SUMO化修飾融合蛋白表達系統研究進展

唐楚煜，張耀方，王英超，陳曦，王博，張欣瑤

（天津農學院基礎科學學院，天津 300384）

小泛素相關修飾物（SUMO）廣泛分布于真核生物細胞內，是一類大小約15 kD的高度保守小蛋白，其結構和反應方式與泛素相似，但卻具有不同的功能[1]。SUMO化修飾可以保持融合蛋白基因的穩定性，使多肽正常折疊，提高融合蛋白的可溶性[2]。SUMO化修飾和去修飾是一個可逆過程，在這個過程中，SUMO酶扮演著重要的角色。SUMO酶可以高效地將SUMO從融合蛋白上切除且不殘留氨基酸殘基[3]。因此，SUMO常常作為融合基因促進外源蛋白的表達。

1 SUMO的結構及SUMO化修飾的功能

1.1 SUMO的結構

SUMOs是一類高度保守的蛋白質家族，為大多數真核細胞生存所必需，SMT3是該家族于研究中發現的第一個成員。SUMO由大約100個氨基酸殘基組成，是一類廣泛存在于真核生物中具序列高度保守的低分子量蛋白[4]。SUMO主要通過對靶蛋白進行共價修飾的方式來調節蛋白質的結構與功能。酵母只有1個SUMO基因，又稱SMT3，人類含有3種SUMO基因，分別為SUMO-1、SUMO-2、SUMO-3。在人類SUMO家族中，SUMO-1與SUMO-2和SUMO-3有50%的序列同源性[5]。

1.2 SUMO化修飾過程

SUMO對蛋白的修飾主要在3種酶的參與下完成。（1）通過消耗ATP使SUMO的C-端Gly被腺苷化，在SUMO活化酶E1的作用下，腺苷化的SUMO通過硫酯鍵和E1上的Cys殘基相連并釋放出AMP。（2）活化之后的SUMO被轉移到SUMO連接酶E2上，形成SUMO-E2中間體。（3）在SUMO連接酶E3的催化下，SUMO-E2中間體上的SUMO被轉移到底物上[6]。

1.3 SUMO化修飾蛋白表達系統的優勢

SUMO作為一種融合標簽越來越多地應用于表達系統中。使用SUMO化修飾蛋白表達系統有以下2點優勢。（1）提高蛋白的可溶性，使用原核表達系統表達外源蛋白，由于蛋白含有二硫鍵，因此，常常因為錯誤折疊形成包涵體。SUMO作為融合標簽，可以促進外源蛋白的正確折疊，調節融合蛋白與其他蛋白之間的作用，提高融合蛋白的溶解性[7]。(2)提高蛋白的穩定性：SUMO和泛素都能與底物蛋白的賴氨酸結合，因此，SUMO能與泛素競爭，抑制蛋白的降解，提高融合蛋白的穩定性[2]。相比于其他傳統標簽的應用，SUMO還具有分子伴侶的功能，SUMO修飾蛋白的穩定性、正確折疊和抗性都有提高。

2 SUMO蛋白酶的結構和功能

2.1 SUMO蛋白酶的結構

SUMO蛋白酶又稱泛素樣蛋白加工酶（Ubiquitinlike protein-progressing enzymes，Ulps），是半胱氨酸蛋白酶超家族的成員之一。近年來，科學家們在酵母中發現兩種SUMO蛋白酶，在人類中發現了7種SUMO特異性蛋白酶。酵母SUMO蛋白酶分別為Ulp1和Ulp2，由于Ulp1是最早被人們發現具有切割SUMO活性的SUMO蛋白酶，所以對于Ulp1的研究較為集中。Ulp1是位于核孔復合體中由621個氨基酸殘基組成的蛋白質多肽，具有兩個結構域，分別為C-端結構域和N-端結構域，前者具有催化活性而后者為非保守序列，因此具有定位和底物結合功能。Mossessova等人[8]發現，SUMO蛋白酶的氨基酸即使序列有所差別，但在其C-末端都具有一段保守的約有200個氨基酸的Ulp結構域，而此結構域的存在也正是使SUMO蛋白酶具有催化活性的原因；不同SUMO蛋白酶的N-端因序列的不同而使蛋白酶的存在位置有所不同。

2.2 SUMO蛋白酶的生理功能

在真核生物體內，SUMO蛋白酶主要行使兩種生理功能：（1）將SUMO前體的C末端的-GG-ATY序列切割暴露出雙Gly殘基，使之成為成熟SUMO，執行修飾和運轉等功能；（2）去SUMO化過程，水解SUMO底物蛋白偶合物，使之成為SUMO和底物，SUMO與蛋白結合后，也可以被SUMO蛋白酶從靶蛋白上切除，這個過程稱為蛋白的去SUMO化。SUMO對蛋白質的修飾是一種可逆過程，在細胞的不同生命周期中，SUMO化和去SUMO化是處于變化之中的。實驗發現，在Ulp1保守C-端的404～621 aa活性片段中具有全長的Ulp1酶切活性，能夠識別SUMO的三級結構，與其他蛋白酶作用不同的是，它在酶切后靶蛋白上不存在多余的氨基酸[9]。因此，可人工制備404～621 aa的活性片段用于SUMO化修飾蛋白的切割[10]。

3 結語

就SUMO蛋白酶的研究而言，雖然已經取得很好的成績，但其活性機制尚未研究透徹，結構和各種調控功能還需要進一步的研究。且與其他融合標簽相比，SUMO融合蛋白表達還非常低，尚有待改善，其分離純化過程需要先分離純化SUMO融合蛋白，再使用SUMO蛋白酶切割后再進行蛋白的分離純化。因此，在分離純化過程中會造成蛋白的損失，故距其規模化應用還有一段距離。