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

(河北醫科大學 基礎醫學院 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、乙酰化、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)是新近發現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家族成員至今發現有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修飾，即SUMO通過三級酶促級聯反應與靶蛋白進行可逆的共價連接(圖 1)[5]。激活酶(E1)、偶聯酶(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(現只發現一種即為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生。

SUMO化修飾對維持器官的穩態、調節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)偶聯系統Fig 1 Small Ubiquitin-like Modifier (SUMO) conjugation system

IκB家族主要包含：傳統的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現的發生SUMO修飾的蛋白。賴氨酸(Lys)結合位點K21是IκBα發生SUMO化修飾的主要位點，形成的SUMO-IκBα復合物可使IκBα更加穩定。由于IκBα發生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，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信號的關鍵途徑。MAPK信號通路是高度保守的三級級聯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)。目前發現，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

在靜息狀態下中，p38在胞質和胞核中均有分布，胞質內的p38蛋白在各種刺激下可向胞核內移位，以接近其核底物。因此，p38在胞內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蛋白質復合物的穩定。 最近許多研究發現，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，而現證實這種相互作用與磷酸化狀態無關[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

胞外信號調節激酶(ERK)的信號傳導途徑是涉及調節細胞增殖、發育及分裂的信號網絡的關鍵。而Ras蛋白作為Ras-MEK-ERK途徑的上游蛋白，非常重要。Ras蛋白作為最早發現的小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，進而經過一系列過程激活Ras(圖2)。因此，若Grb2發生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生調控作用。

Grb2發生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可發生SUMO化修飾抑制內皮細胞中ERK5的轉錄活性，導致內皮細胞功能障礙和炎性反應的發生。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信號從細胞表面傳導到胞核中，而多種蛋白之間的協同作用至關重要。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易位到胞核中，調控特定基因的表達(圖 3)。可以看出，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、效應蛋白和調節劑除受磷酸化、泛素化和乙酰化等已被廣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現的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的蛋白表達和穩定性提高，使胞外信號通過TGF-β信號通路在胞內傳導增強，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)中發現，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信號通路產生相反作用時，Smad蛋白SUMO化修飾的確切定量現研究仍不清楚。

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泛素化調節因子-2(Smurf2)等也可以發生SUMO化修飾。

有研究發現，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]。之后的一些研究發現，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蛋白的募集實現的。但現發現，SNIP1也可直接與Smad2/4結合對其產生抑制作用。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劑，提高TGF-β信號通路正常生理條件下傳導的穩定性[24]。現發現，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，也發現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，會產生相反的消極作用？Smad4在發生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