小泛素相关修饰物异常表达在常见恶性肿瘤发生发展中的作用机制研究进展

姜忠敏，刘晓智，赵坡

1天津市第五中心医院，天津300450；2中国人民解放军总医院

小泛素样蛋白（SUMO）是一种小分子蛋白质，与泛素结构类似但功能迥异，是通过共价键连接到蛋白质上修饰多种蛋白质的翻译后修饰（PTM）。SUMO过程是一个通过酶级联催化的，包括E1激活酶、E2结合酶、E3连接酶以及去SUMO酶［1］。在某些情况下，多达3 000种人类蛋白质被SUMO化修饰，实现对基因表达、基因组维持、DNA损伤修复、细胞周期和核质转运等各种核过程的调控。除了对基因网络的影响外，SUMO化修饰在转录调控中起着直接作用，并影响蛋白质的稳定性、活性和相互作用。最新研究还表明，异常SUMO化修饰参与了癌症干细胞自我更新和维持过程中的一个关键途径［2］。这种高度动态和可逆的修饰是细胞中一种重要的应激反应机制，在白血病、乳腺癌、肝癌（HCC）、前列腺癌、结直肠癌（CC）中表达失调，以致上述功能异常，是肿瘤发生发展的重要机制。现就异常SUMO化修饰的致癌机制及其在常见恶性肿瘤发生发展中的作用研究进展情况综述如下。

1 异常SUMO化修饰的致癌作用机制

SUMO化修饰是一种重要的PTM，微调几乎所有的细胞功能和病理过程。SUMO化修饰在人类肿瘤发生中起重要作用，SUMO化修饰信号通路中不同成分表达或活性改变可能会完全改变细胞的性质。SUMO化修饰通路可通过调节参与癌变的蛋白诱导细胞增殖、凋亡抵抗和转移潜能［3］。异常SUMO化修饰可导致许多疾病的发展，包括癌症。虽然SUMO化修饰信号通路中各种成分的表达与癌症进展或转移之间的具体关系尚不完全清楚，但越来越多的研究表明其在癌症中发挥重要作用。异常SU⁃MO化修饰广泛参与DNA损伤反应（DDR），调节DNA损伤传感和修复蛋白，主要存在于细胞核，特别是染色质和核小体。SUMO化修饰修饰的蛋白也是重要的转录因子，在转录调控中起着直接作用。SUMO化修饰可以阻断底物蛋白的结合位点和细胞间的相互作用，并通过阻断蛋白间的相互作用区域来影响蛋白的功能。研究还表明，SUMO化修饰参与了癌症干细胞自我更新和维持过程中的一个关键途径［2］。

1.1 异常SUMO化修饰导致DNA损伤DDR蛋白复合物保护基因组免受各种DNA损伤因子的攻击，这种修复过程包括碱基切除修复（BER）、核苷酸切除修复（NER）、复制后修复（PRR）和DNA双链断裂（DSB）修复，SUMO化修饰作为一种分子胶参与了这些过程，它吸收了多种修复因子，并组装了大量的蛋白质复合物。Ntg1在BER途径中的SUMO化修饰导致其在DNA氧化损伤时的核定位［4］。Rad4被发现是SUMO化修饰，在没有下游NER蛋白的情况下，它在紫外线照射下促进其积累［5］。PRR通路由PCNA的SUMO化 修 饰 调 节，这 增 强 了PCNA与Rad18的相互作用以激活损伤避免途径，并允许PC⁃NA与Srs2相互作用以抑制D-环交叉［6］。在DSB反应中，SUMO化修饰与泛素信号系统密切合作。Ataxin-3是一种去氢酰化酶，以PIAS4/Ubc9依赖的SUMO化修饰方式定位到dsb。ataxin-3的直接存在引发了DNA损伤诱导的dsb周围染色质泛素化，从而导致DNA损伤反应蛋白，如53BP1和BRCA1［7］被迅速地SUMO化修饰，这促进了DSB的修复。许多SUMO化修饰E3连接酶，包括PIAS1和PIAS4，被招募到DSB来组装DNA修复焦点［8］。SUMO化修饰1修饰对于促进RNF8绑定也是至关重要的，这是响应DSB的早期步骤之一。向DSB招募RAP80取决于一个SUMO化修饰2/3特定的SUMO化修饰相互作用基序（SIM）［9］。修复复合物的拆卸需要SUMO化修饰靶向RNF4与DNA修复病灶和几个SUMO化修饰2/3修饰的DNA修复因子（如MDC1）相关［10］。

1.2 异常SUMO化修饰导致转录调控失调 转录因子（TFs）的SUMO化修饰通常通过多种机制抑制靶基因的表达。一些作为转录辅助抑制因子的TFs的SUMO化修饰修饰通过向DNA结合蛋白中招募组蛋白脱乙酰基酶来增强其抑制作用［11］。对于作为转录激活剂的TFs，SUMO化修饰修饰经常与其他修饰竞争，例如通常促进基因激活的乙酰化，以获得TFs的靶赖氨酸残基［12］。磷酸化依赖性SUMO化修饰修饰模序（PDSM）是一个高度保守的基序，主要存在于转录调控因子中，由一个SUMO化修饰共识位点和一个邻近的脯氨酸磷酸化位点组成。这些特性使PDSM成为预测新相扑基质的有用工具。另一方面，PDSM在功能上促进SUMO化修饰偶联，因为磷酸化的Ser侧链增强了UBC9的结合，并扩展了UBC9与SUMO化修饰共识基序的相互作用。PDSM外磷酸化可抑制UBC9对SUMO化修饰的修饰。研究表明，转录调节因子如NF-κb抑制剂α、JUN、FOS和p53的磷酸化降低了它们的SUMO化修饰，从而刺激了转录活性［13］。在其他情况下，靶基因的激活需要TFs的磷酸化，但是SUMO化修饰干扰相邻残基的磷酸化。STAT5是一种维持正常免疫功能和体内平衡的关键性TF，在K696和K700处进行了总结，SUMO化修饰竞争性地抑制了STAT5在K696处的乙酰化和相邻残基Y694的磷酸化［14］。很少有研究显示SUMO化修饰在促进转录激活中的作用不那么频繁。这种效应通常是由于同源组蛋白乙酰转移酶CBP/p300的募集，后者直接与SUMO化修饰1结合。T细胞TF Bcl11b的SUMO导致p300向Bcl11b抑制的启动子募集并随后诱导转录［15］。

1.3 异常SUMO化修饰促进癌症干细胞的干性维持 与其在干细胞中的作用类似，SUMO化修饰在控制肿瘤干细胞（CSCs）中起着关键作用。研究表明，SUMO化修饰抑制剂治疗的动物不能发展成可以作为二次异种移植的肿瘤，这表明SUMO化修饰抑制剂在功能上限制了CSC/TIC的数量。在CC细胞中，CSCs的SUMO化修饰E1水平和整体SUMO化修饰水平远高于非CSCs。乙醛脱氢酶阳性的CSCs与非CSCs相比，E1酶SAE2水平升高，整体SUMO化修饰水平升高［16］。除CC中CSCs外，SUMO化修饰与白血病CSCs呈正相关。Lin28是干细胞维持的主要调节因子，调节SUMO化修饰1和SUMO化修饰2/3的增加表达。最近研究也表明，SENP1在骨肉瘤干细胞中的表达比在非肿瘤干细胞中低得多，揭示了SENP1是一种潜在的化疗药物增敏剂［17］。

2 异常SUMO化修饰在常见恶性肿瘤发生发展中的作用机制

SUMO化修饰在调节各种生物学过程中的重要作用，异常SUMO化修饰在肿瘤发生中起着至关重要的作用。迄今为止，在白血病、乳腺癌、前列腺癌、HCC、CC等多种癌症中发现了大量异常的SUMO化修饰蛋白。

2.1 异常SUMO化修饰在白血病发生发展中的作用机制 在白血病中，HDAC抑制剂SAHA通过SU⁃MO化修饰2/3途径下调CBX2蛋白的稳定性，导致细胞增殖受损［18］。SUMO化修饰的PML调节PML核体（PML-NBs）的形成，HIPK2是SUMO化修饰偶联物并被招募到PML-NBs中。在急性髓系白血病（AML）患者中，HIPK2突变（R861W和N951I）具有缺陷的SIM功能。hip-k2介导的hip-k2造血前体细胞的募集与hip-k2的重要发病机制有关。此外，影响胰岛素样生长因子-1的上游调节因子和胰岛素样生长因子-1的表达。SUMO1修饰的IGF-1R在AML细胞系和临床样本中增加。IGF-1R中SUMO位点突变后，细胞增殖受到抑制，但细胞凋亡未受影响，这表明IGF-1R的SUMO化修饰可能是AML的治疗策略［19］。SUMO2的过度表达通过促凋亡基因如DDIT3的SUMO化修饰抑制Ara-C诱导的凋亡。三氧化二砷对急性早幼粒细胞白血病（APL）的作用从根本上改变了人们普遍认为它只是一种毒药的印象。三氧化二砷治疗通过诱导早幼粒细胞白血病视黄酸受体α（PML-RARα）癌蛋白的降解来发挥其治疗作用［20］。A改变PML结构并促进Lys 65在PML蛋白的环结构域上的SUMO1修饰，从而促进SUMO2/3与Lys 160的结合；形成链的赖氨酸随后导致RNF4的招募，用于PML的泛素化和降解。另一项研究表明，TO治疗将FLICE相关的巨蛋白（FLASH）招募到PML体内，这是一种在死亡受体信号传导中起重要作用的多功能蛋白质，随后导致FLASH的蛋白酶体依赖性降解和细胞周期停滞。在这个过程中，SU⁃MO化修饰通过增强FLASH与PML体的关联来调节FLASH的降解［21］。此外，PIAS1介导的PML-RARα癌蛋白的SUMO化修饰（导致其降解）在A-to治疗中也是必不可少的。然而，PIAS1通过介导PML的SU⁃MO化修饰和CK2向PML的募集而具有致癌活性，这导致了泛素介导的PML降解。这种矛盾的生物学结果可能表明，在CK2上调的癌细胞中，PIAS1介导的SUMO化修饰限制了PML的肿瘤抑制功能［22］。在非APL急性髓系白血病中，全反式维甲酸（A TRA）诱导的分化被SUMO化修饰途径抑制［23］。SU⁃MO化修饰通路下调了多个A-TRA反应基因的表达，这些基因在髓系分化、细胞周期阻滞和凋亡中起着关键作用，这表明A-TRA和SUMO化修饰抑制剂的联合应用是非APL-AML的一种有前途的治疗策略［23］。成人T细胞白血病（atl）与慢性感染人T细胞白血病病毒1型及其调节蛋白税有关。在三氧化二砷和干扰素α处理的A-TL细胞中，Tax被引入PMLNBs和多聚-SUMO。Tax随后由RNF4确认，并由蛋白酶体降解。这一过程可能是一种治疗方案，通过该方案，Tax可以针对TL患者的某一部分进行降解。

2.2 异常SUMO化修饰在乳腺癌发生发展中的作用机制 研究发现，SUMO化修饰能促进3D细胞迁移，在乳腺癌细胞中显著增加［24］。BRCA1是DDR过程中的关键基因，其基因突变有40%～80%的风险发生乳腺癌。为了应对DNA损伤，SUMO化修饰修饰的BRAC1在损伤部位共定位，PIAS连接酶对于损伤修复蛋白的积累是必要的。此外，BRAC1与RAP80相互作用以确保乳腺癌的DNA修复。将BRCA1定位到DSB需要泛素相互作用的基序和SIM。在乳腺上皮细胞中，SUMO化修饰蛋白酶SENP7的两个变体自然表达［25］。在所有乳腺癌亚型中，主要的SENP转录本SENP7S被发现显著减少［25］。SENP7S的这种下调导致Axin1-β-catenin相互作用的丧失，随后在染色质上积累SUMO化修饰的β-catenin，导致多个癌基因的激活［26］。另一种SENP7亚型，SENP7L，在乳腺癌中上调。升高的SENP7L促进异染色质蛋白1α（HP1α）的低SUMO化修饰，然后沉默E2F应答基因和间充质基因的转录，从而导致上皮—间充质转化（EMT）和抑制细胞衰老。TFAP2C是另一种诱导EMT的基因。SUMO化修饰的TFAP2C在基底乳腺癌亚型的生长中起着关键作用。c-Myc是细胞周期进程中的一个关键致癌因子，在1/3的乳腺癌中过度表达。SENP1的过度表达导致c-Myc的去甲基化，从而增强了c-Myc的稳定性和活性。相反，PIAS1介导的c-Myc的SUMO化修饰导致其随后泛素化和蛋白酶体降解。PIAS1还通过SUMO化修饰调节乳腺癌1（AIB1）的转录活性，从而影响乳腺癌细胞的生长。另一项研究表明PIAS1调节转录调节因子SnoN的SUMO化修饰，SnoN最终调节乳腺癌的转移［27］。乳腺癌侵袭性信号转导与ErbB2/HER2扩增和/或激活有关。ErbB2通过MZF1-K23的多聚SUMO化修饰和MZF1-S27的磷酸化诱导髓系锌指1（MZF1）靶基因CTSB和PRK⁃CA的表达。另一个与乳腺癌相关的基本过程是昼夜节律的紊乱。昼夜运动输出周期kaput（CLOCK）的雌激素相关SUMO化修饰增加了CLOCK和雌激素受体α（ERα）的转录活性，从而刺激细胞生长，增加细胞周期中S期细胞的比例。单孢霉素1是UBC9的抑制剂，作为抗癌药物的靶点对激素依赖性乳腺癌具有潜在治疗作用［28］。

2.3 异常SUMO化修饰在前列腺癌发生发展中的作用机制 在晚期前列腺癌中，过度表达的SENP1去甲基化SMAD4并上调E-钙粘蛋白以促进EMT［29］。同 时，SENP1还 通 过 缺 氧 诱 导 因 子1α（HIF1α）途径调节MMP2和MMP9的表达，进而影响骨转移的能力，这表明SENP1是潜在的预后标志和治疗靶点。过度表达的转录辅助调节因子PIAS1与雄激素受体（AR），一种重要的TF和SUMO2/3在染色质部位相互作用，随后影响前列腺癌的发展。在难治性前列腺癌中，p53向细胞质的易位（由雄激素依赖性SUMO化修饰调节）与G3BP2表达升高相关，随后导致细胞周期进展、凋亡阻滞和预后不良［30］。

2.4 异常SUMO化修饰在HCC发生发展中的作用机制 在HCC中，LKB1的SUMO2修饰阻碍了LKB1的核质穿梭并促进了其致癌活性。HCC活检进一步证实，在更具侵袭性的HCC中，LKB1-苏莫林化水平更高［31］。另一项研究报道，肿瘤抑制因子Lats1在K751处被SUMO化修饰抑制，随后抑制Hippo信号，促进细胞增殖。此外，SUMO1修饰的CPAP对其辅活化因子NF-κB的活性和HCC中NF-κB通路的激活至关重要。Cbx4是一种SUMO E3连接酶，通过在K391和K477处的HIF1αSUMO化修饰增加HIF1α转录活性，从而增强缺氧诱导的HCC血管内皮生长因子表达和血管生成［32］。然而另一项研究发现，一个正反馈回路，其中HIF1α被SENP1去瘤以增加其在缺氧条件下的稳定性，而SENP1促进HCC中的癌症转移，是HIF1/2α的直接靶点，这表明SENP1是HCC的一个新的潜在治疗靶点。在其他研究中，SENP5通过调节DNA损伤在HCC细胞生长过程中起着关键作用。SUMO1在HCC中上调，这使其成为HCC的潜在诊断和治疗靶点。这些报道提示类泛素化修饰作用在HCC的发生发展中起着重要作用。

2.5 异常SUMO化修饰在CC发生发展中的作用机制GTPase KRAS突变的CC，目前尚无靶向治疗方法，表现出包括KAP1、CHD1和EIF3L在内的一组蛋白质的SUMO化修饰升高。RNA干扰介导的UBC9缺失抑制了这种突变细胞系的3D生长，这揭示了一个潜在的治疗靶点KRAS突变型CC［33］。在另一项研究中，SUMO化修饰的Grb2被证明通过增加结肠癌细胞系中Grb2-Sos1复合物而上调ERK活性［34］。此外，SUMO化修饰的TBL1和SUMO化修饰的TBLR1都从NCoR复合物中释放出来，并通过与β-catenin合作促进Wnt靶基因的转录。在CC中，miR-133a-3p是一种肿瘤抑制因子，通过结合其3'-非翻译区（UTR）上调SENP1［35］。SENP1表达的沉默导致CDK抑制剂上调，这表明SENP1在CC细胞周期调控中的重要性。

综上所述，SUMO化修饰是一种重要的PTM，异常SUMO化修饰会导致DNA损伤、转录调控失调，以及促进癌症干细胞的干性维持，从而使细胞增殖、迁移和凋亡出现异常，在白血病、乳腺癌、前列腺癌、HCC、CC的发生发展中发挥重要作用。异常SUMO化修饰与肿瘤癌变、癌细胞增殖与转移密切相关，然而其潜在的分子机制仍知之甚少。SUMO化修饰在大多数癌症中显著上调，因此可能成为癌症治疗的一个潜在靶点。SUMO化修饰通路对蛋白质—蛋白质相互作用有深远的影响，一些SUMO化修饰抑制剂已经被列为主要研究对象，然而这仅仅是冰山一角。异常SUMO化修饰在肿瘤发生发展中的作用及能否成为评估癌症诊断、预后的有用指标及治疗的靶点，尚需要大量的临床试验进行验证。