新型SUMO E3连接酶PIAL1和PIAL2的研究综述

    摘? 要? SUMO是类似于泛素的蛋白质修饰方式，可以参与调节植物对逆境反应、病源防御、脱落酸信号传递以及成花诱导等许多过程，是植物正常生长发育中必不可少的修饰方式之一。PIAL1和PIAL2是SUMO中新型的E3连接酶，可以增强SUMO链的形成，本文就其研究进展作一简要介绍。

    关键词? SUMO? E3连接酶? PIAL1? PIAL2

    植物的生长发育过程中会遭受干旱、极端温度、强光等非生物胁迫，影响植物的正常生理活动和生长发育。蛋白质的翻译后修饰（Post-translational modification，PTM）在对蛋白质的折叠、细胞内定位、稳定性及正确行使功能等方面发挥着重要的作用，可以引起稳定性、活性、相互作用或亚细胞定位的改变，是调节植物生长发育和胁迫应答的关键机制[1]。

    类泛素化修饰（Sumoylation）是小泛素相关修饰物（small ubiquitin-like odifimer，SUMO）与底物蛋白結合的植物中一种必不可少的蛋白质翻译后修饰。SUMO化修饰是一个动态、可逆的过程，包括SUMO化和去SUMO化两部分。SUMO蛋白通过由SUMO活化酶E1（SAE），SUMO结合酶E2（SCE）和SUMO连接酶E3等组分与底物蛋白共价连接。SUMO E1激活酶通过形成硫酯键将底物转移至SUMO E2结合酶上催化SUMO羧基末端的活化。SCE可以单独使用，也可以借助E3连接酶将SUMO羧基末端与底物中的赖氨酸ε-氨基连接。SUMO可以修饰多种蛋白质，其中重点是细胞核蛋白质，底物通常带有单个SUMO部分。SUMO化可以调控干旱，低温和干旱等多种胁迫，也在生长，开花时间，配子体发育和根系生长等发育过程方面发挥作用[2]。在最近的研究中发现，SUMO化在SUMO链的结合方面也具有生理作用。

    拟南芥中有三种SUMO E1活化酶（SAE1a，SAE1b和SAE2），两种SUMO E2结合酶（SCE1a和SCE1b）和四种SUMO E3连接酶（SIZ1，HPY2，PIAL1和PIAL2）[3]。对这些成分有缺陷的突变体的分析表明，它们不仅是生长和发育所必需的，而且是对多种胁迫的反应所必需的。本文对SUMO E3连接酶PIAL1和PIAL2的结构和功能进行综述，对后续研究PIAL1和PIAL2在植物的SUMO化中的功能研究奠定基础。

    1.PIAL1和PIAL2的结构

    四种SUMO E3连接酶均包含一个SP（SIZ-PIAS）-RING（也称为zf-MIZ）结构域，该结构通常存在于SUMO E3连接酶中，并且在植物中是保守的。SP-RING是一个 C2HC3锌指结构域，可以赋予SUMO E3连接酶催化功能的结构域，促进其与SUMO E2结合酶SCE1 结合。但在SP-RING结构域中只有一个能够与锌离子结合成环的位点，另一个位点可能被氢键和范德华力所替代，从而来保证整个结构的稳定性。PIAL1和PIAL2属于一个包括 PIAS 成员（蛋白质抑制剂活性 STAT）的家族，最初发现了作为抑制剂的 STAT 转录因子，后被发现可以作为SUMO E3连接酶发挥功能。

    2.PIAL1和PIAL2的功能

    研究发现，PIAL1和PIAL2在体外可以增强SUMO链的形成，即SUMO-SUMO异肽键。PIAL1的转录因受热而增加，而PIAL2的转录因盐和渗透胁迫而瞬时增加。对于突变体分析发现，PIAL1和2有助于调节盐胁迫和渗透胁迫反应，并参与硫酸盐同化和硫代谢，并且在一定程度上存在功能重叠。在标准温室条件下，pial1或pial2单突变体或双重突变体均未显示任何明显的生长差异。在盐胁迫的情况下，pial1 pial2双突变体的生长比野生型更好，生长状态与非胁迫的野生型相似，具有更高的鲜重。相反，这些在渗透条件下维持生长的能力较弱。在siz1背景中，PIAL的缺失会加剧siz1对应激激素ABA的超敏性，pial1 pial2和siz1 pial1 pial2突变体组合还减少了siz1突变体在土壤上的生长，这表明siz1突变体对PIAL功能丧失特别敏感。对于糖代谢的分析，siz1的葡萄糖含量降低，而pial1 pial2的葡萄糖含量正常。苹果酸在siz1中增加，在pial1 pial2中增加，而果糖在siz1中正常，但是在pial1 pial2中增加。 对于两种主要的营养离子，硝酸根和硫酸根。siz1突变体的硝酸盐含量增加，而在pial1 pial2植物中，其含量略有降低。在硫酸盐代谢中，pial1 pial2突变体中大多数硫代谢基因被下调。在体外实验中，PIAL1和PIAL2均可增加体外SUMO链形成的程度。在高浓度的SUMO结合酶SCE1下，SUMO链的增强更是相对明显。

    3.展望

    SUMO化是一种可以响应多种非生物胁迫和信号途径的复杂调控机制，在植物的生长发育和生理活动中发挥重要作用。PIAL1和PIAL2是一种新型的E3连接酶，可以增加SUMO链的形成，也参与多种信号途径，本文对其研究进展作一综述，为后续研究PIAL1和PIAL2的功能研究奠定基础。

    参考文献：

    [1] Park B. S.， Song J. T.， Seo H. S.. Arabidopsis nitrate reductase activity is stimulated by the E3 SUMO ligase AtSIZ1. Nat. Commun.， 2011， 2： 400.

    [2] Kurepa J.， Walker J. M.， Smalle J.， et al. The small ubiquitin-like modifier （SUMO） protein modification system in Arabidopsis Accumulation of SUMO1 and-2 conjugates is increased by stress.? J.? Biol. Chem.， 2003， 278： 6862-6872.

    [3] Ishida， T.， Yoshimura， M.， Miura， K.， and Sugimoto， K. （2012）. MMS21/HPY2 and SIZ1， two Arabidopsis SUMO E3 ligases， have distinct functions in development. PLoS ONE 7： e46897.

    [4] Tomanov， K.， Zeschmann， A.， Hermkes， R.， Eiflfler， K.， Ziba， I.， Grieco， M.， Novatchkova， M.， Hofmann， K.， Hesse， H.， and Bachmair， A. （2014）. Arabidopsis PIAL1 and 2 promote SUMO chain formation as E4-type SUMO ligases and are involved in stress responses and sulfur metabolism. Plant Cell 26： 4547–4560.

    [5] Han Y F ， Zhao Q Y ， Dang L L ， et al. The SUMO E3 ligase-like proteins PIAL1 and PIAL2 interact with MOM1 and form a novel complex required for transcriptional silencing[J]. Plant Cell， 2016：1215.

    陈明聪 辽宁师范大学