Модификация белков SUMO: функции и механизмы

Введение

Семья белков, которые присоединяются к другим белкам для их модификации.

В молекулярной биологии белки SUMO (Small Ubiquitin like Modifier) – это семейство небольших белков, которые ковалентно присоединяются к другим белкам в клетках и отсоединяются от них, модифицируя их функцию. Этот процесс называется SUMOилированием (иногда записывается как sumoylation). SUMOилирование – это посттрансляционная модификация, участвующая в различных клеточных процессах, таких как ядерно-цитоплазменный транспорт, регуляция транскрипции, апоптоз, стабильность белков, ответ на стресс и прогрессия клеточного цикла. Белки SUMO сходны с убиквитином и рассматриваются как члены семейства белков, подобных убиквитину. SUMOилирование направляется ферментативным каскадом, аналогичным тому, что участвует в убиквитинировании. В отличие от убиквитина, SUMO не используется для маркировки белков для деградации. Зрелый SUMO образуется, когда отщепляются последние четыре аминокислоты C-конца, что позволяет сформировать изопептидную связь между C-концевым остатком глицина SUMO и акцепторным лизином на целевом белке. Члены семейства SUMO часто имеют различные названия; например, гомолог SUMO у дрожжей называется SMT3 (suppressor of mif two 3). В геноме человека было обнаружено несколько псевдогенов для генов SUMO.

Функция

Модификация белков SUMO выполняет множество функций. Среди наиболее частых и хорошо изученных – стабильность белков, ядерно-цитозольный транспорт и регуляция транскрипции. Как правило, лишь небольшая доля данного белка подвергается SUMOилированию, и эта модификация быстро обратима благодаря действию деSUMOилирующих ферментов. Показано, что SUMOилирование целевых белков приводит к различным последствиям, включая изменение локализации и взаимодействующих партнеров. SUMOилирование RanGAP1 (первого идентифицированного субстрата SUMO) приводит к его перемещению из цитозоля в ядерный пористый комплекс. SUMOилирование нинеина вызывает его перемещение из центросомы в ядро. Во многих случаях SUMOилирование регуляторов транскрипции коррелирует с ингибированием транскрипции. Более подробную информацию можно найти в GeneRIFs белков SUMO, например, человеческого SUMO 1. У человека подтверждено 4 изоформы SUMO: SUMO 1, SUMO 2, SUMO 3 и SUMO 4. На уровне аминокислотной последовательности SUMO1 примерно на 50% идентичен SUMO2. SUMO 2/3 демонстрируют высокую степень сходства друг с другом и отличаются от SUMO 1. SUMO 4 проявляет сходство с SUMO 2/3, но отличается наличием пролина вместо глутамина в позиции 90. В результате SUMO 4 не подвергается процессингу и конъюгации в нормальных условиях, но используется для модификации белков в стрессовых ситуациях, таких как голодание. Во время митоза SUMO 2/3 локализуются в центромерах и конденсированных хромосомах, в то время как SUMO 1 локализуется в митотическом веретене и средней зоне веретена, что указывает на то, что паралоги SUMO регулируют различные митотические процессы в клетках млекопитающих. Один из основных продуктов конъюгации SUMO, связанных с митотическими хромосомами, образуется в результате конъюгации SUMO 2/3 с топоизомеразой II, которая модифицируется исключительно SUMO 2/3 во время митоза. Модификации SUMO 2/3, по-видимому, специфически вовлечены в стрессовый ответ. SUMO 1 и SUMO 2/3 могут образовывать смешанные цепочки, однако, поскольку SUMO 1 не содержит внутренних SUMO-консенсусных сайтов, присутствующих в SUMO 2/3, считается, что он завершает эти поли-SUMO-цепочки. Серин 2 SUMO 1 фосфорилирован, что порождает концепцию «модифицированного модификатора».

SUMO modification of proteins has many functions. Among the most frequent and best studied are protein stability, nuclear cytosolic transport, and transcriptional regulation. Typically, only a small fraction of a given protein is SUMOylated and this modification is rapidly reversed by the action of deSUMOylating enzymes. SUMOylation of target proteins has been shown to cause a number of different outcomes including altered localization and binding partners. The SUMO 1 modification of RanGAP1 (the first identified SUMO substrate) leads to its trafficking from cytosol to nuclear pore complex. The SUMO modification of ninein leads to its movement from the centrosome to the nucleus. In many cases, SUMO modification of transcriptional regulators correlates with inhibition of transcription. One can refer to the GeneRIFs of the SUMO proteins, e. g. human SUMO 1, to find out more. There are 4 confirmed SUMO isoforms in humans; SUMO 1, SUMO 2, SUMO 3 and SUMO 4. At the amino acid level, SUMO1 is about 50% identical to SUMO2. SUMO 2/3 show a high degree of similarity to each other and are distinct from SUMO 1. SUMO 4 shows similarity to SUMO 2/3 but differs in having a Proline instead of Glutamine at position 90. As a result, SUMO 4 isn't processed and conjugated under normal conditions, but is used for modification of proteins under stress conditions like starvation. During mitosis, SUMO 2/3 localize to centromeres and condensed chromosomes, whereas SUMO 1 localizes to the mitotic spindle and spindle midzone, indicating that SUMO paralogs regulate distinct mitotic processes in mammalian cells. One of the major SUMO conjugation products associated with mitotic chromosomes arose from SUMO 2/3 conjugation of topoisomerase II, which is modified exclusively by SUMO 2/3 during mitosis. SUMO 2/3 modifications seem to be involved specifically in the stress response. SUMO 1 and SUMO 2/3 can form mixed chains, however, because SUMO 1 does not contain the internal SUMO consensus sites found in SUMO 2/3, it is thought to terminate these poly SUMO chains. Serine 2 of SUMO 1 is phosphorylated, raising the concept of a 'modified modifier'.

Реакция на повреждение ДНК

Клеточная ДНК регулярно подвергается воздействию повреждающих факторов. Для нейтрализации потенциально вредных последствий повреждений обычно используется хорошо регулируемый и сложный ответ на повреждение ДНК (DDR). При возникновении повреждений ДНК, белок SUMO выступает в роли молекулярного клея, способствуя сборке крупных белковых комплексов в очагах репарации. Кроме того, SUMOилирование может изменять биохимическую активность и взаимодействия белка. SUMOилирование играет роль в основных путях репарации ДНК, включая репарацию иссечения оснований, репарацию иссечения нуклеотидов, негомологичное соединение концов и гомологичное рекомбинационное восстановление. Структура человеческого SUMO1 изображена справа. Она показывает SUMO1 как глобулярный белок, у которого оба конца аминокислотной цепи (показаны красным и синим) выступают из центра белка. Сферическое ядро состоит из альфа-спирали и бета-листа. Представленные схемы основаны на ЯМР-анализе белка в растворе.

Прикрепление SUMO (SUMOylation)

Прикрепление SUMO к своей мишени аналогично прикреплению убиквитина (как и для других белков, подобных убиквитину, таких как NEDD 8). Прекурсор SUMO содержит дополнительные аминокислоты, которые необходимо удалить, поэтому C-концевой пептид отщепляется от прекурсора SUMO протеазой (у человека это SENP-протеазы или Ulp1 у дрожжей), что позволяет выявить диглициновый мотив. Полученный SUMO затем связывается с ферментом E1 (активирующий фермент SUMO (SAE)), который является гетеродимером (субъединицы SAE1 и SAE2). Затем он передается ферменту E2, являющемуся конъюгирующим ферментом (Ubc9). Наконец, один из небольшого числа E3-лигаз присоединяет его к белку-мишени. У дрожжей существует четыре E3-белка SUMO: Cst9, Mms21, Siz1 и Siz2. В то время как при убиквитинировании E3 необходим для присоединения убиквитина к мишени, данные свидетельствуют о том, что E2 достаточно для SUMOилирования при наличии консенсусной последовательности. Считается, что E3-лигаза повышает эффективность SUMOилирования, и в некоторых случаях было показано, что она направляет конъюгацию SUMO на неконсенсусные мотивы. E3-ферменты в основном можно классифицировать как белки PIAS, такие как Mms21 (член комплекса Smc5/6) и Pias gamma, а также белки HECT. На 17-й хромосоме генома человека SUMO2 расположен рядом с SUMO1+E1/E2 и SUMO2+E1/E2, среди прочих. Некоторые E3, такие как RanBP2, однако, не относятся к этим классам. Недавние данные показали, что PIAS gamma необходим для SUMOилирования транскрипционного фактора yy1, но не зависит от цинкового пальца (идентифицированного как функциональный домен E3-лигаз). SUMOилирование является обратимым и удаляется с мишеней специфическими SUMO-протеазами. У почкующихся дрожжей протеаза Ulp1 SUMO находится, связанной с ядерной порой, в то время как Ulp2 находится в нуклеоплазме. Отличительная субъядерная локализация деSUMOилирующих ферментов сохраняется у высших эукариот.

ДеСУМОиляция

SUMO может быть удален из его субстрата, что называется деСУМОилированием. Специфические протеазы опосредуют эту процедуру (SENP у человека или Ulp1 и Ulp2 у дрожжей). Эта нерастворимость может быть обусловлена наличием кодонов, которые E. coli считывает неэффективно, различиями в евкариотических и прокариотических рибосомах или недостатком соответствующих молекулярных шаперонов для правильной укладки белка. Для очистки таких белков может потребоваться слияние белка, представляющего интерес, с тегом, повышающим растворимость, таким как SUMO или MBP (белок, связывающий мальтозу), чтобы увеличить растворимость белка. SUMO впоследствии может быть отщеплен от белка, представляющего интерес, с помощью SUMO-специфической протеазы, такой как пептидаза Ulp1.