SUMO化修饰融合蛋白表达系统研究进展

唐楚煜，张耀方，王英超，陈曦，王博，张欣瑶

（天津农学院基础科学学院，天津 300384）

小泛素相关修饰物（SUMO）广泛分布于真核生物细胞内，是一类大小约15 kD的高度保守小蛋白，其结构和反应方式与泛素相似，但却具有不同的功能[1]。SUMO化修饰可以保持融合蛋白基因的稳定性，使多肽正常折叠，提高融合蛋白的可溶性[2]。SUMO化修饰和去修饰是一个可逆过程，在这个过程中，SUMO酶扮演着重要的角色。SUMO酶可以高效地将SUMO从融合蛋白上切除且不残留氨基酸残基[3]。因此，SUMO常常作为融合基因促进外源蛋白的表达。

1 SUMO的结构及SUMO化修饰的功能

1.1 SUMO的结构

SUMOs是一类高度保守的蛋白质家族，为大多数真核细胞生存所必需，SMT3是该家族于研究中发现的第一个成员。SUMO由大约100个氨基酸残基组成，是一类广泛存在于真核生物中具序列高度保守的低分子量蛋白[4]。SUMO主要通过对靶蛋白进行共价修饰的方式来调节蛋白质的结构与功能。酵母只有1个SUMO基因，又称SMT3，人类含有3种SUMO基因，分别为SUMO-1、SUMO-2、SUMO-3。在人类SUMO家族中，SUMO-1与SUMO-2和SUMO-3有50%的序列同源性[5]。

1.2 SUMO化修饰过程

SUMO对蛋白的修饰主要在3种酶的参与下完成。（1）通过消耗ATP使SUMO的C-端Gly被腺苷化，在SUMO活化酶E1的作用下，腺苷化的SUMO通过硫酯键和E1上的Cys残基相连并释放出AMP。（2）活化之后的SUMO被转移到SUMO连接酶E2上，形成SUMO-E2中间体。（3）在SUMO连接酶E3的催化下，SUMO-E2中间体上的SUMO被转移到底物上[6]。

1.3 SUMO化修饰蛋白表达系统的优势

SUMO作为一种融合标签越来越多地应用于表达系统中。使用SUMO化修饰蛋白表达系统有以下2点优势。（1）提高蛋白的可溶性，使用原核表达系统表达外源蛋白，由于蛋白含有二硫键，因此，常常因为错误折叠形成包涵体。SUMO作为融合标签，可以促进外源蛋白的正确折叠，调节融合蛋白与其他蛋白之间的作用，提高融合蛋白的溶解性[7]。(2)提高蛋白的稳定性：SUMO和泛素都能与底物蛋白的赖氨酸结合，因此，SUMO能与泛素竞争，抑制蛋白的降解，提高融合蛋白的稳定性[2]。相比于其他传统标签的应用，SUMO还具有分子伴侣的功能，SUMO修饰蛋白的稳定性、正确折叠和抗性都有提高。

2 SUMO蛋白酶的结构和功能

2.1 SUMO蛋白酶的结构

SUMO蛋白酶又称泛素样蛋白加工酶（Ubiquitinlike protein-progressing enzymes，Ulps），是半胱氨酸蛋白酶超家族的成员之一。近年来，科学家们在酵母中发现两种SUMO蛋白酶，在人类中发现了7种SUMO特异性蛋白酶。酵母SUMO蛋白酶分别为Ulp1和Ulp2，由于Ulp1是最早被人们发现具有切割SUMO活性的SUMO蛋白酶，所以对于Ulp1的研究较为集中。Ulp1是位于核孔复合体中由621个氨基酸残基组成的蛋白质多肽，具有两个结构域，分别为C-端结构域和N-端结构域，前者具有催化活性而后者为非保守序列，因此具有定位和底物结合功能。Mossessova等人[8]发现，SUMO蛋白酶的氨基酸即使序列有所差别，但在其C-末端都具有一段保守的约有200个氨基酸的Ulp结构域，而此结构域的存在也正是使SUMO蛋白酶具有催化活性的原因；不同SUMO蛋白酶的N-端因序列的不同而使蛋白酶的存在位置有所不同。

2.2 SUMO蛋白酶的生理功能

在真核生物体内，SUMO蛋白酶主要行使两种生理功能：（1）将SUMO前体的C末端的-GG-ATY序列切割暴露出双Gly残基，使之成为成熟SUMO，执行修饰和运转等功能；（2）去SUMO化过程，水解SUMO底物蛋白偶合物，使之成为SUMO和底物，SUMO与蛋白结合后，也可以被SUMO蛋白酶从靶蛋白上切除，这个过程称为蛋白的去SUMO化。SUMO对蛋白质的修饰是一种可逆过程，在细胞的不同生命周期中，SUMO化和去SUMO化是处于变化之中的。实验发现，在Ulp1保守C-端的404～621 aa活性片段中具有全长的Ulp1酶切活性，能够识别SUMO的三级结构，与其他蛋白酶作用不同的是，它在酶切后靶蛋白上不存在多余的氨基酸[9]。因此，可人工制备404～621 aa的活性片段用于SUMO化修饰蛋白的切割[10]。

3 结语

就SUMO蛋白酶的研究而言，虽然已经取得很好的成绩，但其活性机制尚未研究透彻，结构和各种调控功能还需要进一步的研究。且与其他融合标签相比，SUMO融合蛋白表达还非常低，尚有待改善，其分离纯化过程需要先分离纯化SUMO融合蛋白，再使用SUMO蛋白酶切割后再进行蛋白的分离纯化。因此，在分离纯化过程中会造成蛋白的损失，故距其规模化应用还有一段距离。