SUMO化调控突触可塑性和介导认知功能改变研究进展

周元青 刘海军 徐平

(遵义医科大学附属医院神经内科，贵州 遵义 563000)

小泛素样相关修饰物(SUMO)化作为一种重要的翻译后修饰出现在细胞生理学的几乎所有方面〔1〕。SUMO化是一个动态的多步共轭和去共轭级联，由三磷酸腺苷(ATP)依赖的酶催化〔2〕。在神经元中，SUMO化已被证明可调节蛋白质多种功能，包括蛋白质稳定性、染色质组装、转录、DNA修复、亚细胞定位、蛋白质-蛋白质相互作用和蛋白质内稳态〔3〕。SUMO化动态调节蛋白质功能，因此，在神经元成熟、突触形成和可塑性中起重要作用。SUMO化功能障碍与多种神经系统疾病有关。数百种与神经系统疾病发病机制有关的蛋白质被SUMO修饰，表明SUMO化在神经系统疾病中的重要性〔4〕。通过研究SUMO化对大脑认知功能相关蛋白质和认知障碍疾病相关蛋白质的调控机制，研制出以调控这些蛋白质的SUMO化为靶点的药物将为许多伴有认知功能障碍的疾病治疗带来曙光。本文就SUMO化调控突触可塑性和介导认知功能改变研究进展。

1 SUMO化概述

SUMO化是一种高度动态可逆的目标蛋白质赖氨酸残基翻译后修饰，其通过调节底物蛋白质的构象或蛋白质-蛋白质相互作用来调节蛋白质信号和复合物的形成。特定蛋白质的SUMO化和去SUMO化在神经元形态和功能几乎所有方面的信号传导途径中发挥关键作用。蛋白质的SUMO化是由SUMO激活酶E1、SUMO特异性结合酶泛素结合蛋白(Ubc)9和SUMO连接酶E3催化，在一系列SUMO蛋白的特异性蛋白酶(SENPs，SENP1-3,5-7)作用下进行去 SUMO 化。特定蛋白的SUMO修饰在E1/Ubc9/E3 介导的SUMO化及SENPs介导的去SUMO化之间保持平衡〔5〕。

2 SUMO化与突触可塑性和认知功能

SUMO可与多种细胞蛋白共价结合，并在不同细胞过程中影响蛋白质的细胞定位和生物活性。核蛋白的SUMO化已被广泛研究，但核外的许多蛋白质也受到SUMO化，尽管对其SUMO化的机制和作用尚不完全清楚。研究表明〔5〕核外蛋白质的SUMO化在调控突触传递、神经元兴奋性和细胞对应激的适应性反应中起直接作用。大量的神经元蛋白被确定为SUMO化底物，SUMO化的破坏导致突触可塑性、神经元兴奋性和神经元应激反应的缺陷。认知功能是大脑接受外界刺激后对刺激进行加工处理并获取有效信息的过程，包含记忆、语言、执行、理解和推理等。SUMO化的功能障碍与人类和动物的认知障碍有关〔5,6〕。SUMO化紊乱可引起多种与认知功能障碍相关的神经退行性疾病，如阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)和亨廷顿病等，此外还有与认知功能障碍相关的呼吸障碍——阻塞性睡眠呼吸暂停综合征(OSAS)。而在调节离子通道亚单位方面，SUMO化失衡导致各种通道病的发生〔7,8〕。可塑性是神经发育和神经系统正常功能的关键组成部分，也是对不断变化的环境、衰老或病理损伤的反应。可塑性是突触连接在经历环境变化、感觉异常和损伤等后，对自身功能和结构进行调整的能力。它是发育中神经系统的一个特性，依赖于经验产生的神经活动可以改变神经回路的功能，进而改变感觉、思维和行为等。突触可塑性有多种表达形式，其中最重要的是长时程增强(LTP)和长时程抑制(LTD)，可塑性的基本分子水平包括大量参与协调和相互作用的信号和代谢过程的特定蛋白质(酶、受体、结构蛋白等)，对它们的调节形成了脑可塑性的分子基础〔9～12〕。树突棘是突触可塑性的重要组成部分，其形态、数量和类型的改变在突触可塑性中发挥重要作用。很多突触相关蛋白对树突棘的形成至关重要，而SUMO化可通过修饰突触相关蛋白调控突触可塑性。

3 SUMO化调控突触可塑性

3.1SUMO化与LTP SUMO2的条件性缺失主要发生在前脑神经元，并表现为各种形式的认知功能受损，如情景记忆和恐惧记忆等。研究表明，这些异常既不能归因于基因表达的结构性变化，也不能归因于神经元形态的改变，而是与突触可塑性相关的动态SUMO化的过程受到干扰，在SUMO2基因敲除的小鼠中，海马认知的功能障碍与维持海马LTP的显著缺陷有关〔6〕。小胶质细胞是中枢神经系统免疫防御的主要参与者，小胶质细胞表达磷酸肌醇3-激酶(PI3K)，PI3K在神经元突触可塑性和小胶质细胞介导的炎症中均起重要作用。小胶质细胞PI3K在表观遗传学上受组蛋白修饰和SUMO化调控，并进一步通过调节脑源性神经营养因子(BDNF)的表达参与LTP，而LTP参与神经元突触可塑性〔13〕。一氧化氮(NO)是一种抑制性神经递质，有助于突触前和突触后海马神经元的同步活动，大脑中NO主要由神经元NO合酶(nNOS)催化产生。nNOS和NO信号通路与学习、记忆和突触可塑性有关。nNOS-SUMO化通过促进nNOS-NO-细胞外信号调节激酶(ERK)1/2信号级联而成为兴奋性突触LTP的基础。阻断活性诱导的nNOS SUMO化将降低LTP相关的活性调节细胞骨架相关蛋白(Arc)和BDNF的表达，阻断海马ERK1/2和转录激活因子ETS样蛋白(Elk)-1的信号传导〔14〕。含卷曲螺旋C2域蛋白(CC2D)1A是一种进化过程中保守的蛋白质，最初通过大规模人类基因筛选鉴定为核转录因子(NF)-κB激活剂。CC2D1A缺失的小鼠在海马CA1区的LTP维持方面出现缺陷，同时CC2D1A缺失也导致CA1区锥体神经元顶端和基底树突棘的复杂性降低，而这些改变降低了突触的可塑性。CC2D1A缺失后观察到Ras相关C3肉毒菌素底物(Rac)1活性增强，这种增强是通过减少SUMO特异性蛋白酶(SENP)1和SENP3表达介导的，从而增加Rac1 SUMO化的量。简言之，CC2D1A的条件性缺失通过Rac1过度激活降低海马突触可塑性并损害认知功能〔15〕。

3.2SUMO化与树突棘 树突棘是参与兴奋性神经元突触传导的特殊结构。微管细胞骨架对维持树突棘形态和突触成熟至关重要。而树突棘形态和数量改变与突触可塑性密切相关。微管切割蛋白与微管切割蛋白激酶有关，并参与突触束的形成。微管切割蛋白的SUMO化通过靶向微管动力学促进小鼠谷氨酸受体(GluA)1内化并调节树突棘的形态，进而介导突触可塑性的改变〔16〕。脆性X智力低下蛋白(FMRP)功能缺失或异常导致树突棘减少，进而导致突触传递障碍。FMRP是SUMO化的底物，并已确定其SUMO化活性位点。FMRP SUMO化是通过激活代谢型谷氨酸受体来促进的。SUMO化的增加调控了树突mRNA颗粒内FMRP的同质化，而FMRP反过来又调节树突棘的去除与成熟〔17〕。坍塌反应调节蛋白(CRMP)2的翻译后修饰在轴突生长、细胞极化和树突形态发生中发挥重要作用。CRMP2的磷酸化和SUMO化独立地促进树突棘的形成和成熟，并参与树突棘的可塑性过程〔18〕。细胞质聚腺苷酸化元素结合蛋白(CPEB)3调节了海马中几个重要的信使核糖核酸(mRNAs)的翻译，包括a-氨基-3-羟基-5-甲基-异恶唑-4-丙酸(AMPA)型谷氨酸受体亚单位GluA2和GluA1、N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体亚单位(NR)1、细胞骨架蛋白肌动蛋白和突触后密度蛋白(PSD)95，这些mRNAs的翻译对海马的突触可塑性有重要影响。SUMO化调控CPEB3的分布、寡聚和活性，而后两者是记忆维持的关键因素〔19〕。在高等动物中，CPEB3有富含脯氨酸和谷氨酰胺的N端朊病毒结构域(PRD)和C端RNA结合结构域(RBD)，可以形成稳定的聚集体，这些聚集体可以巩固突触强度，并在突触受到刺激时调节靶mRNA的局部翻译。肌动蛋白细胞骨架重塑参与树突棘的结构改变，在突触可塑性中具有重要作用，它与突触的加强有关，因此也与记忆的储存有关。CPEB3在未形成聚集体之前进行SUMO化可能会抑制CPEB3/F-肌动蛋白的相互作用，然后在受刺激的突触中去SUMO化会抑制这种相互作用，因此CPEB3的结合、聚集和调节活性最终可以通过突触刺激来控制〔20〕。Arc是突触可塑性和记忆形成的主要调节因子，但其作用机制尚不清楚。有研究假设Arc被SUMO化，并且在体内LTP期间靶向调节肌动蛋白细胞骨架，且这一假设也成功建立出相应的模型〔21〕。叉头框蛋白(FOXP)转录抑制物在脑发育中具有重要作用，其功能障碍导致人类认知障碍。在FOXP1赖氨酸670处的SUMO化是招募共同抑制子羧基末端结合蛋白(CTBP)1和转录抑制所必需的。在培养的皮层神经元中敲除FOXP1会阻碍树突细胞的生长，并且这种表型不能通过替换非SUMO化的FOXP1-K670R突变体来挽救，这表明FOXP1的SUMO化对于调节适当的神经元形态发生是必需的。 FOXP1的SUMO化通过CTBP1调节转录抑制以驱动树突形态发生〔22〕。

3.3SUMO化与其他突触可塑性相关蛋白 CRMPs在人类的神经元中广泛表达。CRMPs的一个主要特征是通过与细胞骨架蛋白的相互作用，介导生长锥塌陷对信号素3A信号的反应。这些是CRMPs在神经细胞生成和神经网络形成过程中的重要调节作用。通过翻译后修饰，如SUMO化、磷酸化、O-GlcNAc糖基化和蛋白水解裂解，CRMPs通过调节NMDA受体、L型和N型电压门控钙通道(VGCC)参与突触可塑性，从而影响神经递质的释放〔23〕。Loriol等〔24〕研究发现代谢型谷氨酸受体(mGluR)5的激活，通过短暂限制Ubc9从树突棘扩散，增加了Ubc9的突触驻留时间。维持这种突触保留的机制可能涉及Ubc9与蛋白激酶(PK)C磷酸化突触底物的结合，导致Ubc9的短暂性突触捕获增加进而导致突触SUMO化的增加。简单来说便是这种活性依赖的Ubc9在突触中的募集和保留可能促进SUMO化的动态上调，以调节突触传递和可塑性。在神经系统中，活化T细胞核因子(NFAT)转录因子家族的四个钙/钙调神经磷酸酶调节成员NFATc1～c4参与许多大脑发育和功能形成的过程，如皮质生成、突触形成、突触可塑性和神经传递等，且都需要精确的基因调控。在原代海马神经元中，SUMO化抑制NFATc1、NFATc2和NFATc3亚型的转录活性，而在皮层神经元中，只有NFATc1和NFATc2的反式激活能力被SUMO化抑制〔25〕。

4 SUMO化介导认知功能改变

4.1SUMO化与AD AD是最常见的神经退行性疾病，其特征是存在两种主要的神经病理学改变：由β-淀粉样蛋白(Aβ)组成的细胞外老年斑(SP)和由异常高磷酸化tau组成的细胞内神经原纤维缠结(NFTs)。蛋白磷酸酶(PP)2A是tau磷酸化的主要调节因子， PP2A活性的抑制导致tau过度磷酸化，被认为是NFTs形成的主要驱动因素。PP2A主要由内源性核蛋白抑制剂2(I2PP2A)调节,又称SET调节。SET主要在K68残基上被SUMO化，导致其从细胞核到细胞质的易位，并在细胞质中滞留，随后诱导PP2A的抑制和tau的过度磷酸化，最终导致AD样tau蛋白生成增加和认知缺陷〔26〕。限速β分泌酶BACE(BACE)1主要是在K501残基上SUMO化，这提高了它的蛋白酶活性和稳定性，随后增加了Aβ的产生，导致AD小鼠模型出现认知缺陷〔27〕。突触功能障碍已被认为是AD发病时的早期特征。神经传递的受损会导致突触丧失，这些事件与认知衰退相关，且会逐渐影响AD患者。SUMO化水平的改变有助于延缓AD发病时突触改变的发展，SUMO化可能是AD突触功能障碍的一个药理学靶点〔28〕。

4.2SUMO修饰与OSAS OSAS是一种与认知障碍相关的呼吸障碍。间歇性缺氧(IH)是OSAS的一个重要特征。而IH引起的认知功能下降与小胶质细胞介导的神经炎症有关。分子生物学结果显示，IH可诱导炎症反应及体内NF-κB活化、白细胞介素(IL)-1β和肿瘤坏死因子(TNF)-α表达上调。IH降低了SENP1的表达，增加了NF-κB必需调节蛋白(NEMO)的SUMO化，而非NF-κBP65。SENP1过表达抑制了IH介导的炎症反应和NEMO的SUMO化。然而，沉默 NEMO基因取消了这种抑制作用。SENP1缺失增强了IH诱导的炎症反应和NEMO的SUMO化，伴随着潜伏期的增加和停留时间的缩短。SENP1通过调节NEMO的SUMO化来调节IH诱导的神经炎症，从而激活NF-κB通路，提示在小胶质细胞中靶向SENP1可能是IH诱导的认知功能下降的一种新的治疗策略〔29〕。SENP1在IH相关认知功能障碍中起着重要作用。过氧化物酶体增殖物激活受体(PPARs)分为3 种不同的亚型：PPARα、PPARβ/δ和PPARγ。SENP1缺失通过促进PPARγ的SUMO化，降低PPARγ水平，从而加剧了神经炎症和神经元凋亡，最终加重IH诱导的认知功能下降〔30〕。

4.3SUMO化与PD SUMO化参与PD相关的几种途径，包括α-突触核蛋白生物学和病理学的变化、DJ-1活性的调节、线粒体和溶酶体生物发生的转录因子的调节、线粒体分裂机制的调控。α-突触核蛋白的积累和聚集是PD的核心机制，然而导致这些事件的分子机制尚不完全清楚。α-突触核蛋白的翻译后修饰调节了其一些性质，包括降解、与蛋白质和膜的相互作用、聚集和毒性。SUMO化是一种翻译后修饰，参与亚细胞蛋白靶向、线粒体分裂和突触可塑性等核内外过程。多种α-突触核蛋白赖氨酸残基与SUMO结合及SUMO连接酶和SUMO同源异构体的参与，有助于α-突触核蛋白SUMO化，SUMO化模式的差异可能导致α-突触核蛋白正常和病理功能的复杂调节，包括降解、细胞内分布、蛋白质相互作用和聚集〔31〕。由于α-突触核蛋白是一种突触前蛋白，突触前SUMO化机制的发现支持α-突触核蛋白SUMO化的重要性。SUMO化也可能调节α-突触核蛋白在突触前的作用〔32〕。

4.4SUMO化与其他认知功能相关疾病 七氟烷暴露增加老年小鼠海马SENP3表达和动力相关蛋白(Drp)1去SUMO化，导致认知功能缺陷。亚甲蓝(MB)减轻七氟烷引起的老年小鼠海马记忆丧失和线粒体断裂，降低Drp1去SUMO化〔33〕。长期大量饮酒对认知功能有损害，酒精诱导的Toll样受体(TLR)4信号在青春期和成年大鼠脑内均有激活和引起炎症反应，SENP6通过NEMO的去SUMO化来抑制NF-κB的活化并最终抑制神经炎症。酒精暴露通过TLR4激活和SENP6调节诱导海马小胶质细胞激活和神经炎症从而影响认知功能〔34〕。

综上，突触可塑性有助于认知过程，包括学习、记忆、情绪和行为。SUMO化可以调控突触可塑性介导认知功能改变，同时也可以通过靶向修饰其他蛋白质影响认知功能。目前与认知功能相关的许多蛋白质仍未被研究，而认知功能相关蛋白质SUMO化的功能障碍与人类和动物的认知障碍有关，对大脑中认知功能相关蛋白质的SUMO化进行调控可能为开发治疗认知功能障碍相关疾病如AD、PD、OSAS等靶向药物提供新策略。