小遍在蛋白质样修饰物化修饰及其在非综合征性唇腭裂发病中的意义

作者：廖礼姝，蒙田综述 郑 谦，石 冰审校    作者单位：四川大学华西口腔医院唇腭裂外科 四川 成都 610041     【摘要】  蛋白组学研究发现，转录后蛋白质的小遍在蛋白质样修饰物（SUMO）化修饰在生物体生命活动中发挥着广泛的生理作用。SUMO家族中的SUMO-1广泛参与了唇腭裂易感基因转录后蛋白质的SUMO化修饰。本文就SUMO化修饰及其在非综合征性唇腭裂发病中的意义作一综述。

    【关键词】  小遍在蛋白质样修饰物； 修饰； 非综合征性； 唇腭裂

    Role of small ubiquitin like modifier in etiology of nonsyndromic cleft lip and palate  LIAO Li-shu, MENG Tian, ZHENG Qian, SHI Bing. （Dept. of Cleft Lip and Palate Surgery, West China College of Stomatology, SichuanUniversity, Chengdu 610041, China）

    [Abstract]  According to the proteomics, post-translational modification of proteins by small ubiquitin like modifier（SUMO） have many and variable consequences and have a key role in regulating and expanding the diversity of function in the proteome. A family member of SUMO, SUMO-1 participated most of the post-translational modification of proteins related to cleft lip and palate.

    [Key words]  small ubiquitin like modifier； modification； nonsyndromic； cleft lip and palate

    非综合征性唇腭裂（nonsyndromic cleft lip and palate，NSCL/P）是一种多基因性遗传疾病，也是人类中最常见的出生缺陷之一。研究发现，干扰素调节因子（interferon regulatory factor，irf）-6、msx-1、转化生长因子（transforming growth factor，tgf）-β3、亚甲基四氢叶酸还原酶（methylene-te-trahydrofolate reductase，mthfr）、T-box基因家族转录调控因子（T-box transcription factor，tbx）-22、成纤维细胞生长因子受体（fibroblast growth factor receptor，fgfr）-1和eya（eyes absent）-1等基因与NSCL/P的发生密切相关，但单一基因致NSCL/P仅为3%～5%[1-7]。这主要是NSCL/P的发生同时受到多个基因的共同影响，而且基因之间可能存在多种相互作用，疾病的发生与环境因素密切相关。因此，揭示和发现与多种易感基因有共同关系的相关分子是目前颇为关注的课题。

    研究发现，小遍在蛋白质样修饰物（small ubiq-uitin like modifier，SUMO）-1过低表达时会引发NSCL/P[7]。SUMO-1与多种唇腭裂易感基因之间存在着相互作用，即多种唇腭裂易感基因在转录后可能共同受到SUMO-1的调控[8-11]。因此，SUMO-1有可能成为NSCL/P发病机制研究中的枢纽。

    1  SUMO化修饰

    1.1  SUMO分子和SUMO化修饰

    SUMO是一类由98个氨基酸残基组成的与遍在蛋白质结构相似的分子，是广泛存在于真核生物中且高度保守的蛋白家族，在哺乳动物中包括SUMO-1、SUMO-2、SUMO-3和SUMO-4等成员。SUMO化修饰是指SUMO分子共价结合于靶蛋白的赖氨酸残基上，影响基因转录后的蛋白活性。ψKXE为受SUMO化修饰的共有序列。其中，ψ代表一个大的疏水性氨基酸；K代表赖氨酸，是SUMO化的偶联位点[12]。

    1.2  SUMO化修饰的主要功能

    SUMO化修饰与遍在蛋白化修饰过程相似，但是遍在蛋白化修饰的靶分子主要被蛋白酶降解，而SUMO化修饰则介导靶分子的定位和功能调节。SUMO化修饰参与了广泛的细胞内代谢途径，在蛋白—蛋白之间的相互作用、信号转导、核质运输、转录调控、调控线粒体分裂、DNA损伤修复和调节基因组稳定性、调控离子通道和生物节律等方面均发挥着重要的作用[13]。研究发现，SUMO化修饰是基因最终能否发挥生物学效应的关键环节之一。SUMO化修饰异常可引起霍奇金病、脊髓小脑共济失调等神经退行性疾病以及1型糖尿病等[14-15]。

    1.3  SUMO化修饰及其修饰酶

    SUMO化修饰主要包括活化、结合、连接、修饰和解离等过程[16]。SUMO通常以非活性的前体形式存在，需经过加工酶Ulp1切去C端，暴露C 端的双甘氨酸残基后才成为成熟的SUMO。成熟的SUMO分子需要经过活化才能修饰底物，这个过程是由SUMO活化酶完成的。SUMO活化酶（E1）是由Aos-1（SAE-1、Sua-1）和Uba-2（SAE-2）形成的异源二聚体。活化消耗腺苷三磷酸并通过非共价键形成腺苷酸化的SUMO中间体，然后SUMO分子与一个Uba-2活性半胱氨酸位点形成硫酯键而被活化[17]。通过转酯反应，活化的SUMO分子从SUMO活化酶Uba-2亚单位转移到SUMO结合酶（E2），也就是Ubc-9上，形成SUMO-Ubc-9硫酯中间体[18]。虽然体外试验显示，E1、E2足以使各种底物SUMO化，但是体内试验表明，绝大多数SUMO定位到靶分子的过程还需要连接酶（E3）的参与。现已发现转录信号转导子与激活子活性蛋白抑制剂（protein inhibitor ofactivated signal transducer and activator of tran-scription，PIAS）、RanBP-2 和PC-2等SUMO连接酶均可与Ubc-9作用，促进体内外的SUMO化过程[17]。

    SUMO分子是以前体形式合成的，其伸展的C端需要进一步加工以暴露双糖基序，此功能是由前体加工酶完成的。前体加工酶是一种双功能酶，除加工SUMO前体外，还可将SUMO分子从底物上解离出来即去SUMO化，重新进入SUMO化循环。在侧q酿酒酵母中，有两个遍在蛋白质样修饰蛋白酶，分别为Ulp1和Ulp2/Smt4。Ulp1的一个基本功能就是加工处理SUMO前体的C端，Ulp2主要介导去SUMO化。哺乳动物有7种解离酶，是SUMO化的特异性蛋白酶，分别为SENP1～7[19]。

    2  SUMO化修饰在NSCL/P发病中的意义

    现已发现，多种唇腭裂易感基因转录后的蛋白分子都是SUMO-1的修饰底物，例如Msx-1、Tgf-β3、Tbx-22、特异性核基质结合蛋白（special AT-rich binding protein，Satb）-2、Trps-1、Eya-1、Irf-6等（表1）。

    2.1  SUMO-1与NSCL/P

    研究发现，SUMO家族中的SUMO-1广泛参与了唇腭裂易感基因转录后的SUMO化修饰。Alkuraya等[7]发现1例NSCL/P患者，由于其2q33.1和8q24.3之间存在着平衡交互易位，因此破坏了sumo-1基因，进而导致SUMO-1单倍剂量不足诱发了NSCL/P。在小鼠胚胎发育过程中，上唇及原发腭和继发腭的中嵴上皮中有较强的SUMO-1表达；同时，sumo-1基因杂合子小鼠有8.9%的发生了唇腭裂。人类基因组研究发现，sumo-1为编码小遍在蛋白质相关修饰物蛋白家族成员的基因，位于2q33，在进化中高度保守，有6个外显子，其中以第6外显子最大[20]。文献检索表明，迄今为止共报道了健康人群中所存在的sumo-1基因的121个单核苷酸多态性（single nucleotidepolymorphisms，SNP）[21]，尚没有关于唇腭裂患者sumo-1基因多态性和健康人群中存在的SNP是否与NSCL/P发病相关的报道。

    2.2  Msx-1的SUMO化修饰与NSCL/P

    msx-1为NSCL/P易感基因之一，在NSCL/P发病中的作用为2%。msx-1基因敲除小鼠发生了腭裂[2]。最新的研究发现，msx-1基因转录后受到了SUMO化调控。在体内，Msx-1蛋白与SUMO-1的结合会随着PIAS-1（SUMO-E3酶）的增加而增强；反之，增加SENP-1（SUMO的解离酶）的量，Msx-1蛋白的SUMO化随之降低[9]。

    2.3  FGF家族的SUMO化修饰与NSCL/P

    FGF家族与NSCL/P的发病密切相关。Smad4的同源区域（mad homology region，MH）-1的2个赖氨酸残基Lys113和Lys159是该蛋白的SUMO化修饰位点，而Smad4的激活是FGF信号转导通路所必须的[11]。

    2.4  TGF-β家族的SUMO化修饰与NSCL/P

    人类的遗传流行病学研究和动物试验均表明，TGF-β家族成员广泛参与了NSCL/P的发病，而且SUMO过表达会增强TGF-β诱导的转录抑制效应[11]。

    2.5  SATB-2的SUMO化修饰与NSCL/P

    FitzPatrick等[ 22 ]发现了1例NSCL/P患者的2q32～33之间存在着平衡交互易位，由此破坏了同源盒转录因子Satb-2蛋白而诱发了NSCL/P。研究发现，Satb-2蛋白在部分NSCL/P患者中发生了突变，satb-2基因敲除小鼠会发生腭裂并伴有骨骼发育缺陷，Satb-2蛋白的核内转运、稳定、转录活性的维持等都需要SUMO化修饰[23]。

    2.6  p63的SUMO化修饰与NSCL/P

    P63是一个转录激活物，具有很多亚型，它们与手足裂畸形、外胚层发育不良和唇腭裂综合征、融合睑-外胚层缺陷-唇腭裂综合征、肢乳综合征等发生有关。p63与SUMO-1结合后调节其转录活性及其蛋白质稳定性[24]。有研究表明，自然发生的突变潜在地改变了p63的SUMO化，从而上调p63正常的转录活性[10]。

    2.7  tbx-22基因

    有研究发现，在连锁性遗传唇腭裂和非综合征性腭裂患者及其家族中存在tbx-22基因突变体，且tbx-22基因突变体在非综合征性腭裂患者中为4%并具有X连锁现象。另有研究发现，17%的携带tbx-22基因突变体杂合子女性发生了腭裂，但男性受累更为严重[5]。Tbx-22作为转录抑制物，也是SUMO-1修饰的底物，而且这种修饰对Tbx-22的转录活性起重要的调节作用[8]。

    2.8  SUMO化修饰和环境因素与NSCL/P

    流行病学研究表明，50%～75%的NSCL/P患者并无家族患病史，同卵双生子也只有约40%的同时发生唇腭裂。环境因素在唇腭裂发生中所起的作用早已得到公认，但有关唇腭裂发生起关键作用的环境因素和易感基因之间的相互关系仍不清楚。可能导致NSCL/P的危险环境因素包括母体摄入乙醇、吸烟，暴露在环境毒素中（如二恶英），怀孕期间叶酸摄入不足和维生素A摄入过量[25]。SUMO化修饰过程对一些环境因素的影响非常敏感，而其中某些环境因素被认为是唇腭裂发病的危险因子，如应激源中的热冲击、氧化状态和病毒感染都能够触发、改变细胞内SUMO-1结合或解离的途径。许多氧化应激反应会上调SUMO-1化修饰效应，但在低氧化状态下，很多自由基会导致SUMO-1化修饰功能障碍[26]。因此，某些环境因素影响SUMO化修饰与唇腭裂的发病有关。

    3  结束语

    通常，先天性唇腭裂的发生是遗传因素和环境因素共同作用的结果，但其确切的病因和发病机制迄今仍不清楚。综上所述，SUMO化修饰功能紊乱与NSCL/P的发病相关，SUMO-1与多个唇腭裂易感基因之间存在相互作用，即多个唇腭裂易感基因在转录后共同受到sumo-1基因的调控。因此，SUMO-1有可能成为NSCL/P发病机制研究中的枢纽。开展对唇腭裂易感基因转录后SUMO化调控的研究，对揭示NSCL/P的发病机制具有重要的理论和现实意义。

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