組蛋白SUMOylation
在2003年，Shiio和Eisenman首次在人類HEK293T和P493-6 B細胞中描述了組蛋白SUMOylation，并且顯示其導致轉錄抑制 [1]。隨后，組蛋白SUMOylation也在酵母 [2]、寄生原生動物 [3]和植物 [4]中得到報道。
1. 什么是組蛋白SUMOylation？
組蛋白SUMOylation是指小泛素樣修飾劑（SUMO）與組蛋白蛋白質上的賴氨酸（K）殘基共價結合的過程。
與組蛋白泛素化類似，所有核心組蛋白、連接組蛋白H1、組蛋白變體H2A.Z和H2A.X，以及著絲粒組蛋白變體Cse4在酵母中都可以發生SUMOylation [5-7]。在哺乳動物中，SUMOylation主要發生在H4上，H4的SUMOylation會引發轉錄抑制 [1,8]。由于缺乏像H3K9me和H3K27me這樣的抑制性賴氨酸甲基化標記，酵母中SUMOylation目前是唯一已知的抑制性組蛋白標記。
2. 參與組蛋白SUMOylation的三個組成
組蛋白SUMOylation是一個可逆的過程，由幾種酶和蛋白負責作為“寫入者”、“讀取者”和“擦除者”。
2.1 寫入者
組蛋白SUMOylation寫入者是負責將SUMO標記添加到組蛋白上的酶。
| SUMO 酶 | 物種 | 寫入者 |
|---|---|---|
| E1 | 哺乳動物 | SAE1 (Aos1)/SAE2 (Uba2) |
| E2 | 酵母和高等真核生物 | Ubc9 |
| E3 | 酵母 | Siz1, Siz2 (Nfi1), and Mms21 |
| 高等真核生物 | PIAS family proteins: PIAS1, PIAS2, PIAS3, and PIAS4; RanBP2, Pc2/CBX4 |
2.2 讀取者
組蛋白SUMOylation讀取蛋白是能夠識別和結合SUMO化的組蛋白，從而將信號轉化為不同生物學效應的蛋白質。許多蛋白質具有特異的SUMO相互作用結構（SIMs），使它們能夠結合到SUMO修飾的蛋白質，包括SUMO化的組蛋白。這些含有SIM的蛋白質可以包括轉錄因子、染色質重塑蛋白和其他調控蛋白。
| 讀取者 | SUMOylated組蛋白 |
|---|---|
| HP1/CBX Proteins (HP1α/CBX5, HP1β/CBX1, and HP1γ/CBX3) | 結合SUMO化的組蛋白，特別是在異染色質區域；參與異染色質的維持 |
| TIF1 (TIF1α/TRIM24 and TIF1β/TRIM28) | 與SUMO修飾的組蛋白相互作用，發揮轉錄調控作用 |
| PML | 與SUMO修飾的組蛋白相互作用，有助于基因表達和基因組穩定性的調控 |
| SETDB1 | 在異染色質形成的背景下與SUMO化的組蛋白相互作用 |
| ATRX | 與SUMO修飾的組蛋白相互作用，并參與異染色質的調控 |
| BRCA1 | 在DNA損傷點識別SUMO化的組蛋白 |
| PCNA | 在DNA復制和修復過程中與SUMO修飾的組蛋白相互作用 |
| BRD4 | 在轉錄調控的背景下與SUMO修飾的組蛋白相互作用 |
2.3 擦除者
組蛋白SUMOylation可以通過去SUMO化酶進行逆轉，也稱為擦除者，其中包括特異性蛋白酶——泛素樣蛋白酶（SENP），它能夠去除組蛋白蛋白質上的SUMO化標記。
3. 組蛋白SUMOylation機制
組蛋白SUMOylation通過多步驟的酶依賴性反應協同進行，涉及SUMO E1激活酶、E2連接酶和E3連接酶。所有SUMO蛋白，包括SUMO1-4，首先被催化成成熟形式，其中C-末端的二甘氨酸對于E1介導的腺苷酸化是必不可少的。E1酶，由SAE1和SAE2亞基組成的異源二聚體，以ATP依賴的方式觸發SUMO蛋白的激活，形成E1-SUMO中間體。一旦被激活，SUMO隨后通過酯交換反應從E1-SUMO中間體轉移到E2連接酶UBC9上。最后，E3連接酶PIAS（活化STAT的蛋白抑制劑）和RanBP2（Ran結合蛋白2）促使SUMO從UBC9轉移到目標組蛋白上的特定賴氨酸殘基。
圖 1. 組蛋白SUMOylation和deSUMOylation的催化循環
該圖片引自：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9654019/
4. 組蛋白SUMOylation的功能
組蛋白SUMOylation在共轉錄過程中具有多種功能，包括轉錄調控、染色質重塑、轉錄延伸和阻止隱性起始。
組蛋白SUMOylation可以導致核小體結構的改變，從而進行染色質重塑，并影響各種轉錄因子與DNA的結合，從而抑制某些基因的轉錄。
多項研究表明，組蛋白SUMOylation導致轉錄活性的降低。例如，組蛋白4的SUMOylation通過招募HDACs和異染色質蛋白1（HP1）介導轉錄抑制。有趣的是，最近的研究表明，SUMOylation調節了組蛋白修飾酶的活性，例如HDAC1、HDAC2、HDAC4、SIRT1、EZH2和KDM5B，從而間接調節染色質狀態。
此外，在胚胎干細胞中，鏈霉親和素2/3（SUMO2/3）修飾連接器組蛋白H1促使其結合到高度致密的異染色質中。相反，缺乏SUMOylation會導致染色質解緊縮和全能性的恢復 [9]。
表 1. 組蛋白SUMOylation位點和功能
| 物種 | 組蛋白 | SUMOylated位點 | 功能 |
|---|---|---|---|
| Human | H2A | - | 轉錄抑制或染色質壓縮 |
| H3 | K18 | - | |
| H4 | K12 | - | |
| H2AX | K5, K9, K13, K15, K118, K119, K127, K133, K134 | - | |
| S. cerevisiae | H2A | K126 | 轉錄抑制/激活，抑制潛在啟動 |
| H2B | K6, K7, K16, K17 | - | |
| H3 | - | ||
| H4 | K5, K8, K12, K16, K20 | - | |
| H2A.Z | K126, K133 | DNA雙鏈斷裂修復 | |
| Cse4 | K65, K215, K216 | Cse4的整合或蛋白質降解 |
5. 組蛋白SUMOylation與其他組蛋白修飾的相互作用
H4的SUMOylation增加了其與組蛋白去乙?；窰DAC1和異染色質蛋白1 HP1γ的相互作用，與SUMO在轉錄抑制中的作用一致 [1]。已經證明SUMO對于沉積在與基因沉默相關的異染色質的H3K9me3分子標志是必需的 [10,11]。
Nathan及其團隊巧妙地運用了化學、生化和遺傳方法，提供了令人信服的證據，表明組蛋白SUMOylation對它們的乙酰化起對抗作用，確立了它作為一種在進化上保守的抑制性標記 [4]。在釀酒酵母中，已經證明組蛋白SUMOylation對抗某些激活修飾，如乙?；虷2B泛素化（可能在相同的賴氨酸殘基上）[4]。Chatterjee實驗室發現H4K12su能夠刺激轉錄抑制性的LSD1-CoREST1-HDAC1復合物中的去甲基化酶和去乙?；富钚?。
許多被SUMO化的賴氨酸可以被甲基化、乙?；蚍核鼗?。在細胞周期中，SUMOylation與磷酸化之間發生相互作用，以實現細胞周期的調節。
6. 組蛋白Sumoylation與疾病
越來越多的證據表明，組蛋白SUMOylation在胚胎發育、細胞分化和疾病狀態中發揮著關鍵作用。SUMOylation過程的失調與各種癌癥、神經退行性疾病和免疫性疾病有關。組蛋白SUMOylation對于維持組蛋白功能和DNA轉錄非常重要，其失衡將影響細胞周期、分化和凋亡，并可能導致腫瘤的發展。
參考文獻：
[1] Shiio Y, Eisenman RN. 2003 Histone sumoylation is associated with transcriptional repression [J]. Proc. Natl Acad. Sci. USA 100, 13 225-13 230.
[2] Ryu, H. Y., Su, D., et al. (2019) The Ulp2 SUMO protease promotes transcription elongation through regulation of histone sumoylation [J]. EMBO J. 38, e102003.
[3] Issar, N., Roux, E., Mattei, D., and Scherf, A. (2008) Identification of a novel post-translational modification in Plasmodium falciparum: protein sumoylation in different cellular compartments [J]. Cell. Microbiol. 10, 1999–2011.
[4] Miller, M. J., Barrett-Wilt, et a. (2010) Proteomic analyses identify a diverse array of nuclear processes affected by small ubiquitin-like modifier conjugation in Arabidopsis [J]. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 16512–16517.
[5] Nathan, D., Ingvarsdottir, K., et a. (2006) Histone sumoylation is a negative regulator in Saccharomyces cerevisiae and shows dynamic interplay with positive-acting histone modifications [J]. Genes Dev. 20, 966– 976.
[6] Kalocsay M, Hiller NJ, Jentsch S (2009) Chromosome-wide Rad51 spreading and SUMO-H2A.Z-dependent chromosome fixation in response to a persistent DNA double-strand break [J]. Mol Cell 33: 335–343.
[7] Ohkuni K., Takahashi Y., F, et a. SUMO-targeted ubiquitin ligase (STUbL) Slx5 regulates proteolysis of centromeric histone H3 variant Cse4 and prevents its mislocalization to euchromatin [J]. Mol. Biol. Cell. 2016; 27:1500–1510.
[8] Shiio, Y., and Eisenman, R.N. (2003). Histone sumoylation is associated with transcriptional repression [J]. Proc Natl Acad Sci U S A 100, 13225–30.
[9] Sheban, D., Shani, T., et a. (2022). SUMOylation of linker histone H1 drives chromatin condensation and restriction of embryonic cell fate identity [J]. Mol. Cell. 82, 106–122.e9.
[10] Ninova M, Godneeva B, et al. 2020 The SUMO Ligase Su(var)2–10 controls hetero- and euchromatic gene expression via establishing H3K9 trimethylation and negative feedback regulation [J]. Mol. Cell 77, 571-585.e4.
[11] Ninova M, Fejes Toth K, Aravin AA. 2019 The control of gene expression and cell identity by H3K9 trimethylation [J]. Development 146, dev181180.
