SUMO化修饰在肿瘤发生中的作用

SUMO化修饰在肿瘤发生中的作用摘要SUMO化（类泛素化，SUMOylation）是一种翻译后修饰，即小类泛素化修饰物（SUMO）与靶蛋白共价、可逆性地结合过程。在哺乳动物中，SUMO现发现有四种亚型，即SUMO-1，-2，-3和-4。SUMO蛋白在细胞核组织和细胞活性的调控中起重要作用。SUMO在肿瘤发生相关过程中表达量显著提高，诸如细胞生长、分化、衰老、氧化应激以及凋亡。但是SUMO化修饰在癌症肿瘤发展中的作用尚不清楚。因此，本综述将阐述SUMO化修饰在肿瘤发展中的可能作用，并强调SUMO化修饰作为细胞周期调节蛋白的影响，以及对于肿瘤临床治疗前景的提示。值得注意的是，在不同肿瘤组织中，SUMO表达量、SUMO化靶蛋白以及SUMO化通路功能会有所不同。关键词SUMO，肿瘤，泛素1.引言SUMO化（类泛素化，SUMOylation）是一种翻译后修饰，即小类泛素化修饰物（SUMO）与靶蛋白共价、可逆性地结合。最初研究发现了SUMO的四种亚型，即SUMO-1、-2、-3以及-4。这些蛋白质大小约12kDa，三维结构与泛素(ubiquitin)相似。与泛素不同的是，SUMO蛋白在N端结构域有一个10-25个氨基酸的尾部。SUMO，作为类泛素蛋白(Ubl,ubiquitin-likeproteins)家族的一员，与泛素有20%的相似性，SUMO-2和-3有95%的相似性，常被称作SUMO-2/3，二者与SUMO-1有50%的相似性。SUMO最早在哺乳动物中被发现，被认为是一种与GTP酶激动蛋白RanGAP1共价结合的蛋白。本综述总结了SUMO化修饰的主要特征，重点阐述了SUMO化修饰在肿瘤发展中的作用的相关最新研究进展。1.1.SUMO及其功能SUMO与泛素竞争与底物的结合，因此蛋白的SUMO化修饰并不会导致蛋白酶体性降解。SUMO在一些过程中起重要作用，包括蛋白质稳定性的保持、转录调控、特定转录因子（如糖皮质激素受体(glucocorticoidreceptor,GR)、Myb、CAAT/增强子结合蛋白(CAAT/enhancerbindingprotein,C/EBP)与SP3）的修饰。有很多研究表明，SUMO可以有效降低转录活性。若干基因启动子（例如热休克因子Oct4和Smad4的启动子）通过SUMO的激活需要有活性的组蛋白去乙酰化酶(HDAC)。SUMO参与一些细胞过程，例如有丝分裂、细胞生长与分化、衰老与凋亡。由于SUMO-1单倍不足或者SUMO-1基因座破坏导致的SUMO-1表达量改变与唇腭裂有关。最近研究表明SUMO-2/3参与有丝分裂与扩增的调节。Borealin，内着丝粒蛋白(INCENP)，生存素(Survivin)与极光激酶B抗原(AuroraB)是染色体过客复合物(chromosomalpassengercomplex,CPC)的成分。极光激酶B(AuroraBkinase)在胞质分裂过程中连接纺锤丝与中心粒，起重要作用。极光激酶B的活性与细胞周期进程具有相关性，并且与染色体的运动与分离时的微管有关。生存素下调凋亡的发生。CPC调控重要的有丝分裂过程，例如纺锤体组装检验点与胞质分裂。Borealin是SUMO-2/3的主要靶蛋白，其受SUMO2/3的修饰过程特定发生在有丝分裂早期(G2/M期)。值得注意的是，SUMO化修饰的E3连接酶RanBP2与CPC相互作用，介导SUMO-2/3与Borealin的结合。Borealin的去SUMO化是由半胱氨酸蛋白酶Sentrin特异性蛋白酶3(cysteine-proteaseSentrin-specificprotease3,SENP3)催化的。SUMO化修饰对于在有丝分裂早期CPC与中心粒连接的过程中Borealin-SUMO-2/3复合体的形成与稳定是必要的。SUMO-2/3的沉默会阻碍SUMO-2/3与其底物的连接，阻止表达SUMO-2/3miRNA细胞的细胞分裂。近日，单核苷酸多肽序列测试结果鉴定出SUMO-4有可能与1型糖尿病的病情发展有关。1.2.SUMO的结合过程蛋白SUMO化之前需要SUMO前体的激活，即在C端剪切非成熟SUMO。这一起始步骤，在酵母中是由半胱氨酸蛋白酶(cysteineproteasesubiquitin-like-protein-processing,Ulps)介导的，在哺乳动物中是由SENP蛋白介导的。通过这一步骤产生了自由羧基末端甘氨酸残基。这些残基对于SUMO与靶蛋白的相互作用是必要的。与泛素化类似，SUMO化修饰级联反应包含SUMO激活酶(E1)，SUMO结合酶(E2)与多种SUMO连接酶(E3)。SUMO特定的E1激活酶已在酵母和人类中发现，由SUMO激活酶E1(SAE1)和SUMO激活酶E2(SAE2)组成，在酵母中二者被称作SUMO-1激活物(AOS1)和类泛素修饰物激活酶2(Uba2)。E1酶介导ATP依赖性的成熟SUMO蛋白的激活，形成SUMO-腺苷酸结合体，即SUMO的C端羧基与AMP释放的焦磷酸盐结合。由于E1酶的半胱氨酸有活性巯基，因此在AMP释放的同时，SUMO腺苷酸盐与E1酶之间形成高能硫酯键。随后，E1形成了一个连接Ubc9和SUMO的过渡性的硫酯键，因而SUMO与E2连接酶Ubc9的具有催化活性的半胱氨酸连接。Ubc9是目前在酵母、无脊椎动物、脊椎动物中发现的唯一的SUMO化途径E2连接酶。而泛素化途径有多种E2。这清晰地体现了SUMO化途径与泛素化途径的不同。Ubc9通过产生一个异构肽键连接SUMO的C端的甘氨酸残基和底物的赖氨酸侧链，使SUMO转移到其靶蛋白处。这一步骤同时由一种特异性的E3连接酶催化，其可以促进SUMO从Ubc9向靶蛋白的转移。不同于泛素化的是，靶蛋白的SUMO化修饰需要一种E2酶和若干E3连接酶。SUMO化的E3连接酶分为三类：Siz/PIAS-RING(SP-RING),Ran-bindingprotein(RanBP2)和Humanpolycomb2(Pc2)。1.3.SUMO连接酶(E3)以及特征至今已鉴定出三类SUMOE3连接酶。最大的一类E3含有对其功能至关重要的SP-RING模体。其中一种SP-RING是活化的STAT(PIAS)家族蛋白的蛋白抑制剂，在酵母中被称作Siz蛋白。在E3酶中紧挨着SP-RING结构域的是一个保守的约400个氨基酸长度的N端结构域和一个SAP结构域(SAR,Acinus,PIAS)，该结构域参与结合AT丰富的DNA序列。至今，在酿酒酵母中发现了四个PIAS成员[Siz1,Siz2,拉链蛋白(Zip)3和methylmethanesulphonate-sensitivityprotein(Mms)21]，在哺乳动物重大西安了五个PIAS成员(PIAS1、PIAS3和剪接变体PIASxα,PIASxβandPIASy)。通过分析Siz1介导的Septin和增殖细胞核抗原(PCNA)的SUMO化，推测PIAS蛋白可以SUMO化若干底物。除此以外，PIAS蛋白各自有不同的底物。例如PIAS1和PIASxβ，而不是PIASxα，催化Mdm2的SUMO化。体外实验表明，不同PIAS蛋白，例如PIAS1，PIAS3和PIASy的过度表达能够促进脊椎动物源蛋白，如p53的SUMO化。表1.SUMOE3连接酶.SP-RING-typeE3连接酶PIAS1,PIAS3,PIASxα,PIASxβ,PIASy,Mms21IRE3连接酶RanBP2其他E3连接酶KAP1,Pc2,Topors,HDAC4不同研究表明，SP-RING结构域与泛素化中RINGE3连接酶的RING结构域有条理性的相似性。SP-RING连接酶直接将底物与Ubc9结合，并通过SUMO相互作用模体(SIM/SBM)与SUMO非共价结合。SIM已在E1、不同的E3连接酶，SUMO底物，SUMO结合蛋白和SUMO靶向的泛素连接酶中发现。E1SIM即便与其他的SUMO-SIM复合体有相似处，但是E1SIM的功能尚未被揭示。除了与SIM结合外，SIZ和PIASE3连接酶与E2结合酶Ubc9和SUMO通过其SP-RING和Siz/PIASC端结构域(SP-CTD)结合。Yunus和Lima的研究提示SP-RING和SP-CTD结构域在形成Ubc9和SUMO间的硫脂键中是必要的，因此能够使Ubc9和其产物处于一个适于催化的位置。另外，脯氨酸、异亮氨酸、天冬氨酸、算苏氨酸(PINIT)结构域也可以介导PCNA和Siz与PIASE3连接酶的结合。第二种SUMOE3连接酶是脊椎动物特有的RanBP2(也被称作Nup358)。RanBP2的E3结构域是其内部重复序列，包含一个约50个残基序列的两重复(IR1和IR2)。这一序列与泛素化级联反应中的E3连接酶没有任何同源性。RanBP2结构域的E3活性来源于RanBP2的一个33kDa结构域，其自身不含有任何RING指结构域，并与PIAS家族不同。作为SUMO化中的功能性E3连接酶，IR结构域能够催化若干蛋白如RanGAP1的SUMO化。IR结构域与RanGAP1和Ubc9共同构成一个三聚复合物，介导SUMO-RanGAP1向核孔的定位。在体内，HDAC4，Sp100,干扰素刺激抗原和RanGAP1等蛋白的SUMO化是由IR-结构域介导的。相反，在体外，HDAC4,Sp100,BorealinandPML等蛋白的SUMO化是由RanBP2介导的。(PcGbodies)人多梳2(polycomb2,Pc2)代表第三类E3连接酶。Polycombgroup(PcG)蛋白在细胞核中形成多聚复合物PcG体(PcGbodies)，能够与DNA结合蛋白，例如Rb、E2F相互作用。PcG体在正常情况下存在于中心体附近，这可能是PcG复合体的若干DNA相关基团的形成所导致的。此外，Pc2复合物通过扩大DNA模板抑制DNA活性，也可能通过将距离较远的DNA复合体拉近以易化其相互作用。有实验表明，PcG复合物可以通过组蛋白甲基化增强基因抑制。Pc2属于人PcG蛋白家族。Pc2与Ubc9和CtBP2相互作用，刺激SUMO向CtBP的转化。另外，Pc2可以增强CtBP2的SUMO化，这表明PcG体可能是SUMO化的主要位点。最近研究表明，Pc2是否是SUMO从E2转移到其靶蛋白的催化剂，以及Pc2是否能介导CtBP的修饰尚存争议。1.4.去SUMO化过程去SUMO化由特异性的半胱氨酸(Cys)蛋白酶介导，半胱氨酸已被发现存在于酵母、植物和哺乳动物细胞中。这些酶有两种重要的功能：使SUMO从底物上解离，以及由此提供一个游离SUMO库，以便修饰不同的底物。因此，游离SUMO的来源既有合成的、非成熟的SUMO，也有解离下来的SUMO。一个约200个氨基酸长的C端结构域，亦作类泛素蛋白特异性蛋白酶(Ulp)结构域是SUMO解离的关键，也是SUMO前体剪切产生成熟SUMO多肽的关键。Ulp1和Ulp2这两种半胱氨酸蛋白酶是酵母中特有的。Ulp1位于核孔复合体，是剪切SUMO前体与从底物上移除SUMO所必需的。Ulp2仅仅位于细胞核中，不能剪切SUMO前体，并且以不同于Ulp1的方式去SUMO化。另外，Ulp1参与正常细胞周期进程。而Ulp2对于维持染色体稳定性和细胞周期阻滞后的更新有重要作用。在酵母菌株中敲除Ulp1会增强细胞周期阻滞后的细胞杀伤力，然而敲除Ulp2会增加细胞对于应激的敏感性，因而损伤基因组稳定性。这提示Ulp1和Ulp2并不能从功能上相互替代。Ulp1的底物特异性由N端调节性结构域介导，这一调节性结构域的缺失会导致Ulp2底物的非特异性去SUMO化，以及Ulp1靶蛋白的不完全去SUMO化。1.5.UIp同系物and及其SUMO相关反应在人类中共发现6种Ulp同系物，分别为SENP1-3和SENP5-7。SENP成员在介导SUMO成熟和SUMO异构体剪切方面发挥了不同的作用。SENP1和SENP2特异性地结合SUMO-1和SUMO-2/3，介导SUMO-1和SUM