周元青 劉海軍 徐平

(遵義醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，貴州 遵義 563000)

小泛素樣相關(guān)修飾物(SUMO)化作為一種重要的翻譯后修飾出現(xiàn)在細(xì)胞生理學(xué)的幾乎所有方面〔1〕。SUMO化是一個(gè)動(dòng)態(tài)的多步共軛和去共軛級(jí)聯(lián)，由三磷酸腺苷(ATP)依賴的酶催化〔2〕。在神經(jīng)元中，SUMO化已被證明可調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)多種功能，包括蛋白質(zhì)穩(wěn)定性、染色質(zhì)組裝、轉(zhuǎn)錄、DNA修復(fù)、亞細(xì)胞定位、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用和蛋白質(zhì)內(nèi)穩(wěn)態(tài)〔3〕。SUMO化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)功能，因此，在神經(jīng)元成熟、突觸形成和可塑性中起重要作用。SUMO化功能障礙與多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病有關(guān)。數(shù)百種與神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)病機(jī)制有關(guān)的蛋白質(zhì)被SUMO修飾，表明SUMO化在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的重要性〔4〕。通過(guò)研究SUMO化對(duì)大腦認(rèn)知功能相關(guān)蛋白質(zhì)和認(rèn)知障礙疾病相關(guān)蛋白質(zhì)的調(diào)控機(jī)制，研制出以調(diào)控這些蛋白質(zhì)的SUMO化為靶點(diǎn)的藥物將為許多伴有認(rèn)知功能障礙的疾病治療帶來(lái)曙光。本文就SUMO化調(diào)控突觸可塑性和介導(dǎo)認(rèn)知功能改變研究進(jìn)展。

1 SUMO化概述

SUMO化是一種高度動(dòng)態(tài)可逆的目標(biāo)蛋白質(zhì)賴氨酸殘基翻譯后修飾，其通過(guò)調(diào)節(jié)底物蛋白質(zhì)的構(gòu)象或蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用來(lái)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)信號(hào)和復(fù)合物的形成。特定蛋白質(zhì)的SUMO化和去SUMO化在神經(jīng)元形態(tài)和功能幾乎所有方面的信號(hào)傳導(dǎo)途徑中發(fā)揮關(guān)鍵作用。蛋白質(zhì)的SUMO化是由SUMO激活酶E1、SUMO特異性結(jié)合酶泛素結(jié)合蛋白(Ubc)9和SUMO連接酶E3催化，在一系列SUMO蛋白的特異性蛋白酶(SENPs，SENP1-3,5-7)作用下進(jìn)行去 SUMO 化。特定蛋白的SUMO修飾在E1/Ubc9/E3 介導(dǎo)的SUMO化及SENPs介導(dǎo)的去SUMO化之間保持平衡〔5〕。

2 SUMO化與突觸可塑性和認(rèn)知功能

SUMO可與多種細(xì)胞蛋白共價(jià)結(jié)合，并在不同細(xì)胞過(guò)程中影響蛋白質(zhì)的細(xì)胞定位和生物活性。核蛋白的SUMO化已被廣泛研究，但核外的許多蛋白質(zhì)也受到SUMO化，盡管對(duì)其SUMO化的機(jī)制和作用尚不完全清楚。研究表明〔5〕核外蛋白質(zhì)的SUMO化在調(diào)控突觸傳遞、神經(jīng)元興奮性和細(xì)胞對(duì)應(yīng)激的適應(yīng)性反應(yīng)中起直接作用。大量的神經(jīng)元蛋白被確定為SUMO化底物，SUMO化的破壞導(dǎo)致突觸可塑性、神經(jīng)元興奮性和神經(jīng)元應(yīng)激反應(yīng)的缺陷。認(rèn)知功能是大腦接受外界刺激后對(duì)刺激進(jìn)行加工處理并獲取有效信息的過(guò)程，包含記憶、語(yǔ)言、執(zhí)行、理解和推理等。SUMO化的功能障礙與人類和動(dòng)物的認(rèn)知障礙有關(guān)〔5,6〕。SUMO化紊亂可引起多種與認(rèn)知功能障礙相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病，如阿爾茨海默病(AD)、帕金森病(PD)和亨廷頓病等，此外還有與認(rèn)知功能障礙相關(guān)的呼吸障礙——阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征(OSAS)。而在調(diào)節(jié)離子通道亞單位方面，SUMO化失衡導(dǎo)致各種通道病的發(fā)生〔7,8〕?？伤苄允巧窠?jīng)發(fā)育和神經(jīng)系統(tǒng)正常功能的關(guān)鍵組成部分，也是對(duì)不斷變化的環(huán)境、衰老或病理?yè)p傷的反應(yīng)?？伤苄允峭挥|連接在經(jīng)歷環(huán)境變化、感覺(jué)異常和損傷等后，對(duì)自身功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整的能力。它是發(fā)育中神經(jīng)系統(tǒng)的一個(gè)特性，依賴于經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)生的神經(jīng)活動(dòng)可以改變神經(jīng)回路的功能，進(jìn)而改變感覺(jué)、思維和行為等。突觸可塑性有多種表達(dá)形式，其中最重要的是長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(LTP)和長(zhǎng)時(shí)程抑制(LTD)，可塑性的基本分子水平包括大量參與協(xié)調(diào)和相互作用的信號(hào)和代謝過(guò)程的特定蛋白質(zhì)(酶、受體、結(jié)構(gòu)蛋白等)，對(duì)它們的調(diào)節(jié)形成了腦可塑性的分子基礎(chǔ)〔9～12〕。樹突棘是突觸可塑性的重要組成部分，其形態(tài)、數(shù)量和類型的改變?cè)谕挥|可塑性中發(fā)揮重要作用。很多突觸相關(guān)蛋白對(duì)樹突棘的形成至關(guān)重要，而SUMO化可通過(guò)修飾突觸相關(guān)蛋白調(diào)控突觸可塑性。

3 SUMO化調(diào)控突觸可塑性

3.1SUMO化與LTP SUMO2的條件性缺失主要發(fā)生在前腦神經(jīng)元，并表現(xiàn)為各種形式的認(rèn)知功能受損，如情景記憶和恐懼記憶等。研究表明，這些異常既不能歸因于基因表達(dá)的結(jié)構(gòu)性變化，也不能歸因于神經(jīng)元形態(tài)的改變，而是與突觸可塑性相關(guān)的動(dòng)態(tài)SUMO化的過(guò)程受到干擾，在SUMO2基因敲除的小鼠中，海馬認(rèn)知的功能障礙與維持海馬LTP的顯著缺陷有關(guān)〔6〕。小膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)免疫防御的主要參與者，小膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)磷酸肌醇3-激酶(PI3K)，PI3K在神經(jīng)元突觸可塑性和小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥中均起重要作用。小膠質(zhì)細(xì)胞PI3K在表觀遺傳學(xué)上受組蛋白修飾和SUMO化調(diào)控，并進(jìn)一步通過(guò)調(diào)節(jié)腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(BDNF)的表達(dá)參與LTP，而LTP參與神經(jīng)元突觸可塑性〔13〕。一氧化氮(NO)是一種抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，有助于突觸前和突觸后海馬神經(jīng)元的同步活動(dòng)，大腦中NO主要由神經(jīng)元NO合酶(nNOS)催化產(chǎn)生。nNOS和NO信號(hào)通路與學(xué)習(xí)、記憶和突觸可塑性有關(guān)。nNOS-SUMO化通過(guò)促進(jìn)nNOS-NO-細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)1/2信號(hào)級(jí)聯(lián)而成為興奮性突觸LTP的基礎(chǔ)。阻斷活性誘導(dǎo)的nNOS SUMO化將降低LTP相關(guān)的活性調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架相關(guān)蛋白(Arc)和BDNF的表達(dá)，阻斷海馬ERK1/2和轉(zhuǎn)錄激活因子ETS樣蛋白(Elk)-1的信號(hào)傳導(dǎo)〔14〕。含卷曲螺旋C2域蛋白(CC2D)1A是一種進(jìn)化過(guò)程中保守的蛋白質(zhì)，最初通過(guò)大規(guī)模人類基因篩選鑒定為核轉(zhuǎn)錄因子(NF)-κB激活劑。CC2D1A缺失的小鼠在海馬CA1區(qū)的LTP維持方面出現(xiàn)缺陷，同時(shí)CC2D1A缺失也導(dǎo)致CA1區(qū)錐體神經(jīng)元頂端和基底樹突棘的復(fù)雜性降低，而這些改變降低了突觸的可塑性。CC2D1A缺失后觀察到Ras相關(guān)C3肉毒菌素底物(Rac)1活性增強(qiáng)，這種增強(qiáng)是通過(guò)減少SUMO特異性蛋白酶(SENP)1和SENP3表達(dá)介導(dǎo)的，從而增加Rac1 SUMO化的量。簡(jiǎn)言之，CC2D1A的條件性缺失通過(guò)Rac1過(guò)度激活降低海馬突觸可塑性并損害認(rèn)知功能〔15〕。

3.2SUMO化與樹突棘 樹突棘是參與興奮性神經(jīng)元突觸傳導(dǎo)的特殊結(jié)構(gòu)。微管細(xì)胞骨架對(duì)維持樹突棘形態(tài)和突觸成熟至關(guān)重要。而樹突棘形態(tài)和數(shù)量改變與突觸可塑性密切相關(guān)。微管切割蛋白與微管切割蛋白激酶有關(guān)，并參與突觸束的形成。微管切割蛋白的SUMO化通過(guò)靶向微管動(dòng)力學(xué)促進(jìn)小鼠谷氨酸受體(GluA)1內(nèi)化并調(diào)節(jié)樹突棘的形態(tài)，進(jìn)而介導(dǎo)突觸可塑性的改變〔16〕。脆性X智力低下蛋白(FMRP)功能缺失或異常導(dǎo)致樹突棘減少，進(jìn)而導(dǎo)致突觸傳遞障礙。FMRP是SUMO化的底物，并已確定其SUMO化活性位點(diǎn)。FMRP SUMO化是通過(guò)激活代謝型谷氨酸受體來(lái)促進(jìn)的。SUMO化的增加調(diào)控了樹突mRNA顆粒內(nèi)FMRP的同質(zhì)化，而FMRP反過(guò)來(lái)又調(diào)節(jié)樹突棘的去除與成熟〔17〕。坍塌反應(yīng)調(diào)節(jié)蛋白(CRMP)2的翻譯后修飾在軸突生長(zhǎng)、細(xì)胞極化和樹突形態(tài)發(fā)生中發(fā)揮重要作用。CRMP2的磷酸化和SUMO化獨(dú)立地促進(jìn)樹突棘的形成和成熟，并參與樹突棘的可塑性過(guò)程〔18〕。細(xì)胞質(zhì)聚腺苷酸化元素結(jié)合蛋白(CPEB)3調(diào)節(jié)了海馬中幾個(gè)重要的信使核糖核酸(mRNAs)的翻譯，包括a-氨基-3-羥基-5-甲基-異惡唑-4-丙酸(AMPA)型谷氨酸受體亞單位GluA2和GluA1、N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體亞單位(NR)1、細(xì)胞骨架蛋白肌動(dòng)蛋白和突觸后密度蛋白(PSD)95，這些mRNAs的翻譯對(duì)海馬的突觸可塑性有重要影響。SUMO化調(diào)控CPEB3的分布、寡聚和活性，而后兩者是記憶維持的關(guān)鍵因素〔19〕。在高等動(dòng)物中，CPEB3有富含脯氨酸和谷氨酰胺的N端朊病毒結(jié)構(gòu)域(PRD)和C端RNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域(RBD)，可以形成穩(wěn)定的聚集體，這些聚集體可以鞏固突觸強(qiáng)度，并在突觸受到刺激時(shí)調(diào)節(jié)靶mRNA的局部翻譯。肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架重塑參與樹突棘的結(jié)構(gòu)改變，在突觸可塑性中具有重要作用，它與突觸的加強(qiáng)有關(guān)，因此也與記憶的儲(chǔ)存有關(guān)。CPEB3在未形成聚集體之前進(jìn)行SUMO化可能會(huì)抑制CPEB3/F-肌動(dòng)蛋白的相互作用，然后在受刺激的突觸中去SUMO化會(huì)抑制這種相互作用，因此CPEB3的結(jié)合、聚集和調(diào)節(jié)活性最終可以通過(guò)突觸刺激來(lái)控制〔20〕。Arc是突觸可塑性和記憶形成的主要調(diào)節(jié)因子，但其作用機(jī)制尚不清楚。有研究假設(shè)Arc被SUMO化，并且在體內(nèi)LTP期間靶向調(diào)節(jié)肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架，且這一假設(shè)也成功建立出相應(yīng)的模型〔21〕。叉頭框蛋白(FOXP)轉(zhuǎn)錄抑制物在腦發(fā)育中具有重要作用，其功能障礙導(dǎo)致人類認(rèn)知障礙。在FOXP1賴氨酸670處的SUMO化是招募共同抑制子羧基末端結(jié)合蛋白(CTBP)1和轉(zhuǎn)錄抑制所必需的。在培養(yǎng)的皮層神經(jīng)元中敲除FOXP1會(huì)阻礙樹突細(xì)胞的生長(zhǎng)，并且這種表型不能通過(guò)替換非SUMO化的FOXP1-K670R突變體來(lái)挽救，這表明FOXP1的SUMO化對(duì)于調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)纳窠?jīng)元形態(tài)發(fā)生是必需的。 FOXP1的SUMO化通過(guò)CTBP1調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄抑制以驅(qū)動(dòng)樹突形態(tài)發(fā)生〔22〕。

3.3SUMO化與其他突觸可塑性相關(guān)蛋白 CRMPs在人類的神經(jīng)元中廣泛表達(dá)。CRMPs的一個(gè)主要特征是通過(guò)與細(xì)胞骨架蛋白的相互作用，介導(dǎo)生長(zhǎng)錐塌陷對(duì)信號(hào)素3A信號(hào)的反應(yīng)。這些是CRMPs在神經(jīng)細(xì)胞生成和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形成過(guò)程中的重要調(diào)節(jié)作用。通過(guò)翻譯后修飾，如SUMO化、磷酸化、O-GlcNAc糖基化和蛋白水解裂解，CRMPs通過(guò)調(diào)節(jié)NMDA受體、L型和N型電壓門控鈣通道(VGCC)參與突觸可塑性，從而影響神經(jīng)遞質(zhì)的釋放〔23〕。Loriol等〔24〕研究發(fā)現(xiàn)代謝型谷氨酸受體(mGluR)5的激活，通過(guò)短暫限制Ubc9從樹突棘擴(kuò)散，增加了Ubc9的突觸駐留時(shí)間。維持這種突觸保留的機(jī)制可能涉及Ubc9與蛋白激酶(PK)C磷酸化突觸底物的結(jié)合，導(dǎo)致Ubc9的短暫性突觸捕獲增加進(jìn)而導(dǎo)致突觸SUMO化的增加。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)便是這種活性依賴的Ubc9在突觸中的募集和保留可能促進(jìn)SUMO化的動(dòng)態(tài)上調(diào)，以調(diào)節(jié)突觸傳遞和可塑性。在神經(jīng)系統(tǒng)中，活化T細(xì)胞核因子(NFAT)轉(zhuǎn)錄因子家族的四個(gè)鈣/鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶調(diào)節(jié)成員NFATc1～c4參與許多大腦發(fā)育和功能形成的過(guò)程，如皮質(zhì)生成、突觸形成、突觸可塑性和神經(jīng)傳遞等，且都需要精確的基因調(diào)控。在原代海馬神經(jīng)元中，SUMO化抑制NFATc1、NFATc2和NFATc3亞型的轉(zhuǎn)錄活性，而在皮層神經(jīng)元中，只有NFATc1和NFATc2的反式激活能力被SUMO化抑制〔25〕。

4 SUMO化介導(dǎo)認(rèn)知功能改變

4.1SUMO化與AD AD是最常見的神經(jīng)退行性疾病，其特征是存在兩種主要的神經(jīng)病理學(xué)改變：由β-淀粉樣蛋白(Aβ)組成的細(xì)胞外老年斑(SP)和由異常高磷酸化tau組成的細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)原纖維纏結(jié)(NFTs)。蛋白磷酸酶(PP)2A是tau磷酸化的主要調(diào)節(jié)因子， PP2A活性的抑制導(dǎo)致tau過(guò)度磷酸化，被認(rèn)為是NFTs形成的主要驅(qū)動(dòng)因素。PP2A主要由內(nèi)源性核蛋白抑制劑2(I2PP2A)調(diào)節(jié),又稱SET調(diào)節(jié)。SET主要在K68殘基上被SUMO化，導(dǎo)致其從細(xì)胞核到細(xì)胞質(zhì)的易位，并在細(xì)胞質(zhì)中滯留，隨后誘導(dǎo)PP2A的抑制和tau的過(guò)度磷酸化，最終導(dǎo)致AD樣tau蛋白生成增加和認(rèn)知缺陷〔26〕。限速β分泌酶BACE(BACE)1主要是在K501殘基上SUMO化，這提高了它的蛋白酶活性和穩(wěn)定性，隨后增加了Aβ的產(chǎn)生，導(dǎo)致AD小鼠模型出現(xiàn)認(rèn)知缺陷〔27〕。突觸功能障礙已被認(rèn)為是AD發(fā)病時(shí)的早期特征。神經(jīng)傳遞的受損會(huì)導(dǎo)致突觸喪失，這些事件與認(rèn)知衰退相關(guān)，且會(huì)逐漸影響AD患者。SUMO化水平的改變有助于延緩AD發(fā)病時(shí)突觸改變的發(fā)展，SUMO化可能是AD突觸功能障礙的一個(gè)藥理學(xué)靶點(diǎn)〔28〕。

4.2SUMO修飾與OSAS OSAS是一種與認(rèn)知障礙相關(guān)的呼吸障礙。間歇性缺氧(IH)是OSAS的一個(gè)重要特征。而IH引起的認(rèn)知功能下降與小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥有關(guān)。分子生物學(xué)結(jié)果顯示，IH可誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)及體內(nèi)NF-κB活化、白細(xì)胞介素(IL)-1β和腫瘤壞死因子(TNF)-α表達(dá)上調(diào)。IH降低了SENP1的表達(dá)，增加了NF-κB必需調(diào)節(jié)蛋白(NEMO)的SUMO化，而非NF-κBP65。SENP1過(guò)表達(dá)抑制了IH介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)和NEMO的SUMO化。然而，沉默 NEMO基因取消了這種抑制作用。SENP1缺失增強(qiáng)了IH誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)和NEMO的SUMO化，伴隨著潛伏期的增加和停留時(shí)間的縮短。SENP1通過(guò)調(diào)節(jié)NEMO的SUMO化來(lái)調(diào)節(jié)IH誘導(dǎo)的神經(jīng)炎癥，從而激活NF-κB通路，提示在小膠質(zhì)細(xì)胞中靶向SENP1可能是IH誘導(dǎo)的認(rèn)知功能下降的一種新的治療策略〔29〕。SENP1在IH相關(guān)認(rèn)知功能障礙中起著重要作用。過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體(PPARs)分為3 種不同的亞型：PPARα、PPARβ/δ和PPARγ。SENP1缺失通過(guò)促進(jìn)PPARγ的SUMO化，降低PPARγ水平，從而加劇了神經(jīng)炎癥和神經(jīng)元凋亡，最終加重IH誘導(dǎo)的認(rèn)知功能下降〔30〕。

4.3SUMO化與PD SUMO化參與PD相關(guān)的幾種途徑，包括α-突觸核蛋白生物學(xué)和病理學(xué)的變化、DJ-1活性的調(diào)節(jié)、線粒體和溶酶體生物發(fā)生的轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)節(jié)、線粒體分裂機(jī)制的調(diào)控。α-突觸核蛋白的積累和聚集是PD的核心機(jī)制，然而導(dǎo)致這些事件的分子機(jī)制尚不完全清楚。α-突觸核蛋白的翻譯后修飾調(diào)節(jié)了其一些性質(zhì)，包括降解、與蛋白質(zhì)和膜的相互作用、聚集和毒性。SUMO化是一種翻譯后修飾，參與亞細(xì)胞蛋白靶向、線粒體分裂和突觸可塑性等核內(nèi)外過(guò)程。多種α-突觸核蛋白賴氨酸殘基與SUMO結(jié)合及SUMO連接酶和SUMO同源異構(gòu)體的參與，有助于α-突觸核蛋白SUMO化，SUMO化模式的差異可能導(dǎo)致α-突觸核蛋白正常和病理功能的復(fù)雜調(diào)節(jié)，包括降解、細(xì)胞內(nèi)分布、蛋白質(zhì)相互作用和聚集〔31〕。由于α-突觸核蛋白是一種突觸前蛋白，突觸前SUMO化機(jī)制的發(fā)現(xiàn)支持α-突觸核蛋白SUMO化的重要性。SUMO化也可能調(diào)節(jié)α-突觸核蛋白在突觸前的作用〔32〕。

4.4SUMO化與其他認(rèn)知功能相關(guān)疾病 七氟烷暴露增加老年小鼠海馬SENP3表達(dá)和動(dòng)力相關(guān)蛋白(Drp)1去SUMO化，導(dǎo)致認(rèn)知功能缺陷。亞甲藍(lán)(MB)減輕七氟烷引起的老年小鼠海馬記憶喪失和線粒體斷裂，降低Drp1去SUMO化〔33〕。長(zhǎng)期大量飲酒對(duì)認(rèn)知功能有損害，酒精誘導(dǎo)的Toll樣受體(TLR)4信號(hào)在青春期和成年大鼠腦內(nèi)均有激活和引起炎癥反應(yīng)，SENP6通過(guò)NEMO的去SUMO化來(lái)抑制NF-κB的活化并最終抑制神經(jīng)炎癥。酒精暴露通過(guò)TLR4激活和SENP6調(diào)節(jié)誘導(dǎo)海馬小膠質(zhì)細(xì)胞激活和神經(jīng)炎癥從而影響認(rèn)知功能〔34〕。

綜上，突觸可塑性有助于認(rèn)知過(guò)程，包括學(xué)習(xí)、記憶、情緒和行為。SUMO化可以調(diào)控突觸可塑性介導(dǎo)認(rèn)知功能改變，同時(shí)也可以通過(guò)靶向修飾其他蛋白質(zhì)影響認(rèn)知功能。目前與認(rèn)知功能相關(guān)的許多蛋白質(zhì)仍未被研究，而認(rèn)知功能相關(guān)蛋白質(zhì)SUMO化的功能障礙與人類和動(dòng)物的認(rèn)知障礙有關(guān)，對(duì)大腦中認(rèn)知功能相關(guān)蛋白質(zhì)的SUMO化進(jìn)行調(diào)控可能為開發(fā)治療認(rèn)知功能障礙相關(guān)疾病如AD、PD、OSAS等靶向藥物提供新策略。