Малый убиквитинподобный модификатор (SUMO) экспрессируется во всех эукариотических организмах, но отсутствует у бактерий. У низших эукариот экспрессируется только одна изоформа SUMO. У высших эукариот определено несколько изоформ — SUMO1, SUMO2, SUMO3, которые встречаются во всех тканях, и SUMO4, который является псевдогеном. Несмотря на то, что механизм конъюгации SUMO идентичен для всех трех изоформ, разные формы белка характеризуются разными функциональными особенностями.
SUMO1 - это белок, состоящий из 101 аминокислоты, которые обычно связывают с физиологическими процессами. SUMO2 состоит из 95 аминокислот и на 95% гомологичен SUMO3 (103 аминокислоты), выполняет те же молекулярные функции и отличается только по трем N-концевым остаткам, поэтому часто упоминается как SUMO2/3. Они всего лишь на 45% гомологичны SUMO1, но их трехмерная структура очень похожа. SUMO2/3 конъюгируется в стрессовых условиях, и он способен образовывать цепочки. SUMO4 наблюдается только в лимфатических узлах, почках, селезенке. Он еще не был достаточно изучен и его роль еще предстоит выяснить. SUMO5 был открыт совсем недавно и, по-видимому, он является консервативным белком, состоящим из 84 аминокислот, мРНК которого выражена в больших количествах в яичках и периферических лимфоцитах крови и в меньших количествах в плаценте, легких и печени.
Первоначально SUMO обрабатывается протеазой (принадлежащей к семейству SENP), который генерирует зрелую форму, состоящую из С-концевого диглицина. Это требуется для следующего этапа, в котором SUMO E1 фермент активирует SUMO. Есть только один SUMO фермент Е1, экспрессируемый в клетках млекопитающих, гетеродимер, состоящий из SUMO-активирующего фермента субъединица 1 (SAE1) и убиквитиноподобная активация субъединица 2 фермента. SUMO аденилируется комплексом E1 в АТФ · Mg2+- зависимая реакция и переносится к каталитической Цис субъединице UBA2 с помощью тиоэфирной связи E1 ~ SUMO. Затем, уникальный убиквитин-подобный конъюгирующий фермент SUMO E2, (UBC9), получает SUMO на консервативный каталитический цистеин, образующий тиоэфир E2 ~ SUMO комплекс. Фермент Е2 может присоединять СУМО к субстратам, с образованием изопептидной связи между карбокси-концевой карбоксильной группой SUMO и ε-аминогруппой субстрата-акцептора остатка лизина. UBC9 может быть модифицирован различными ПТМ, которые увеличивают или уменьшают его активность и придают субстрату специфичность действия. UBC9 может взаимодействовать напрямую с некоторыми субстратами SUMO, но чаще всего ему нужна помощь ферментов SUMO E3, лигазы, способные придавать мишеням специфичность.
SENPs Семейство. SENP состоит из семи членов: SENP1, SENP2, SENP3, SENP5, SENP6, SENP7 и SENP8. SENP8 не специфичен для SUMO, но он действует на Nedd8, другой убиквитин-подобный белок. SENP представляют собой цистеиновые протеазы с папаин-подобным свернутым каталитическим доменом и специфическими N-концевыми доменами, которые имеют ключевое значение для их собственной регуляции и для выбора субстрата. Протеазы SENP регулируют как уровень обработанного SUMO, так и скорость модификации субстрата путем уравновешивания конъюгации SUMO.
Функциональная значимость SUMO и процесса сумоилирования.
Первой найденной мишенью для сумоилирования оказывается белок RanGAP1, изучение которого впервые показало связь между ядерным транспортом и SUMO. Конъюгация SUMO с RanGAP1 осуществляется через RanBP2 — ядерный белок: такая модификация важна для ядерного транспорта и локализации RanGAP1. Потеря сумоилирования может привести к нарушению ядерного транспорта RanGAP1 для осуществления его нормальной функции. Кроме этого, сумоилирование RanGAP1 важно для митотической функции Ran.
Интересен тот факт, что сумоилирование может быть вовлечено в патогенез многих нейродегенеративных заболеваний. Показано, что сумоилирование необходимо для ядерного транспорта фактора DJ-1, который подавляет транскрипционную активность апоптотического белка р53, и мутации в котором зачастую связаны с развитием ранней аутосомно-рецессивной формы болезни Паркинсона.
Влияние онковирусов на систему SUMO. Инфекция онкогенными вирусами также участвует в патогенезе рака, составляя около 15% от общего числа злокачественных новообразований в 2012 году. Семь вирусов связаны с раком человека, включая вирус гепатита B (ВГВ), вирус гепатита C (ВГС). вирусы папилломы человека высокого онкогенного риска (ВПЧ), вирус Эпштейна - Барр (ВЭБ), герпесвирус саркомы Капоши, вирус лейкемии Т-клеток человека типа 1, и недавно появившийся полиомавирус Меркеля (MCPyV). Рассмотрим некоторые из них.
Вирус гепатита В
ВГВ является частично двухцепочечным кольцевым ДНК-вирусом, принадлежащим к семейству Hepadnaviridae. Постоянная инфекция ВГВ связана с несколькими заболеваниями печени, такими как гепатоцеллюлярная карцинома (ГЦК), наиболее распространенный вид рака печени. Патогенез ГЦК представляет собой комбинацию как косвенных эффектов, являющихся следствием хронического воспалительного состояния, вызванного постоянным присутствием ВГВ в клетках печени, так и непосредственно через экспрессию вирусных белков. В частности, антиген ВГВ X (HBx), вирусный продукт, который действует в качестве транскрипционного кофактора во время репликации вируса, также способен стимулировать клеточную трансформацию, изменяя важные клеточные пути, участвующие в росте клеток, репарации ДНК, апоптозе и прогрессировании клеточного цикла.
Вирус гепатита С
Наряду с ВГВ, ВГС является еще одним важным этиологическим агентом ГЦК. ВГС представляет собой оболочечный одноцепочечный РНК-вирус, принадлежащий к семейству Flaviviridae. Подобно ВГВ, ВГС может способствовать развитию ГЦК как следствие хронического воспалительного состояния, связанного с его персистенцией в гепатоцитах, или через прямые эффекты, в основном, опосредованные вирусным ядром, неструктурными белками NS3 и NS5A, которые играют важную роль в репликация вируса и изменение ландшафта экспрессии гена-хозяина. В частности, NS5A воздействует на клеточные пути, участвующие в пролиферации клеток печени, иммунном ответе на апоптоз и репарации ДНК и требует сумоилирования для повышения своей стабильности в клетках-хозяевах и стимулирования репликации ВГС. Кроме того, сумоилирование также регулирует взаимодействие NS5A с NS5B, происходящим во время формирования репликационного комплекса, ключевого события для вирусной репликации.
Вирус Эпштейна-Барра
ВЭБ был первым вирусом, явно связанным со злокачественными опухолями человека, поскольку он был выделен в 1964 году в культивируемых лимфобластах из клеток лимфомы Беркита (Epstein et al., 1964). ВЭБ представляет собой двухцепочечный ДНК-герпесвирус, который может вызывать латентную и литическую инфекцию в лимфобластоидных клетках, характеризующуюся ограниченной экспрессией вирусных генов и устойчивостью в течение всей жизни, а также с продукцией вирионов, соответственно, в лимфоцитах и ??эпителиальных клетках. Некоторые белки участвуют и экспрессируются в литической реактивации, чтобы способствовать пролиферации клеток, продукции вируса и онкогенезу. Среди них активатор транскрипции Zta может быть модифицирован как SUMO1, так и SUMO2/3 в K12.
Подобно Zta, активность другого белка ВЭБ, участвующего в литической реактивации, а именно Rta, полностью регулируется SUMO. Однако, в отличие от Zta, конъюгация SUMO1 увеличивает транскрипционную способность Rta, что указывает на решающую роль сумоилирования для литической реактивации ВЭБ.
Кроме того, ВЭБ также кодирует множество микроРНК во время вирусной инфекции и онкогенеза. Биоинформационный анализ, основанный на прогнозировании микроРНК-мишени, идентифицировал 575 белков интерактомов SUMO. Белки SUMO, на которые нацелены микроРНК ВЭБ, в основном участвуют в связанных с раком функциях, таких как пролиферация, апоптоз, передача сигналов роста и межклеточная коммуникация, что позволяет предположить, что микроРНК играют фундаментальную роль во время канцерогенеза ВЭБ.
Клеточный полиомавирус Меркеля (MCPyV)
Является ДНК-содержащим онковирусом, вероятно, вызывающим большинство случаев заболевания карциномой клеток Меркеля — агрессивной формой рака кожи. Около 80 % карцином данного типа инфицированы MCPyV. Данный вирус является крайне распространённым и довольно часто встречается у пациентов с иммунодефицитом. Способность к трансформации MCPyV главным образом зависит от экспрессии белков Large T-антигена (Large-LT и Short-ST), но сам механизм так и не был до конца исследован.
Таким образом, сумоилирование является ключевым звеном в инфицировании и трансформации клеток, запускаемой онковирусами. Поэтому методы, направленные на противодействие вирусным взаимодействиям с компонентами SUMO, могут быть полезны в попытках уменьшить риск возникновения рака, в результате вирусной инфекции.