徐 瑞 王 可 李云智 張秀紅***

（1）安徽醫(yī)科大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，合肥 230032；2）合肥綜合性國家科學(xué)中心人工智能研究院，合肥 230088；3）安徽省第二人民醫(yī)院生殖醫(yī)學(xué)中心，合肥 230041）

小分子泛素相關(guān)修飾物蛋白（small ubiquitinrelated modifier protein，SUMO）化修飾作為可逆的蛋白質(zhì)翻譯后修飾的一種重要修飾形式，在蛋白質(zhì)的活性、定位和穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用。SUMO（又稱為sentrin）的大小約為10 ku，作為類泛素修飾物（UBLs）的一種，SUMO有類似于泛素的三維結(jié)構(gòu)［1］，但兩者的序列同源性僅有18%左右，且兩者總體表面電荷分布不同，并且SUMO具有泛素中沒有的帶電荷短氨基末端延伸，這表明兩者具有不同的功能。泛素與蛋白酶體介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解有關(guān)，而SUMO化修飾不具備這種功能。

在低等真核生物如酵母和其他無脊椎動物中，只表達(dá)1種單一的SUMO形式，也稱為SMT3，而人類基因組編碼至少4種亞型的SUMO蛋白，分別是SUMO1、SUMO2、SUMO3和SUMO4［1-2］。在氨基酸水平上，SUMO2與SUMO3具有97%的同源性（通常簡稱為SUMO2/3），而與SUMO1只有46%的同源性。SUMO1和SUMO2/3在體內(nèi)廣泛表達(dá)，但由于它們結(jié)合的底物蛋白不同，所以它們在功能上有很大的不同。SUMO4主要在腎臟、脾臟和淋巴結(jié)等特定組織中表達(dá)，盡管SUMO4的功能尚不清楚，但Song等［3］研究發(fā)現(xiàn)，SUMO4與1型糖尿病的易感性具有相關(guān)性。有趣的是，最近的研究還發(fā)現(xiàn)了一種新的頗有爭議的SUMO亞型——SUMO5，被認(rèn)為是核小體調(diào)控因子。然而，SUMO5是否為翻譯所需的內(nèi)源性蛋白質(zhì)，還需要進(jìn)一步研究［4］。

在大多數(shù)生物中，SUMO化修飾在調(diào)控生物學(xué)過程中扮演重要角色。例如在基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控、DNA修復(fù)、核質(zhì)運輸和細(xì)胞信號傳導(dǎo)等方面的作用已有較多的研究。本綜述專注于SUMO化修飾在胚胎發(fā)育及器官發(fā)生過程中的作用。

1 SUMO化的分子機(jī)制

SUMO化是一個動態(tài)可逆的過程（圖1），主要結(jié)合在靶蛋白保守序列（Ψ-K-X-［D/E］）上，其中Ψ是任何大的疏水殘基（如I、V或L），K是目標(biāo)Lys，X可以是任意氨基酸，D/E是Asp/Glu［5-6］。SUMO分子與目標(biāo)蛋白的共價結(jié)合涉及4個酶促反應(yīng)（由SUMO蛋白酶、E1酶、E2酶和E3酶介導(dǎo)），使SUMO羧基末端的甘氨酸殘基與靶蛋白賴氨酸殘基上的ε氨基之間形成異肽鍵。這一過程類似于泛素化，但兩者之間涉及的酶不同［2，7］。

SUMO蛋白最初以非成熟的無活性前體形式存在，由泛素樣蛋白加工酶（ULPs）或SUMO特異性蛋白酶（SENPs）切除羧基末端的2～11個氨基酸延伸以暴露雙甘氨酸殘基而成熟。隨后，在E1活化酶（由AOS1-UBA2組成的異二聚體）的作用下，SUMO的C末端羧基和UBA2的催化Cys殘基之間形成硫酯鍵充當(dāng)中間體，這一過程需要ATP的參與。接下來，該異二聚體通過酯交換反應(yīng)將活化的SUMO轉(zhuǎn)移到E2結(jié)合酶UBC9上。最后，UBC9通常與E3連接酶一起，通過在SUMO的C端Gly殘基與目標(biāo)蛋白的Lys側(cè)鏈之間形成一個異肽鍵，將SUMO轉(zhuǎn)移至底物。在哺乳動物中E3連接酶由PIAS家族蛋白基因編碼，包括PIAS1、PIAS3、PIASxα、PIASxβ和PIASy 5種亞型［8］。

參與SUMO前體加工的ULPs/SENPs還具有將SUMO從底物中解離的作用，這一過程稱為去SUMO化［9］。在人類中，已經(jīng)鑒定出6個SENP成員：SENP1、SENP2、SENP3、SENP5、SENP6和SENP7［10-11］。根據(jù)亞細(xì)胞定位、序列同源性和底物特異性，可將其分為3個亞家族：SENP1和SENP2屬于第一個亞家族，可以使SUMO1或SUMO2/3修飾的底物去SUMO化；第二個亞家族包括SENP3和SENP5；第三個亞家族由SENP6和SENP7組成，這兩組優(yōu)先使SUMO2/3與底物脫偶聯(lián)。盡管蛋白質(zhì)的SUMO化和去SUMO化之間處于微妙的平衡狀態(tài)，但如何調(diào)節(jié)這一過程對于大多數(shù)底物來說仍然知之甚少。

Fig.1 The mechanism of reversible sumoylation圖1 可逆的SUMO化機(jī)制

2 SUMO化在哺乳動物發(fā)育中的功能

胚胎發(fā)育是一個復(fù)雜的過程，這一過程依賴于基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的精細(xì)協(xié)調(diào)。幾種發(fā)育模型系統(tǒng)的使用已經(jīng)確定了SUMO化在調(diào)控這一基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò)中扮演著重要角色，在多種生物的早期胚胎發(fā)育中發(fā)揮著重要作用。

SUMO途徑的組成成分（包括SUMO、E2酶、E3酶和SENPs）在哺乳動物早期胚胎發(fā)育以及隨后的器官發(fā)生過程中起著關(guān)鍵作用（表1）。下面將詳細(xì)概述SUMO化修飾系統(tǒng)各組成成分在發(fā)育中的作用。

2.1 SUMO在哺乳動物發(fā)育中的作用

如上文所述，除了組織特異性表達(dá)的SUMO4外，哺乳動物體內(nèi)主要表達(dá)3種蛋白（SUMO1～3）。在小鼠的整個胚胎發(fā)育過程中，SUMO1～3都廣泛存在，但SUMO1似乎并不是胚胎發(fā)育的關(guān)鍵決定因素，因為SUMO1基因敲除小鼠是可以存活的，并且沒有任何明顯的表型［12-13］。Wang等［14］通過構(gòu)建SUMO2和SUMO3基因敲除小鼠，證明SUMO2的缺失會導(dǎo)致胚胎致死，而SUMO3則無明顯表型。此外，Yang等［15］通過用siRNA顯微注射的方法敲低小鼠受精卵中SUMO2表達(dá)，發(fā)現(xiàn)體外囊胚發(fā)育率顯著降低，推測SUMO2可能通過H3K27me3調(diào)節(jié)多能性基因OCT4、NANOG和SOX2的定位表達(dá)，從而影響小鼠植入前胚胎發(fā)育。

與 上 述 結(jié) 果 相 反，Alkuraya等［16］通 過 對SUMO1基因陷阱突變（RRQ016）小鼠進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)雜合子胚胎發(fā)育會產(chǎn)生顱面缺陷。SUMO1在顱面發(fā)育中作用最直接的證據(jù)表明是來自對一位患有唇腭裂的女性患者的染色體分析，發(fā)現(xiàn)其染色體2q和8q之間發(fā)生易位［16］。在2號染色體上定位斷點顯示編碼SUMO1的基因發(fā)生了中斷，并被預(yù)測會導(dǎo)致單倍體的缺失。并且已有研究發(fā)現(xiàn)，某些腭裂基因（如Eya1、Msx1和Tbx2等）與SUMO1的表達(dá)重疊，可作為SUMO化的底物［16-18］?？偠灾?，這些結(jié)果表明，SUMO1在小鼠顱面發(fā)育中具有重要作用。

有 趣 的 是，Lee等［19］的 研 究 結(jié) 果 發(fā) 現(xiàn)，SUMO1的過度表達(dá)對小鼠胚胎細(xì)胞系有毒害作用，存活的細(xì)胞群體通過降低游離SUMO1的水平來獲得適應(yīng)性，提示高濃度的SUMO1水平可能不利于早期胚胎發(fā)育。

2.2 UBC9在哺乳動物發(fā)育中的作用

UBC9是SUMO修飾途徑中由單個基因編碼的蛋白質(zhì)，也是唯一的SUMO E2酶，其缺失會完全消除SUMO化。盡管針對不同物種描繪了不同的表型，但這些研究都證明UBC9從發(fā)育的早期階段就發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。它參與了有絲分裂的各個方面（包括染色體分離和完整性、細(xì)胞周期進(jìn)程、動粒組裝和胞質(zhì)分裂等），這些功能最初是在酵母模型中觀察獲得的［20］。在小鼠胚胎發(fā)育中，UBC9的作用更為明顯，表現(xiàn)為UBC9功能缺失的小鼠胚胎在染色體分離中顯示出嚴(yán)重缺陷，并導(dǎo)致植入后早期胚胎死亡以及胚泡內(nèi)細(xì)胞團(tuán)細(xì)胞的選擇性凋亡［21］。而Xu等［22］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在體外培養(yǎng)的豬卵母細(xì)胞中添加不同濃度的UBC9時，隨著UBC9濃度的增加，卵母細(xì)胞的成熟率、存活率以及囊胚形成率均顯著降低，表明適宜濃度的UBC9對于早期的胚胎發(fā)育至關(guān)重要。

2.3 PIAS家族在哺乳動物發(fā)育中的作用

在SUMO途徑的組成成分中，PIAS蛋白家族具有最大的多樣性。PIAS蛋白通常以SUMO偶聯(lián)無關(guān)的方式參與胚胎發(fā)育過程，并在發(fā)育過程中表現(xiàn)出特定的基因表達(dá)模式。Liu等［23］報道了PIAS1的缺失會導(dǎo)致小鼠胚胎致死，但缺乏進(jìn)一步的研究。而Constanzo等［24］通過生成兩個新穎的小鼠突變株（組成性或有條件地使PIAS1基因失活），并分析了處在不同發(fā)育階段的胚胎，發(fā)現(xiàn)大約90%PIAS1缺失的胚胎在E10.5和E12.5之間死亡，并且卵黃囊的紅細(xì)胞生成和血管生成存在缺陷。此外，由于心肌質(zhì)量的損傷會損害胎兒發(fā)育過程中的心臟發(fā)育。已知Gata1和Gata4能發(fā)生SUMO化［25］，并且其缺失會導(dǎo)致紅細(xì)胞生成障礙和心臟發(fā)育異常［26-27］，而PIAS1與Gata1/4共定位［24］，表明可能是PIAS1促進(jìn)了Gata1/4的SUMO化。Lee等［28］研究表明，PIAS1賦予了Msx1（一種同源盒基因，在發(fā)育過程中起調(diào)節(jié)細(xì)胞分化的作用）DNA結(jié)合特異性，從而有助于阻止成肌細(xì)胞前體的終末分化。此外，在胚胎發(fā)育過程中還會發(fā)生胚泡與子宮之間的對話，發(fā)育蛋白hedgehog（IHH）參與了這一過程。有研究表明，IHH的轉(zhuǎn)錄因子gli-krüppel家族成員Gli蛋白是SUMO1的靶標(biāo)，而PIAS1的表達(dá)進(jìn)一步增強了培養(yǎng)細(xì)胞和胚胎中Gli蛋白的轉(zhuǎn)錄活性，從而促進(jìn)胚胎發(fā)育過程［29］。

PIAS3在小鼠視網(wǎng)膜發(fā)育中具有獨特的表達(dá)模式。視網(wǎng)膜光感受器分為視桿和視錐兩個亞型，在體視網(wǎng)膜發(fā)育過程中PIAS3的過度表達(dá)會促進(jìn)視桿的分化并抑制視錐特異基因的表達(dá)［30］。此外，作者還發(fā)現(xiàn)PIAS3能結(jié)合CRX和NR2E3（視桿光感受器及其前體中共表達(dá)的兩種轉(zhuǎn)錄因子），且PIAS3能催化NR2E3的SUMO化。他們另一項研究中發(fā)現(xiàn)，PIAS3在視錐細(xì)胞中也起作用，通過調(diào)節(jié)視錐視蛋白基因不同亞型的正確表達(dá)來保證色覺發(fā)育正常［31］。

在小鼠胚胎的2細(xì)胞階段和人胚胎的4～8細(xì)胞階段會發(fā)生合子基因組激活（ZGA）以確保隨后的胚胎發(fā)育［32-34］，ZGA期間的任何錯誤都可能導(dǎo)致胚胎發(fā)育終止，對生物體產(chǎn)生嚴(yán)重影響。據(jù)報道，轉(zhuǎn)錄因子雙同源盒（DUX）可激活大量下游的ZGA轉(zhuǎn)錄物，其缺失會造成嚴(yán)重的植入前發(fā)育缺陷［35-36］。Yan等［37］研究確定了發(fā)育相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子多能性2和4（DPPA2/4）可直接上調(diào)DUX的表達(dá)來調(diào)控ZGA過程。此外，作者發(fā)現(xiàn)DPPA2可發(fā)生SUMO化，其活性受到PIASy（又被稱為PIAS4）的負(fù)調(diào)控。Wong等［38］和Roth等［39］分別研究了PIASy敲除小鼠的特征，發(fā)現(xiàn)PIASy對小鼠的胚胎發(fā)生或成年生活不是必需的。胚胎沒有明顯的表型異常，表明存在其他PIAS蛋白的補償作用。然而，受精卵中PIASy的過表達(dá)會導(dǎo)致嚴(yán)重的染色體分離異常和合子轉(zhuǎn)錄受損，在兩細(xì)胞階段引起發(fā)育 停 滯［37，40］。此 外，PIASy過 表 達(dá) 的 胚 胎 其H3K9me3的三甲基化水平更高，表明PIASy對于調(diào)控合子基因組激活和胚胎發(fā)育至關(guān)重要［40］。

2.4 SENPs在哺乳動物發(fā)育中的作用

SUMO特異性蛋白酶（SENPs）在調(diào)節(jié)SUMO化和去SUMO化的動態(tài)平衡之間發(fā)揮著重要作用，迄今為止所報道的SENP基因敲除小鼠的胚胎都不能存活直至出生，這表明SENPs沒有冗余作用，具有特定的底物特異性。Yamaguchi等［41］通過在小鼠SENP1（SuPr-2）基因中插入逆轉(zhuǎn)錄病毒使得其表達(dá)降低，發(fā)現(xiàn)SUMO1的SUMO化水平顯著提高，而SUMO2/3與靶蛋白結(jié)合水平無明顯變化。Sharma等［42］的研究進(jìn)一步驗證了這一結(jié)果，表明SENP1對SUMO1具有特異性［43］。此外，還有報道SENP1功能完全失活的轉(zhuǎn)基因小鼠由于缺氧誘導(dǎo)因子1α（HIF1α）的穩(wěn)定性失調(diào)而發(fā)生造血缺陷［44］。無 獨 有 偶，Caniggia等［45］研 究 發(fā) 現(xiàn)，SENP3通過調(diào)控SUMO2/3的SUMO化水平來調(diào)節(jié)HIF1α的穩(wěn)定性，在人類胎盤發(fā)育中具有重要作用，從而確保了胎兒的正常生長。

SENP2與SENP1關(guān)系最密切，可以使SUMO1或SUMO2/3修飾的蛋白質(zhì)解偶聯(lián)［46］。Kang等［47］研究了SENP2敲除小鼠的表型，發(fā)現(xiàn)小鼠胚胎心臟發(fā)育發(fā)生缺陷，并且心臟發(fā)育所需的Gata4和Gata6表達(dá)降低。作者證明SENP2通過啟動子Pc2/CBX4調(diào)節(jié)Gata4和Gata6的轉(zhuǎn)錄，對于調(diào)控胚胎發(fā)育中多梳基團(tuán)蛋白介導(dǎo)的基因沉默至關(guān)重要。Yu等［48］研究發(fā)現(xiàn)，SENP2介導(dǎo)的胎盤形成需要SUMO2/3的存在，其缺失會造成嚴(yán)重的胎盤缺陷，并導(dǎo)致與心臟和大腦發(fā)育畸形相關(guān)的胚胎死亡。而最近的一項研究結(jié)果顯示，SENP5在心臟結(jié)構(gòu)的發(fā)育中也起著至關(guān)重要的作用［49］。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)妊娠母鼠處于缺鋅狀態(tài)時，會促使胚胎過度表達(dá)SENP5，從而導(dǎo)致心臟發(fā)育異常［49］。

此外，Huang等［50］研究發(fā)現(xiàn)，敲除SENP7基因會導(dǎo)致小鼠成熟卵子大量減少，并且胚胎出現(xiàn)分裂缺陷和進(jìn)行性退化，從而確定了SENP7是胚胎發(fā)育程序的新決定因素。而SENP6在哺乳動物胚胎發(fā)育中的作用還未見詳細(xì)報道，有待進(jìn)一步研究。

Table 1 Roles of components of the SUMO pathway in development表1 SUMO通路的各組成成分在發(fā)育中的作用

3 總 結(jié)

SUMO化修飾是調(diào)節(jié)多種發(fā)育調(diào)節(jié)因子活性的一種非常有效的方式，這在對胚胎的相關(guān)研究中已得到證實。在所有已知影響細(xì)胞發(fā)育的機(jī)制中都存在SUMO化修飾，包括轉(zhuǎn)錄調(diào)控、蛋白質(zhì)穩(wěn)定性或蛋白質(zhì)在細(xì)胞中的穿梭。SUMO化修飾過程受微環(huán)境和很多因素的誘導(dǎo)，主要功能為誘導(dǎo)胚胎發(fā)育及器官發(fā)生。此外，已有研究表明在卵巢、子宮等雌性生殖系統(tǒng)中也都涉及SUMO化修飾。在生理狀況下發(fā)生的SUMO化修飾一旦失調(diào)，則可能引發(fā)生殖疾病。鑒于篇幅限制，本綜述沒有進(jìn)一步闡述。

綜上所述，SUMO化修飾對于了解正常的發(fā)育過程以及病理過程具有重要的意義，為研究防治一些生殖疾病提供新的思路和方法，未來值得進(jìn)一步深入研究。