SUMO化调节在深低温停循环脑保护机制中的研究进展

孙 鹏（综述），吉冰洋，龙 村（审校）

·综 述·

SUMO化调节在深低温停循环脑保护机制中的研究进展

孙 鹏（综述），吉冰洋，龙 村（审校）

深低温停循环；脑保护；SUMO化；SUMO蛋白

深低温停循环（deep hypothermic circulatory arrest，DHCA）作为一种复杂的体外循环技术应用于复杂先心病矫治和大血管手术，目的是为外科医生提供清晰无血的术野。但应用DHCA需要完全阻断动脉血流，因此，会导致患者术后发生不同程度的一过性或永久性的神经功能障碍［1］，主要包括术后精神错乱、焦虑、瞻望、意识不清、中风和昏迷等。有研究表明，DHCA后一过性和永久性的神经功能障碍的发生率高达8%和9.3%［2］，因此，DHCA中如何避免和减轻缺血后脑损伤的研究成为目前研究的热点。传统的机制认为在DHCA过程中通过应用深度低温降低缺血神经细胞的能量代谢和低温状态下神经细胞的ATP损耗，但其详细机制未被完全阐明［3］。新近研究表明在低温动物的大脑组织中发现大量的SUMO化（SUMOylation）调节，并证实SUMO化调节可增强神经细胞对缺血性损伤的耐受性［4］。SUMO化调节是否与深度低温减轻大脑组织神经细胞损伤的分子机制相关，引起学者的广泛关注。现就SUMO化调节与DHCA中脑保护机制的研究进展进行综述。

1 SUMO蛋白的简述和分类

SUMO化调节是一种针对靶蛋白的翻译后调节，SUMO蛋白（small ubiquitin-like modifier）通过共价键可逆的结合到靶蛋白上，通过多种酶促瀑布反应，在细胞的生理调节中起重要作用。自1996年首次发现SUMO-1蛋白以来，陆续发现了SUMO-2、SUMO-3和SUMO-4蛋白［5］。SUMO-1又被称为GMP1、UBL1、PIC1、sentrin和Smt3c［5-9］，分子量11kDa，独立结合于调节DNA双链交换的核丝状蛋白RAD51/52上［6］。SUMO-1的功能是对核孔蛋白（Ran-GTPase-activating protein 1，RanGAP1）进行共价键的SUMO化调节［5，10］。SUMO-2蛋白又被称为sentrin2［11］、Smt3b和GMP相关蛋白［5，9］，SUMO-3蛋白又被称为sentrin3和Smt3a［9，11］。SUMO-2和SUMO-3蛋白具有97%的同源性，仅N段3个残基不同，抗体也无法区分二者差异，因此，二者常被称为SUMO-2/3蛋白［12，13］。但SUMO-2/3与SUMO-1的同源性只有大约50%［12-13］。SUMO-4蛋白目前只发现于肾脏、淋巴结和脾脏［14-15］。由于SUMO-4蛋白在空间结构的关键部位有一个脯氨酸残基，其是否具有结合到其他靶蛋白的功能，目前未得到阐明［16］。

2 SUMO化调节的结合与解离过程

SUMO蛋白在SUMO化调节的结合过程中首先转录成没有活性的前体蛋白，该前体蛋白随后被SUMO特异蛋白酶（sentrin/SUMO-specific protease，SENP）剪切，暴露出C端的二氨基乙酸模体，随后经活化与E1活化酶的活化位点形成ATP依赖的硫酯键。活化了的SUMO蛋白通过SUMO化调节过程中唯一的一种E2结合酶Ubc9的半胱氨酸活化位点与Ubc9结合，最后通过E3连接酶将SUMO蛋白转移至靶蛋白，完成SUMO化调节。SUMO化调节的解离过程由SUMO蛋白酶SENP介导，解离后的SUMO蛋白又可以重新与靶蛋白结合。这是一个快速动态可逆的循环过程［13，17］。

3 SUMO化调节的翻译后修饰

SUMO化调节通过许多途径来修饰其靶蛋白，在细胞周期调节、基因转录分化和细胞定位中起到重要作用。这种在翻译后调节蛋白质稳定性和功能的过程即为翻译后修饰。SUMO化调节的翻译后修饰主要包括泛素化、乙酰化、磷酸化、甲基化、糖基化等，起到调节基因转录、蛋白质降解等多种作用［13，18］。

4 细胞应激与SUMO化调节的激活

许多类型的细胞应激均可引起SUMO化表达的增加。COS-7细胞（非洲绿猴肾细胞）在静止状态下有大量游离的SUMO-2/3蛋白，但当其受到热应激、乙醇及渗透性应激时，导致SUMO-2/3化的普遍增加［19］。将细胞暴露于增高的温度中，靶蛋白热休克因子1会迅速与SUMO-1蛋白结合于赖氨酸298位点，以调节热休克因子1的DNA结合能力，活化靶基因的转录［20］。氧化应激对SUMO化的调节依据条件不同而方式不同。低浓度的活性氧通过直接抑制E1活化酶和E2结合酶Ubc9，导致SUMO-1和SUMO-2结合蛋白的迅速消失［21］。高浓度的活性氧通过可逆形成二硫化物，抑制SUMO蛋白酶SENP1活性，阻止SUMO结合蛋白的解离［22］。将细胞暴露于极低浓度的呼吸抑制剂亚砷酸盐中，亦可导致SUMO结合蛋白浓度的大量升高［23］。与DHCA密切相关的细胞应激为脑缺血和低温。

5 脑缺血与SUMO化的激活

有学者模拟动物的冬眠过程，在降低地松鼠的心率、脑血流、脑血糖消耗和体温后，使用蛋白质印迹分析发现，动物大脑组织的大部分区域蛋白质SUMO化水平升高，包括SUMO-1和SUMO-2/3化，同时伴有游离SUMO蛋白的减少，且SUMO化过程中唯一的一种E2结合酶Ubc9的浓度升高与SUMO化水平升高保持一致。冬眠过程结束后，SUMO结合蛋白的浓度也迅速下降，提示SUMO化与冬眠过程存在着紧密的联系［4，24］。Zhao通过设计地松鼠的冬眠模型，亦发现了脑组织中SUMO化的高表达现象［25］。

氧/糖剥夺模型（oxygen/glucose deprivation，OGD）是一种离体的大脑缺血性模型，有学者在OGD模型中，通过使人骨髓神经母细胞瘤（SHSY5Y）细胞的Ubc9过表达，发现SHSY5Y细胞对短暂的OGD耐受性明显增强，而Ubc9是SUMO化中唯一的一种E2结合酶［26］。Lee等［4］对SHSY5Y细胞的OGD耐受性研究，亦发现了相同的结果，SHSY5Y细胞SUMO化的水平决定了其对OGD的耐受性。Lee等随后又对大脑皮层神经细胞进行亚致死性的OGD预处理，发现预处理过的大脑皮层神经细胞对严重的OGD损伤的耐受性要远超过没有进行预处理的神经细胞。实验中还发现SUMO-1化高表达可增强SHSY5Y细胞对OGD的耐受性，而去除或减少内源性的SUMO-1使SHSY5Y细胞更易受OGD损伤；对大脑皮层神经细胞做相同的处理，结果亦然［27］。Liam等发现进行无损伤的OGD预处理后，细胞对严重的OGD损伤的耐受性提高，且SUMO-2/3化水平降低［28］。

Yang等结扎小鼠两侧颈总动脉将平均动脉压降到30 mm Hg以下，维持10 min后进行血流再灌注。在此短暂的前脑缺血模型中发现，大脑皮层和海马组织的SUMO-2/3化水平明显升高，伴游离SUMO-2/3浓度的降低。缺血再灌注损伤后E2结合酶Ubc9的浓度在海马组织没有变化，但在大脑皮层组织却是降低的。产生这个矛盾可能的原因是在大脑皮层组织SUMO-2/3化水平升高，抑制了SUMO化的解离过程，从而推断SUMO化过程中唯一的一种E2结合酶Ubc9，并非SUMO化的限制因素［23］。Yang等［29］随后又在实验中发现，通过诱导局灶脑缺血，SUMO化表达最明显的部位在顶叶皮层，位于脑膜中动脉支配区域边缘处的神经细胞，再次提出缺血后SUMO化的表达对神经细胞具有保护作用。

6 低温与SUMO化的激活

Lee等［4］通过麻醉地松鼠，保持其体温在24℃，发现单纯的低温条件亦可出现SUMO化的高表达。有学者通过大鼠的体外循环模型将温度分别控制在37℃和18℃，转流1 h后取出大脑组织，通过蛋白质印迹分析发现，深低温组的大鼠脑组织中出现大量SUMO化的高表达，且SUMO-2/3化的变化显著高于SUMO-1化，但常温组的SUMO化表达没有任何变化［30］。对细胞进行OGD损伤处理前进行30 min 4℃的预处理，可减少54%的SUMO-2/3化表达，并显著减少细胞的死亡［28］。

7 结 语

综上所述，SUMO化调节的高表达可增强神经细胞在低温状态下对缺血性损伤的耐受性。而通过何种途径激活SUMO化调节的高表达，发挥其内源性的脑保护作用，可能是未来DHCA中脑保护的研究方向。

［1］ Kunihara T，Grün T，Aicher D，et al.Hypothermic circulatory arrest is not a risk factor for neurologic morbidity in aortic surgery：a propensity score analysis［J］.J Thorac Cardiovasc Surg，2005，130（3）：712-718.

［2］ Di Eusanio M，Wesselink RM，Morshuis WJ，et al.Deep hypothermic circulatory arrest and antegrade selective cerebral per-fusion during ascending aorta-hemiarch replacement：a retrospective comparative study［J］.J Thorac Cardiovasc Surg，2003，125（4）：849-854.

［3］ Zhurav L，Wildes TS.Pro：topical hypothermia should be used during deep hypothermic circulatory arrest［J］.J Cardiothorac Vasc Anesth，2012，26（2）：333-336.

［4］ Lee YJ，Miyake S，Wakita H，et al.Protein SUMOylation is massively increased in hibernation torpor and is critical for the cytoprotection provided by ischemic preconditioning and hypothermia in SHSY5Y cells［J］.J Cereb Blood Flow Metab，2007，27（5）：950-962.

［5］ Matunis MJ，Coutavas E，Blobel G.A novel ubiquitin-like modification modulates the partitioning of the Ran-GTPase-activating protein RanGAP1 between the cytosol and the nuclear pore complex［J］.J Cell Biol，1996，135（6 Pt 1）：1457-1470.

［6］ Shen Z，Pardington-Purtymun PE，Comeaux JC，et al.UBL1，a human ubiquitin-like protein associating with human RAD51/RAD52 proteins［J］.Genomics，1996，36（2）：271-279.

［7］ Boddy MN，Howe K，Etkin LD，et al.PIC 1，a novel ubiquitin -like protein which interacts with the PML component of a multiprotein complex that is disrupted in acute promyelocytic leukaemia［J］.Oncogene，1996，13（5）：971-982.

［8］ Okura T，Gong L，Kamitani T，et al.Protection against Fas/APO-1-and tumor necrosis factor-mediated cell death by a novel protein，sentrin［J］.J Immunol，1996，157（10）：4277-4281.

［9］ Lapenta V，Chiurazzi P，van der Spek P，et al.SMT3A，a human homologue of the S.cerevisiae SMT3 gene，maps to chromosome 21qter and defines a novel gene family［J］.Genomics，1997，40（2）：362-366.

［10］ Mahajan R，Delphin C，Guan T，et al.A small ubiquitin-related polypeptide involved in targeting RanGAP1 to nuclear pore complex protein RanBP2［J］.Cell，1997，88（1）：97-107.

［11］ Kamitani T，Kito K，Nguyen HP，et al.Characterization of a second member of the sentrin family of ubiquitin-like proteins［J］.J Biol Chem，1998，273（18）：11349-11353.

［12］ Gareau JR，Lima CD.The SUMO pathway：emerging mechanisms that shape specificity，conjugation and recognition［J］.Nat Rev Mol Cell Biol，2010，11（12）：861-871.

［13］ Wilkinson KA，Henley JM.Mechanisms，regulation and consequences of protein SUMOylation［J］.Biochem J，2010，428（2）：133-145.

［14］ Bohren KM，Nadkarni V，Song JH，et al.A M55V polymorphism in a novel SUMO gene（SUMO-4）differentially activates heat shock transcription factors and is associated with susceptibility to type I diabetes mellitus［J］.J Biol Chem，2004，279（26）：27233-27238.

［15］ Guo D，Li M，Zhang Y，et al.A functional variant of SUMO4，a new I kappa B alpha modifier，is associated with type 1 diabetes［J］.Nat Genet，2004，36（8）：837-841.

［16］ Owerbach D，McKay EM，Yeh ET，et al.A proline-90 residue unique to SUMO-4 prevents maturation and sumoylation［J］.Biochem Biophys Res Commun，2005，337（2）：517-520.

［17］ Meulmeester E，Melchior F.Cell biology：SUMO［J］.Nature，2008，452（7188）：709-711.

［18］ Hannoun Z，Greenhough S，Jaffray E，et al.Post-translational modification by SUMO［J］.Toxicology，2010，278（3）：288-293.

［19］ Saitoh H，Hinchey J.Functional heterogeneity of small ubiquitin-related protein modifiers SUMO-1 versus SUMO-2/3［J］.J Biol Chem，2000，275（9）：6252-6258.

［20］ Hong Y，Rogers R，Matunis MJ，et al.Regulation of heat shock transcription factor 1 by stress-induced SUMO-1 modification［J］.J Biol Chem，2001，276（43）：40263-40267.

［21］ Bossis G，Melchior F.Regulation of SUMOylation by reversible oxidation of SUMO conjugating enzymes［J］.Mol Cell，2006，21（3）：349-357.

［22］ Xu Z，Lam LS，Lam LH，et al.Molecular basis of the redox regulation of SUMO proteases：a protective mechanism of intermolecular disulfide linkage against irreversible sulfhydryl oxidation［J］.FASEB J，2008，22（1）：127-137.

［23］ Yang W，Sheng H，Warner DS，et al.Transient global cerebral ischemia induces a massive increase in protein sumoylation［J］.J Cereb Blood Flow Metab，2008，28（2）：269-279.

［24］ Lee YJ，Hallenbeck JM.Insights into cytoprotection from ground squirrel hibernation，a natural model of tolerance to profound brain oligaemia［J］.Biochem Soc Trans，2006，34（Pt 6）：1295-1298.

［25］ Zhao J.Sumoylation regulates diverse biological processes［J］.Cell Mol Life Sci，2007，64（23）：3017-3033.

［26］ Hillion JA，Takahashi K，Maric D，et al.Development of an ischemic tolerance model in a PC12 cell line［J］.J Cereb Blood Flow Metab，2005，25（2）：154-162.

［27］ Lee YJ，Castri P，Bembry J，et al.SUMOylation participates in induction of ischemic tolerance［J］.J Neurochem，2009，109（1）：257-267.

［28］ Loftus LT，Gala R，Yang T，et al.Sumo-2/3-ylation following in vitro modeled ischemia is reduced in delayed ischemic tolerance［J］.Brain Res，2009，1272：71-80.

［29］ Yang W，Sheng H，Warner DS，et al.Transient focal cerebral ischemia induces a dramatic activation of small ubiquitin-like modifier conjugation［J］.J Cereb Blood Flow Metab，2008，28（5）：892-896.

［30］ Yang W，Ma Q，Mackensen GB，et al.Deep hypothermia markedly activates the small ubiquitin-like modifier conjugation pathway；implications for the fate of cells exposed to transient deep hypothermic cardiopulmonary bypass［J］.J Cereb Blood Flow Metab，2009，29（5）：886-890.

R654.1

A

1672-1403（2013）02-0116-03

2012-10-12）

2012-11-06）

国家自然科学基金（81270384）

100037北京，中国医学科学院北京协和医学院阜外心血管病医院体外循环科。［孙鹏（在读硕士）］

吉冰洋，E-mail：dr.ji.cpb＠gmail.com