SUMF1及SUMF2对硫酸酯酶功能的影响

刘　蕾(综述)，梁红艳，姜晓峰(审校)

(哈尔滨医科大学附属第四医院检验科，哈尔滨150001)



SUMF1及SUMF2对硫酸酯酶功能的影响

刘蕾△(综述)，梁红艳，姜晓峰※(审校)

(哈尔滨医科大学附属第四医院检验科，哈尔滨150001)

摘要：硫酸酯酶作为硫酸酯类分解代谢酶在人体内起着重要的作用，若其活性出现异常会导致多种疾病。硫酸酯酶的活性需要一个独立的翻译后调节，这个调节由硫酸酯酶的一种调控因子硫酸酯酶调控因子1(SUMF1)来完成。研究发现，硫酸酯酶具有另一种调控因子SUMF2。其中SUMF1既存在于原核生物中又存在于真核生物中，SUMF2只存在于脊椎动物体内，两者对硫酸酯酶的活性调节对生物体内硫酸酯类代谢有着深远的影响。该文对硫酸酯酶、SUMF1和SUMF2的结构、功能及它们之间的相互作用进行综述。

关键词：硫酸酯酶；硫酸酯酶调控因子1；硫酸酯酶调控因子2

在生物体内，硫酸酯酶的作用是催化水解硫酸酯类[1]。当一些硫酸酯酶的活性缺乏时，可导致人类遗传学相关疾病。当硫酸酯酶编码区基因突变时会出现异染性脑白质营养不良、Hunter 综合征、Sanfilippo A 综 合 征、Morquio 综 合 征、Maroteaux-Lamy 综合征、X-连锁的鱼鳞病及软骨发育不全等[1]。另外，还有一种疾病多种硫酸酯酶缺乏症(multiple sulfatase deficiency，MSD)是罕见的人类常染色体隐性遗传疾病，在这种疾病中硫酸酯酶的活性全部或部分受损，受累的个体表现出所有已知硫酸酯酶缺乏的症状[1]。硫酸酯酶被激活后才可以水解底物，在其催化共有域内含有一个半胱氨酸，它在内质网中[2]被硫酸酯酶调控因子1(sulfatase modify factor 1，SUMF1)转录产生的甲酰甘氨酸生成酶(formylglycine-generating enzyme，FGE)修饰成甲酰甘氨酸(formylglycine，FGly)[3]。通过序列对比发现了存在于脊椎动物基因组中SUMF1的同源物：SUMF2。SUMF1与SUMF2的起始蛋白序列高度相似，现阶段可以证明在内质网中SUMF2与SUMF1处于相同位置，且这两种物质可以形成异物二聚体。但在氨基酸303～351区域为SUMF1所特有[3]，对细菌硫酸酯酶的修饰有重要作用[4]，因此这个区域可能为SUMF1的催化域。SUMF2可以通过抑制SUMF1使硫酸酯酶活性减弱，预示着SUMF1-SUMF2或许是通过相互作用从而对硫酸酯酶的活性进行调控。现对硫酸酯酶、SUMF1和SUMF2的结构、功能及它们之间的相互作用进行综述。

1硫酸酯酶的结构与功能

硫酸酯酶是一个高度保守的蛋白家族，可以将广泛的底物分解成硫酸酯类。在人体的代谢活动中硫酸酯酶起着重要作用，它至少参与8种因硫酸酯酶缺乏引起的人类单克隆抗体疾病。硫酸酯酶活性需要一个独立的翻译后调节过程，如果人体内缺少这种调节，会导致多种MSD等疾病，而其根本原因是SUMF1的基因变异[5]。

硫酸酯酶在真核动物与原核动物体内拥有一个独立的氨基酸衍生物：FGly，它在半胱氨酸(真核和原核生物)或丝氨酸(原核生物)翻译后调节产生[6]。FGly对于催化硫酸酯酶的活性非常重要，它在活性区域以醛水化合物的形式存在[7]，可以消化硫酸酯类并导致底物络合物形成、裂解硫酸酯残基[2]。MSD患者体内均存在SUMF1变异，因为这种变异使SUMF1丧失了对硫酸酯酶的翻译后修饰功能，导致硫酸酯酶活性下降[3]。

基于目前的研究可以将硫酸酯酶分成两大类:第一类包括具有分解代谢功能的硫酸酯酶，它们位于溶酶体中，在酸性条件下发挥着酶的作用。如果在这方面硫酸酯酶活性缺失，可以考虑某种特殊的溶酶体贮存疾病[8]。第二类硫酸酯酶位于亚细胞管腔结构中，如内质网、高尔基体等部位，在中性pH条件下具有活性，这类硫酸酯酶更倾向于发挥生物合成功能，而不是催化功能[6]。硫酸酯酶类具有的共同特征：①分子量相近，氨基酸长度都在500～800；②广泛糖基化；③都有显著的序列同源性，尤其是在氨基末端区域；④具有高度相似的活性区域，导致所有硫酸酯酶具有相同的翻译后调节过程[6]。

在一些研究中，硫酸酯酶也可以被用作具有特异性朝向生物发光探针[9]。在细胞培养中转染与硫酸酯酶互补DNAs的SUMF1对硫酸酯酶活性有增强作用[3]。

2SUMF1的结构与功能

SUMF1的基因位于3p26，是转录因子激活蛋白2α的靶基因[10]，转录产生FGE[11],该蛋白在进化过程中高度保守遗传，人类的SUMF1与细菌SUMF1高度同源[12]。FGE是一个可溶解糖蛋白，存在于内质网及其他分泌型细胞器(高尔基体、溶酶体、内颗粒)中，并且可以被分泌到细胞外[13]。SUMF1在翻译转录后可以活化所有新合成的硫酸酯酶[3]。其在第141个氨基酸(天冬酰胺)处有一个独立的N-相关糖基化区域，并且胞内SUMF1结构(包括高甘露醇碳水化合物)由4～9个己糖类连接两个N-乙酰氨基己糖残基。Dierks等[14]发现FGE是一种氧合酶，通过与中间产物(半胱氨酸次磺酸残基)和氧分子相互作用产生FGly，其结构包含复杂的高甘露糖型寡糖家族，由1个碳水化合物核心组成：2个N乙酰氨基己糖，3个己糖(甘露醇)，1个岩藻糖残基，携带3个乳糖，2个唾液酸以及1个脱氧核糖残基。SUMF1调节硫酸酯酶的半胱氨酸转换成FGly作为起始折叠蛋白[15]。在培养细胞中通过转染或病毒载体等方式过量表达SUMF1和硫酸酯酶cDNA可以大大增强硫酸酯酶活性，暗示SUMF1对于硫酸酯酶活性的调节起着非常重要的作用[16]。在MSD患者体内均发现变异的SUMF1，因为SUMF1功能丧失会导致硫酸酯酶活性全部降低[3]。

3SUMF2的结构与功能

SUMF2位于人类染色体(7q11.1)，其cDNA序列全长857 bp，收录至GenBank(编号NM_015411.2)，是硫酸酯酶的调控因子之一[17]。由SUMF2来源的EST序列(不同组织来源的cDNA序列)为8种脊椎动物物种[18]。SUMF2因其序列和SUMF1相似而被发现[19]，但它缺乏SUMF1具有的催化酶的活性。SUMF1保守的存在于细菌及人体内，而SUMF2变体出现较晚，只在脊椎动物中存在，它有48%的可识别氨基酸和62%的SUMF1相似的氨基酸[3]。人类、鼠类相对于河豚同系物种的SUMF2序列与SUMF1相比，两者基因显示出更高水平的相似性，说明由初代基因变异产生的第二种独立变体基因在脊椎动物进化前就已产生，这也是种系发生图谱的证据之一。

通过RNA印迹法了解到SUMF2在不同的组织中的表达情况，发现大量SUMF2 mRNA存在于所有已研究组织中，在肾、肝和胎盘组织中有大量SUMF1和SUMF2的信使RNAs存在。在肝癌细胞H22中SUMF2的表达明显增强[20]。SUMF1与SUMF2相似的表达水平表明，这两个基因可以被共同调节转录。有证据表明，SUMF2和SUMF1在内质网中定位相同[21]，并且SUMF1和SUMF2蛋白既可以组成同源二聚体又可以组成异源二聚体。SUMF1有11个半胱氨酸，而SUMF2有2个，这些半胱氨酸或许对SUMF1和SUMF2组成四聚体的稳定性起着重要的作用[22]。

SUMF2不能被分泌到细胞外，其在核糖体合成并转运到内质网进行初步加工，很快被转运到高尔基体进一步加工，而这种加工会改变其空间构象使其C端四肽序列暴露，SUMF2只能从高尔基体重新返回内质网，并驻留于内质网内[23]。文献报道，SUMF2可与白细胞介素13相互作用并抑制白细胞介素13的分泌[24]，但SUMF2在支气管上皮细胞中的表达定位及其与白细胞介素13各种变异性的作用尚不清楚[17]。

SUMF2与硫酸酯酶的结合并不依赖SUMF1，并且SUMF2有抑制SUMF1增强硫酸酯酶活性的作用[21]。但是SUMF2不能增强硫酸酯酶的活性，因为它没有使硫酸酯酶中的半胱氨酸转换成FGly的能力，但是硫酸酯酶的活性由SUMF1和SUMF2相互作用共同调节，表明SUMF1-SUMF2之间存在着更高水平的对硫酸酯酶活性调控的作用[21]。

4展望

通过上述研究对硫酸酯酶的认知有了进一步的了解，但也提出了很多新的疑问：是否其他蛋白中也含有FGly？SUMF1和SUMF2为何在特异性、活性和表达上是不同的？这些不同会导致什么结果？是否组织对SUMF1表达水平的特异性对个体硫酸酯酶减少的基因替代疗法有影响？SUMF1和SUMF2作为基因对半胱氨酸合成FGly的作用会引导研究者对生物硫酸酯酶运作方式和硫酸化的过程进行深入了解，也可以更好地去了解对以分子为基础的基因疾病(如MSD)翻译后调节的复杂功能。

参考文献

[1]Fraldi A,Hemsley K,Crawley A,etal.Functional correction of CNS lesions in an MPS-IIIA mouse model by intracerebral AAV-mediated delivery of sulfamidase and SUMF1 genes[J].Hum Mol Genet,2007,16(22):2693-2702.

[2]Schmidt B,Selmer T,Ingendoh A,etal.A novel amino acid modification in sulfatases that is defective in multiple sulfatase defici-ency[J].Cell,1995,82(2):271-278.

[3]Cosma MP,Pepe S,Annunziata I,etal.The multiple sulfatase deficiency gene encodes an essential and limiting factor for the activity of sulfatases[J].Cell,2003,113(4):445-456.

[4]Schirmer A,Kolter R.Computational analysis of bacterial sulfatases and their modifying enzymes[J].Chem Biol,1998,5(8):R181-186.

[5]孟岩,黄尚志,魏珉.多种硫酸酯酶缺乏症研究进展[J].医学研究杂志,2006,35(6):68-69.

[6]Diez-Roux G,Ballabio A.Sulfatases and human disease[J].Annu Rev Genom Hum Genet,2005,6:355-379.

[7]Boltes I,Czapinska H,Kahnert A,etal.1.3 A structure of arylsulfatase from Pseudomonas aeruginosa establishes the catalytic mechanism of sulfate ester cleavage in the sulfatase family [J].Structure,2001,9(6):483-491.

[8]Kakkis ED,Muenzer J,Tiller GE,etal.Enzyme-replacement therapy in mucopolysaccharidosis I[J].New Engl J Med,2001,344(3):182-188.

[9]Rush JS,Beatty KE,Bertozzi CR.Bioluminescent probes of sulfatase activity[J].Chem Bio Chem,2010,11(15):2096-2099.

[10]帅勇,胡兴旺,易朵,等.重叠延伸PCR法构建小鼠Sumf1基因的定点突变真核表达载体[J].生命科学研究,2009,13(5):430-436.

[11]Buono M,Cosma MP.Sulfatase activities towards the regulation of cell metabolism and signaling in mammals[J].Cell Mol Life Sci,2010,67(5):769-780.

[12]Sardiello M,Annunziata I,Roma G,etal.Sulfatases and sulfatase modifying factors:an exclusive and promiscuous relationship[J].Hum Mol Genet,2005,14(21):3203-3217.

[13]Zito E,Buono M,Pepe S,etal.Sulfatase modifying factor 1 trafficking through the cells:from endoplasmic reticulum to the endoplasmic reticulum[J].EMBO J,2007,26(10):2443-2453.

[14]Dierks T,Dickmanns A,Preusser-Kunze A,etal.Molecular basis for multiple sulfatase deficiency and mechanism for formylglycine generation of the human formylglycine-generating enzyme[J].Cell,2005,121(4):541-552.

[15]Gande SL,Mariappan M,Schmidt B,etal.Paralog of the formylglycine-generating enzyme-retention in the endoplasmic reticulum by canonical and noncanonical signals[J].FEBS J,2008,275(6):1118-1130.

[16]Fraldi A,Biffi A,Lombardi A,etal.SUMF1 enhances sulfatase activities in vivo in five sulfatase deficiencies[J].Biochem J,2007,403(2):305-312.

[17]杨春，张婉莹，梁红艳，等.pEGFP-C3/SUMF2重组真核表达载体的构建及在人支气管上皮细胞中的表达[J].中华临床免疫和变态反应杂志，2012，6(3):168-172.

[18]Dierks T,Schmidt B,Borissenko LV,etal.Multiple Sulfatase deficiency is caused by mutations in the gene encoding the human C-α-formylglycine generating enzyme[J].Cell,2003,113(4):435-444.

[19]Baenziger JU.A major step on the road to understanding a unique posttranslational modification and its role in a genetic disease[J].Cell,2003,113(4):421-422.

[20]刘秋均，李洪，严冬梅，等.小鼠肝癌细胞H22膜蛋白组的双向电泳[J].中华肝脏病杂志，2009，17(4):280-283.

[21]Zito E,Fraldi A,Pepe S,etal.Sulphatase activities are regulated by the interaction of sulphatase-modifying factor 1 with SUMF2[J].EMBO Rep,2005,6(7):655-660.

[22]Dickmanns A,Schmidt B,Rudolph MG,etal.Crystal structure of human pFGE,the paralog of the Calpha-formylglycine-generating enzyme[J].J Biol Chem,2005,280(15):15180-15187.

[23]Mariappan M,Preusser-Kunze A,Balleininger M,etal.Expression,localization,structural,and functional characterization of pFGE,the paralog of the Calpha-formylglycine-generating enzyme[J].J Biol Chem,2005,280(15):15173-15179.

[24]Liang H,Li Z,Xue L,etal.SUMF2 interacts with interleukin-13 and inhibits interleukin-13 secretion in bronchial smooth muscle cells[J].J Cell Biochem,2009,108(5):1076-1083.

Research Progress of SUMF1 and SUMF2′s Influence on the Function of Sulfatase FamilyLIULei,LIANGHong-yan,JIANGXiao-feng.(DepartmentofLaboratory,theFourthAffiliatedHospitalofHarbinMedicalUniversity,Harbin150001,China)

Abstract：Sulfatase works as an enzyme that cleaves sulfate esters and has an important role in human metabolism,and the sulfatase activity abnormality will lead to lots of diseases.Sulfatase undergo a unique post-translational modification by sulfatase modifying factor 1(SUMF1).Studies led to the discovery of a paralogue of SUMF1 in the vertebrate genomes,named SUMF2.SUMF1 exists in both prokaryotes and eukaryotes while SUMF2 only exists in vertebrate,they both have a profound impact on sulfatase activity in vivo.Here is to make a review of structure,function and the interaction of sulfatase,SUMF1 and SUMF2.

Key words:Sulfatase; Sulfatase modifying factor 1; Sulfatase modifying factor 2

收稿日期：2014-10-20修回日期:2014-11-27编辑：伊姗

基金项目：国家自然科学基金(81171657)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.14.010

中图分类号：R446

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)14-2522-03