周元青 劉海軍 徐平

(遵義醫(yī)科大學附屬醫(yī)院神經內科，貴州 遵義 563000)

小泛素樣相關修飾物(SUMO)化作為一種重要的翻譯后修飾出現在細胞生理學的幾乎所有方面〔1〕。SUMO化是一個動態(tài)的多步共軛和去共軛級聯(lián)，由三磷酸腺苷(ATP)依賴的酶催化〔2〕。在神經元中，SUMO化已被證明可調節(jié)蛋白質多種功能，包括蛋白質穩(wěn)定性、染色質組裝、轉錄、DNA修復、亞細胞定位、蛋白質-蛋白質相互作用和蛋白質內穩(wěn)態(tài)〔3〕。SUMO化動態(tài)調節(jié)蛋白質功能，因此，在神經元成熟、突觸形成和可塑性中起重要作用。SUMO化功能障礙與多種神經系統(tǒng)疾病有關。數百種與神經系統(tǒng)疾病發(fā)病機制有關的蛋白質被SUMO修飾，表明SUMO化在神經系統(tǒng)疾病中的重要性〔4〕。通過研究SUMO化對大腦認知功能相關蛋白質和認知障礙疾病相關蛋白質的調控機制，研制出以調控這些蛋白質的SUMO化為靶點的藥物將為許多伴有認知功能障礙的疾病治療帶來曙光。本文就SUMO化調控突觸可塑性和介導認知功能改變研究進展。

1 SUMO化概述

SUMO化是一種高度動態(tài)可逆的目標蛋白質賴氨酸殘基翻譯后修飾，其通過調節(jié)底物蛋白質的構象或蛋白質-蛋白質相互作用來調節(jié)蛋白質信號和復合物的形成。特定蛋白質的SUMO化和去SUMO化在神經元形態(tài)和功能幾乎所有方面的信號傳導途徑中發(fā)揮關鍵作用。蛋白質的SUMO化是由SUMO激活酶E1、SUMO特異性結合酶泛素結合蛋白(Ubc)9和SUMO連接酶E3催化，在一系列SUMO蛋白的特異性蛋白酶(SENPs，SENP1-3,5-7)作用下進行去 SUMO 化。特定蛋白的SUMO修飾在E1/Ubc9/E3 介導的SUMO化及SENPs介導的去SUMO化之間保持平衡〔5〕。

2 SUMO化與突觸可塑性和認知功能

SUMO可與多種細胞蛋白共價結合，并在不同細胞過程中影響蛋白質的細胞定位和生物活性。核蛋白的SUMO化已被廣泛研究，但核外的許多蛋白質也受到SUMO化，盡管對其SUMO化的機制和作用尚不完全清楚。研究表明〔5〕核外蛋白質的SUMO化在調控突觸傳遞、神經元興奮性和細胞對應激的適應性反應中起直接作用。大量的神經元蛋白被確定為SUMO化底物，SUMO化的破壞導致突觸可塑性、神經元興奮性和神經元應激反應的缺陷。認知功能是大腦接受外界刺激后對刺激進行加工處理并獲取有效信息的過程，包含記憶、語言、執(zhí)行、理解和推理等。SUMO化的功能障礙與人類和動物的認知障礙有關〔5,6〕。SUMO化紊亂可引起多種與認知功能障礙相關的神經退行性疾病，如阿爾茨海默病(AD)、帕金森病(PD)和亨廷頓病等，此外還有與認知功能障礙相關的呼吸障礙——阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征(OSAS)。而在調節(jié)離子通道亞單位方面，SUMO化失衡導致各種通道病的發(fā)生〔7,8〕。可塑性是神經發(fā)育和神經系統(tǒng)正常功能的關鍵組成部分，也是對不斷變化的環(huán)境、衰老或病理損傷的反應。可塑性是突觸連接在經歷環(huán)境變化、感覺異常和損傷等后，對自身功能和結構進行調整的能力。它是發(fā)育中神經系統(tǒng)的一個特性，依賴于經驗產生的神經活動可以改變神經回路的功能，進而改變感覺、思維和行為等。突觸可塑性有多種表達形式，其中最重要的是長時程增強(LTP)和長時程抑制(LTD)，可塑性的基本分子水平包括大量參與協(xié)調和相互作用的信號和代謝過程的特定蛋白質(酶、受體、結構蛋白等)，對它們的調節(jié)形成了腦可塑性的分子基礎〔9～12〕。樹突棘是突觸可塑性的重要組成部分，其形態(tài)、數量和類型的改變在突觸可塑性中發(fā)揮重要作用。很多突觸相關蛋白對樹突棘的形成至關重要，而SUMO化可通過修飾突觸相關蛋白調控突觸可塑性。

3 SUMO化調控突觸可塑性

3.1SUMO化與LTP SUMO2的條件性缺失主要發(fā)生在前腦神經元，并表現為各種形式的認知功能受損，如情景記憶和恐懼記憶等。研究表明，這些異常既不能歸因于基因表達的結構性變化，也不能歸因于神經元形態(tài)的改變，而是與突觸可塑性相關的動態(tài)SUMO化的過程受到干擾，在SUMO2基因敲除的小鼠中，海馬認知的功能障礙與維持海馬LTP的顯著缺陷有關〔6〕。小膠質細胞是中樞神經系統(tǒng)免疫防御的主要參與者，小膠質細胞表達磷酸肌醇3-激酶(PI3K)，PI3K在神經元突觸可塑性和小膠質細胞介導的炎癥中均起重要作用。小膠質細胞PI3K在表觀遺傳學上受組蛋白修飾和SUMO化調控，并進一步通過調節(jié)腦源性神經營養(yǎng)因子(BDNF)的表達參與LTP，而LTP參與神經元突觸可塑性〔13〕。一氧化氮(NO)是一種抑制性神經遞質，有助于突觸前和突觸后海馬神經元的同步活動，大腦中NO主要由神經元NO合酶(nNOS)催化產生。nNOS和NO信號通路與學習、記憶和突觸可塑性有關。nNOS-SUMO化通過促進nNOS-NO-細胞外信號調節(jié)激酶(ERK)1/2信號級聯(lián)而成為興奮性突觸LTP的基礎。阻斷活性誘導的nNOS SUMO化將降低LTP相關的活性調節(jié)細胞骨架相關蛋白(Arc)和BDNF的表達，阻斷海馬ERK1/2和轉錄激活因子ETS樣蛋白(Elk)-1的信號傳導〔14〕。含卷曲螺旋C2域蛋白(CC2D)1A是一種進化過程中保守的蛋白質，最初通過大規(guī)模人類基因篩選鑒定為核轉錄因子(NF)-κB激活劑。CC2D1A缺失的小鼠在海馬CA1區(qū)的LTP維持方面出現缺陷，同時CC2D1A缺失也導致CA1區(qū)錐體神經元頂端和基底樹突棘的復雜性降低，而這些改變降低了突觸的可塑性。CC2D1A缺失后觀察到Ras相關C3肉毒菌素底物(Rac)1活性增強，這種增強是通過減少SUMO特異性蛋白酶(SENP)1和SENP3表達介導的，從而增加Rac1 SUMO化的量。簡言之，CC2D1A的條件性缺失通過Rac1過度激活降低海馬突觸可塑性并損害認知功能〔15〕。

3.2SUMO化與樹突棘 樹突棘是參與興奮性神經元突觸傳導的特殊結構。微管細胞骨架對維持樹突棘形態(tài)和突觸成熟至關重要。而樹突棘形態(tài)和數量改變與突觸可塑性密切相關。微管切割蛋白與微管切割蛋白激酶有關，并參與突觸束的形成。微管切割蛋白的SUMO化通過靶向微管動力學促進小鼠谷氨酸受體(GluA)1內化并調節(jié)樹突棘的形態(tài)，進而介導突觸可塑性的改變〔16〕。脆性X智力低下蛋白(FMRP)功能缺失或異常導致樹突棘減少，進而導致突觸傳遞障礙。FMRP是SUMO化的底物，并已確定其SUMO化活性位點。FMRP SUMO化是通過激活代謝型谷氨酸受體來促進的。SUMO化的增加調控了樹突mRNA顆粒內FMRP的同質化，而FMRP反過來又調節(jié)樹突棘的去除與成熟〔17〕。坍塌反應調節(jié)蛋白(CRMP)2的翻譯后修飾在軸突生長、細胞極化和樹突形態(tài)發(fā)生中發(fā)揮重要作用。CRMP2的磷酸化和SUMO化獨立地促進樹突棘的形成和成熟，并參與樹突棘的可塑性過程〔18〕。細胞質聚腺苷酸化元素結合蛋白(CPEB)3調節(jié)了海馬中幾個重要的信使核糖核酸(mRNAs)的翻譯，包括a-氨基-3-羥基-5-甲基-異惡唑-4-丙酸(AMPA)型谷氨酸受體亞單位GluA2和GluA1、N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體亞單位(NR)1、細胞骨架蛋白肌動蛋白和突觸后密度蛋白(PSD)95，這些mRNAs的翻譯對海馬的突觸可塑性有重要影響。SUMO化調控CPEB3的分布、寡聚和活性，而后兩者是記憶維持的關鍵因素〔19〕。在高等動物中，CPEB3有富含脯氨酸和谷氨酰胺的N端朊病毒結構域(PRD)和C端RNA結合結構域(RBD)，可以形成穩(wěn)定的聚集體，這些聚集體可以鞏固突觸強度，并在突觸受到刺激時調節(jié)靶mRNA的局部翻譯。肌動蛋白細胞骨架重塑參與樹突棘的結構改變，在突觸可塑性中具有重要作用，它與突觸的加強有關，因此也與記憶的儲存有關。CPEB3在未形成聚集體之前進行SUMO化可能會抑制CPEB3/F-肌動蛋白的相互作用，然后在受刺激的突觸中去SUMO化會抑制這種相互作用，因此CPEB3的結合、聚集和調節(jié)活性最終可以通過突觸刺激來控制〔20〕。Arc是突觸可塑性和記憶形成的主要調節(jié)因子，但其作用機制尚不清楚。有研究假設Arc被SUMO化，并且在體內LTP期間靶向調節(jié)肌動蛋白細胞骨架，且這一假設也成功建立出相應的模型〔21〕。叉頭框蛋白(FOXP)轉錄抑制物在腦發(fā)育中具有重要作用，其功能障礙導致人類認知障礙。在FOXP1賴氨酸670處的SUMO化是招募共同抑制子羧基末端結合蛋白(CTBP)1和轉錄抑制所必需的。在培養(yǎng)的皮層神經元中敲除FOXP1會阻礙樹突細胞的生長，并且這種表型不能通過替換非SUMO化的FOXP1-K670R突變體來挽救，這表明FOXP1的SUMO化對于調節(jié)適當的神經元形態(tài)發(fā)生是必需的。 FOXP1的SUMO化通過CTBP1調節(jié)轉錄抑制以驅動樹突形態(tài)發(fā)生〔22〕。

3.3SUMO化與其他突觸可塑性相關蛋白 CRMPs在人類的神經元中廣泛表達。CRMPs的一個主要特征是通過與細胞骨架蛋白的相互作用，介導生長錐塌陷對信號素3A信號的反應。這些是CRMPs在神經細胞生成和神經網絡形成過程中的重要調節(jié)作用。通過翻譯后修飾，如SUMO化、磷酸化、O-GlcNAc糖基化和蛋白水解裂解，CRMPs通過調節(jié)NMDA受體、L型和N型電壓門控鈣通道(VGCC)參與突觸可塑性，從而影響神經遞質的釋放〔23〕。Loriol等〔24〕研究發(fā)現代謝型谷氨酸受體(mGluR)5的激活，通過短暫限制Ubc9從樹突棘擴散，增加了Ubc9的突觸駐留時間。維持這種突觸保留的機制可能涉及Ubc9與蛋白激酶(PK)C磷酸化突觸底物的結合，導致Ubc9的短暫性突觸捕獲增加進而導致突觸SUMO化的增加。簡單來說便是這種活性依賴的Ubc9在突觸中的募集和保留可能促進SUMO化的動態(tài)上調，以調節(jié)突觸傳遞和可塑性。在神經系統(tǒng)中，活化T細胞核因子(NFAT)轉錄因子家族的四個鈣/鈣調神經磷酸酶調節(jié)成員NFATc1～c4參與許多大腦發(fā)育和功能形成的過程，如皮質生成、突觸形成、突觸可塑性和神經傳遞等，且都需要精確的基因調控。在原代海馬神經元中，SUMO化抑制NFATc1、NFATc2和NFATc3亞型的轉錄活性，而在皮層神經元中，只有NFATc1和NFATc2的反式激活能力被SUMO化抑制〔25〕。

4 SUMO化介導認知功能改變

4.1SUMO化與AD AD是最常見的神經退行性疾病，其特征是存在兩種主要的神經病理學改變：由β-淀粉樣蛋白(Aβ)組成的細胞外老年斑(SP)和由異常高磷酸化tau組成的細胞內神經原纖維纏結(NFTs)。蛋白磷酸酶(PP)2A是tau磷酸化的主要調節(jié)因子， PP2A活性的抑制導致tau過度磷酸化，被認為是NFTs形成的主要驅動因素。PP2A主要由內源性核蛋白抑制劑2(I2PP2A)調節(jié),又稱SET調節(jié)。SET主要在K68殘基上被SUMO化，導致其從細胞核到細胞質的易位，并在細胞質中滯留，隨后誘導PP2A的抑制和tau的過度磷酸化，最終導致AD樣tau蛋白生成增加和認知缺陷〔26〕。限速β分泌酶BACE(BACE)1主要是在K501殘基上SUMO化，這提高了它的蛋白酶活性和穩(wěn)定性，隨后增加了Aβ的產生，導致AD小鼠模型出現認知缺陷〔27〕。突觸功能障礙已被認為是AD發(fā)病時的早期特征。神經傳遞的受損會導致突觸喪失，這些事件與認知衰退相關，且會逐漸影響AD患者。SUMO化水平的改變有助于延緩AD發(fā)病時突觸改變的發(fā)展，SUMO化可能是AD突觸功能障礙的一個藥理學靶點〔28〕。

4.2SUMO修飾與OSAS OSAS是一種與認知障礙相關的呼吸障礙。間歇性缺氧(IH)是OSAS的一個重要特征。而IH引起的認知功能下降與小膠質細胞介導的神經炎癥有關。分子生物學結果顯示，IH可誘導炎癥反應及體內NF-κB活化、白細胞介素(IL)-1β和腫瘤壞死因子(TNF)-α表達上調。IH降低了SENP1的表達，增加了NF-κB必需調節(jié)蛋白(NEMO)的SUMO化，而非NF-κBP65。SENP1過表達抑制了IH介導的炎癥反應和NEMO的SUMO化。然而，沉默 NEMO基因取消了這種抑制作用。SENP1缺失增強了IH誘導的炎癥反應和NEMO的SUMO化，伴隨著潛伏期的增加和停留時間的縮短。SENP1通過調節(jié)NEMO的SUMO化來調節(jié)IH誘導的神經炎癥，從而激活NF-κB通路，提示在小膠質細胞中靶向SENP1可能是IH誘導的認知功能下降的一種新的治療策略〔29〕。SENP1在IH相關認知功能障礙中起著重要作用。過氧化物酶體增殖物激活受體(PPARs)分為3 種不同的亞型：PPARα、PPARβ/δ和PPARγ。SENP1缺失通過促進PPARγ的SUMO化，降低PPARγ水平，從而加劇了神經炎癥和神經元凋亡，最終加重IH誘導的認知功能下降〔30〕。

4.3SUMO化與PD SUMO化參與PD相關的幾種途徑，包括α-突觸核蛋白生物學和病理學的變化、DJ-1活性的調節(jié)、線粒體和溶酶體生物發(fā)生的轉錄因子的調節(jié)、線粒體分裂機制的調控。α-突觸核蛋白的積累和聚集是PD的核心機制，然而導致這些事件的分子機制尚不完全清楚。α-突觸核蛋白的翻譯后修飾調節(jié)了其一些性質，包括降解、與蛋白質和膜的相互作用、聚集和毒性。SUMO化是一種翻譯后修飾，參與亞細胞蛋白靶向、線粒體分裂和突觸可塑性等核內外過程。多種α-突觸核蛋白賴氨酸殘基與SUMO結合及SUMO連接酶和SUMO同源異構體的參與，有助于α-突觸核蛋白SUMO化，SUMO化模式的差異可能導致α-突觸核蛋白正常和病理功能的復雜調節(jié)，包括降解、細胞內分布、蛋白質相互作用和聚集〔31〕。由于α-突觸核蛋白是一種突觸前蛋白，突觸前SUMO化機制的發(fā)現支持α-突觸核蛋白SUMO化的重要性。SUMO化也可能調節(jié)α-突觸核蛋白在突觸前的作用〔32〕。

4.4SUMO化與其他認知功能相關疾病 七氟烷暴露增加老年小鼠海馬SENP3表達和動力相關蛋白(Drp)1去SUMO化，導致認知功能缺陷。亞甲藍(MB)減輕七氟烷引起的老年小鼠海馬記憶喪失和線粒體斷裂，降低Drp1去SUMO化〔33〕。長期大量飲酒對認知功能有損害，酒精誘導的Toll樣受體(TLR)4信號在青春期和成年大鼠腦內均有激活和引起炎癥反應，SENP6通過NEMO的去SUMO化來抑制NF-κB的活化并最終抑制神經炎癥。酒精暴露通過TLR4激活和SENP6調節(jié)誘導海馬小膠質細胞激活和神經炎癥從而影響認知功能〔34〕。

綜上，突觸可塑性有助于認知過程，包括學習、記憶、情緒和行為。SUMO化可以調控突觸可塑性介導認知功能改變，同時也可以通過靶向修飾其他蛋白質影響認知功能。目前與認知功能相關的許多蛋白質仍未被研究，而認知功能相關蛋白質SUMO化的功能障礙與人類和動物的認知障礙有關，對大腦中認知功能相關蛋白質的SUMO化進行調控可能為開發(fā)治療認知功能障礙相關疾病如AD、PD、OSAS等靶向藥物提供新策略。