MEK-ERK pathway

胞外信號調節(jié)激酶(ERK)的信號傳導途徑是涉及調節(jié)細胞增殖、發(fā)育及分裂的信號網(wǎng)絡的關鍵。而Ras蛋白作為Ras-MEK-ERK途徑的上游蛋白，非常重要。Ras蛋白作為最早發(fā)現(xiàn)的小G蛋白，其激活與Grb2、SOS蛋白緊密相關。當胞外信號與受體結合后，胞內(nèi)的生長因子受體結合蛋白2(Grb2)與被激活的受體結合，再與SOS(son of seven-less)的C端富含脯氨酸的序列相互作用，形成Grb2-SOS復合物，進而經(jīng)過一系列過程激活Ras(圖2)。因此，若Grb2發(fā)生SUMO化后，可影響Ras蛋白的激活，從而對ERK蛋白活性及其通路的信號傳導產(chǎn)生調控作用。

Grb2發(fā)生SUMO化修飾的位點為Lys56(K56)。部分研究表明這種SUMO化修飾主要通過對SOS1的招募富集，來促進Grb2-SOS1復合物的形成，從而增強ERK活性和導致ERK/MAPK通路的激活，促進細胞的運動、轉化和腫瘤發(fā)生等。但同時有部分研究認為，ERK活性的增強是由于Grb2的SUMO-1化修飾促進Grb2結合SOS1以外的其他蛋白質所引起的，如表皮生長因子受體、Shp2等。盡管Grb2在SUMO化后可影響Ras蛋白的激活，但其具體過程仍存在爭議，有待進一步研究。

3.3 ERK5與SUMO化修飾

除Grb2可發(fā)生SUMO化修飾外，對ERK有影響的Shp2也能被SUMO化修飾。Shp2的端賴氨酸殘基590 (K590)可與SUMO-1發(fā)生SUMO化修飾，促進Shp2-Gab1 (Grb2-associated binding-1)復合物的形成和ERK信號的激活，加速了肝細胞癌和其他腫瘤的生長[15]。由此可見，ERK通路相關蛋白SUMO化修飾可調控腫瘤發(fā)生，但也提示關于此問題可待研究的還很多，例如MEK、SOS等都可作為研究對象，為腫瘤提供更多元化的治療。

胞外信號調節(jié)激酶5(ERK5,也稱MAPK7)作為MAPK的4個最重要亞族之一，相比其他3種亞族來說受到關注較少。在4種亞族中，ERK5的不同之處在于具有獨特結構和功能特性的C端，其賴氨酸殘基6和22已被確定為SUMO修飾的靶向位點。而ERK5的C端SUMO化修飾與多種癌疾病發(fā)展密切相關，但具體機制尚未探明[16]。在高血糖、氧化應激和血液流動紊亂的誘導下，ERK5可發(fā)生SUMO化修飾抑制內(nèi)皮細胞中ERK5的轉錄活性，導致內(nèi)皮細胞功能障礙和炎性反應的發(fā)生。且該同一研究小組在對ERK5參與動脈粥樣硬化的最新研究上也得到了相同的結論，SUMO特異性蛋白酶2(SENP2)的表達降低會增加ERK5 的SUMO化，從而加速小鼠的內(nèi)皮細胞功能障礙以及炎性反應，一定程度上促進了動脈粥樣硬化斑塊的形成[17]。

4 SUMO化修飾在TGF-β信號通路中的作用

轉化生長因子-β(TGF-β)信號通路可參與調節(jié)細胞增殖、分化、胞外基質重塑等，主要由于其可以將TGF-β信號從細胞表面?zhèn)鲗У桨酥?，而多種蛋白之間的協(xié)同作用至關重要。TGF-β配體通過與胞膜上特定的TGF-βⅡ型受體結合，激活的Ⅱ型受體不斷募集TGF-βI型受體，并通過其絲氨酸/蘇氨酸激酶結構域使其磷酸化，隨后磷酸化的Ⅰ型受體與胞內(nèi)受體調控的Smad蛋白(R-Smad)結合，將R-Smad的絲氨酸殘基磷酸化，活化的R-Smads被釋放到胞質溶膠中，這些蛋白再與Co-Smad 相互結合，形成異源寡聚復合物，隨后該復合物從胞質內(nèi)易位到胞核中，調控特定基因的表達(圖 3)?？梢钥闯?，Smad在TGF-β信號通路中十分關鍵。而最新研究表明，TGF-β/Smad信號通路的成員、效應蛋白和調節(jié)劑除受磷酸化、泛素化和乙?；纫驯粡V泛接受的翻譯后修飾外，還可受到SUMO化修飾。

4.1 Smad與SUMO化修飾

根據(jù)組成結構的不同，Smad蛋白家族主要由 3個亞家族構成，分別是R-Smad、Co-Smad和I-Smad。其中，Smad4不僅是Co-Smad亞家族中最重要的一種，而且也是如今在哺乳動物中唯一發(fā)現(xiàn)的Co-Smad蛋白[18]。在信號傳導過程中，所有 R-Smads入核之前均需與Smad4結合。Smad4是腫瘤抑制因子中的一種。當Smad4被SUMO化修飾后，Smad4的蛋白表達和穩(wěn)定性提高，使胞外信號通過TGF-β信號通路在胞內(nèi)傳導增強，從而特異性增強Smad4靶基因的轉錄活性，提高對腫瘤的抑制作用[19-20]。相反，之后在猴腎成纖維樣細胞(COS-7)中發(fā)現(xiàn)，過表達的SUMO-Smad4融合蛋白或過表達的SUMO1和Ubc9在一定程度上抑制了TGF-β誘導的轉錄，這也表明SUMO化修飾有可能具有消極作用。但在對TGF-β信號通路產(chǎn)生相反作用時，Smad蛋白SUMO化修飾的確切定量現(xiàn)研究仍不清楚。

除了Co-Smad(Smad4)以外，其他R-Smad蛋白(如Smad3)、Smad核相互作用蛋白1(SNIP1)和Smad泛素化調節(jié)因子-2(Smurf2)等也可以發(fā)生SUMO化修飾。

有研究發(fā)現(xiàn)，E3連接酶PIASy通過與Smad3的相互作用并對其進行SUMO化修飾，抑制了TGF-β信號的傳導[21]。之后的一些研究發(fā)現(xiàn)，E3連接酶PIASy和SUMO-1共同作用時還可通過影響Smad3的亞細胞定位從而使核內(nèi)的Smad3出核[22]。這說明對不同作用的蛋白進行SUMO化修飾，也可能會產(chǎn)生相似或相同的生物學效應，這也為糖尿病、腫瘤等疾病的靶點治療研究提供了新的方向。

以前認為SNIP1抑制TGF-β信號傳導的機制是通過破壞Smad復合物的形成并減弱p300向Smad蛋白的募集實現(xiàn)的。但現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，SNIP1也可直接與Smad2/4結合對其產(chǎn)生抑制作用。之后研究表明，SNIP1可被SUMO化修飾，修飾位點為3個賴氨酸殘基：Lys5、Lys30和Lys108，其中Lys30是其主要的SUMO結合位點。進行SUMO修飾可使SNIP1失活，導致SNIP1失去抑制TGF-β信號通路的作用[23]。由此幫助認識到SNIP1被SUMO化修飾后，可使TGF-β信號傳導能力增強，提高對腫瘤的抑制效應。

4.2 SnoN與SUMO化修飾

轉錄共抑制因子(SnoN)在TGF-β信號通路中可充當負性調節(jié)劑，提高TGF-β信號通路正常生理條件下傳導的穩(wěn)定性[24]?，F(xiàn)發(fā)現(xiàn)，SnoN上存在SUMO共有基序，可進行SUMO化修飾，Lys50和Lys383是SnoN中SUMO化修飾的主要位點。SUMO E3連接酶PIAS1和轉錄中介因子1y(TIF1y)可促進SnoN的SUMO化修飾，抑制TGF-β誘導的EMT。另外，也發(fā)現(xiàn)PIAS1促進SnoN 的SUMO化修飾可抑制TGF-β誘導的3D乳腺癌細胞來源的類器官系統(tǒng)的侵襲性增殖[25]。這也使SnoN被SUMO化后，TGF-β信號通路傳導的穩(wěn)定性被破壞并被抑制這一假設得到驗證。

5 問題與展望

綜上所述，SUMO可對上述信號通路中多種蛋白進行修飾，故扮演著十分重要的角色。雖然SUMO相關研究取得較大進展，但仍有許多問題需要解決，例如上述3種通路中重要蛋白SUMO化修飾對去SUMO化是否會產(chǎn)生影響，及去SUMO化修飾對蛋白的SUMO化修飾是否有負向調控作用；在對Grb2的研究中，與其共同結合激活Ras的SOS是否也能發(fā)生SUMO修飾及其具體機制；Smad4進行SUMO修飾積累到何種程度時，會產(chǎn)生相反的消極作用？Smad4在發(fā)生SUMO修飾時，是否存在反饋通路？在MAPK家族中，除p38、ERK、ERK5外，JNK亞族本身是否也能發(fā)生SUMO修飾，抑制或促進通路傳導的生物學效應？等等。因此，解決上述問題并對這3種通路中相關蛋白的SUMO化修飾進行更深入的研究，可能為腫瘤、纖維化和糖尿病等多種疾病的治療提供了新的思路和藥物靶點。

圖3 轉化生長因子β(TGFβ)-smad信號通路的激活Fig 3 Activation of transforming growth factor β(TGFβ)-smad signaling pathway

短篇綜述