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SUMO化：細胞骨格タンパク質を標的とした翻訳後修飾 CYTOSKELETON NEWS 2014年8月号

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メーカー名：Cytoskeleton, Inc.

SUMO化：細胞骨格タンパク質を標的とした翻訳後修飾

タンパク質は、翻訳が行われると細胞内の適切な位置に輸送され、それぞれの生理的機能を遂行できるようになります。タンパク質の正確な局在化や機能に関与するメカニズムの一つに、翻訳後修飾（PTMs）があります。PTM には、プロテアーゼによる切断、タンパク質フォールディング、生化学官能基（例：酢酸、リン酸）や低分子量タンパク質（例：ユビキチン、SUMO［Small Ubiquitin-like Modifier：低分子ユビキチン様修飾因子］）の付加、などがあります。このように、PTM は、タンパク質の機能やシグナル伝達および寿命を、二次的に調節しているといえます^1,2。PTM を介した制御により、タンパク質の結合モチーフに変化が生じる場合があり、他のタンパク質や核酸、および様々な小分子との結合に影響します。また、酵素を介した可逆的な PTM は、タンパク質が正確な制御下で多様な役割を果たすことができる、特に強力な調節方法であると言えます^1,2。

SUMO タンパク質は、それぞれ独立した4つの研究グループ^4-8 によって18年前に発見された 12kDa のタンパク質で3、発見されて以来、細胞プロセスの制御における役割が重点的に研究されてきました^9,10。SUMO タンパク質は、酵母から哺乳類細胞まで高度に保存されています¹¹。出芽酵母（Saccharomyces cerevisiae）では、一つの SUMO タンパク質 (Smt3) しか存在しませんが、脊椎動物では、3つの主要な SUMO アイソフォーム (SUMO-1、SUMO-2、SUMO-3) が存在し、全ての組織で発現しています¹²。成熟型 SUMO-2 と SUMO-3 はアミノ酸配列が 97% 同一（SUMO-1 とは 48% 同一）であり、機能的な差が確認されていないことから、まとめて SUMO-2/3 と呼ばれています¹³。SUMO タンパク質（SUMO-1 および SUMO-2/3）は、それぞれ細胞内局在が異なり、SUMO-2/3 は SUMO-1 より高い発現レベルを示します^14-16。SUMO-1 は1分子のみが標的タンパク質に結合しますが、SUMO-2/3 は、複数が標的タンパク質のリジン残基に結合してポリ SUMO-2/3 鎖を形成し、SUMO-1 のライゲーションによって重合が終了します^17,18。

図1　SUMO化／脱SUMO化のサイクル

SUMO化（SUMO のイソペプチド結合を介した標的タンパク質への結合）は、一連の酵素反応からなります（図1）¹⁹。プロセシング酵素（SENPs）は、新たに合成された SUMO のC末端を切断し、ヘテロ二量体である E1 SUMO 活性化酵素（SAE1/2 サブユニット）は、 SUMO の露出したジグリシンと SAE2 の保存されたシステイン残基をチオエステル結合することにより、 SUMO を活性化します^19,20。活性化された SUMO は、E2 結合酵素 (Ubc9) に運ばれます。ここで、SUMO は、2つの経路を介して標的タンパク質に結合します。一つは、SUMO-Ubc9 複合体が SUMO 結合モチーフ（SUMO interacting motif: SIM）を介して標的タンパク質に結合し、Ubc9 が SUMO の C末端と標的タンパク質リジン残基のεアミノ基とのイソペプチド結合を触媒する、E3 酵素非依存的な経路です²²。もう一つは、PIAS ファミリーのメンバー²³、RanBP2²⁴、Pc2²⁵ などの様々な E3 リガーゼが関与するメカニズムです^24-28。SUMO-Ubc9 と E3 リガーゼが複合体を形成すると、E3 リガーゼは標的タンパク質に結合し、SUMO の標的タンパク質への結合を促進します²⁹。多くの SUMO化反応は、コンセンサス配列 Ψ-K-x-D/E （Ψ; 疎水性アミノ酸、K; リジン、x; 任意のアミノ酸、 D/E; アスパラギン酸/グルタミン酸の酸性アミノ酸）上で起こりますが³⁰、コンセンサス配列に合致しない部位でのSUMO化も報告されています^31,32。

SUMO化は、機能上、Rac1 GTPアーゼおよび細胞骨格を構成するタンパク質であるアクチンとチューブリンなど、様々なタンパク質が標的となります^33,34 （図2）。Rho ファミリー GTP アーゼである Rac1 の SUMO化は、SUMO E3 リガーゼ PIAS3 によって仲介され、様々な成長因子に応答した Rac1 の活性化、続いて起こる Rac-1 を介した葉状仮足／膜ラフリング（細胞移動や浸潤に関与）の形成に必要です³⁴。ある研究グループは、SUMO化は Rac1 の活性化に必須ではありませんが、活性化の時間が延長されることを示唆しています。Rac1 の SUMO化は、in vitro および in vivo の両方で起こります。また、GTP 結合型および GDP 結合型 Rac1 のどちらも SUMO化されますが、活性化型 Rac1 が優先的に標的となります³⁴。質量分析により、Rac1 の in vitro における SUMO化の 95% は、C末端の PBR （polybasic region）内にあるリジン 188、183、184、186 残基で起こることがわかりました³⁴。また、in vivo においても、同じリジン残基がSUMO化の標的となります³⁴。Rho ファミリー GTPアーゼの上流には、細胞骨格タンパク質であるアクチンが存在します。In vitro では、アクチンの SUMO2 および SUMO3 による SUMO化は核移行に関与し^19,35,36、核アクチンは、アミノ酸 K68 と K284 の相互作用を介して、SUMO2 および SUMO3 によって修飾されます³⁶。

図2　SUMO化の標的となるタンパク質タイプの割合を示すチャート（プロテオーム解析による）
参考文献19より修正改変。

もう一つの主要な細胞骨格タンパク質であるチューブリンも、SUMO の標的となります。α-チューブリンの SUMO化は in vitro において確認されており、β-チューブリンは、SUMO-1 および SUMO-3 の標的であると推定されています¹⁹。ある研究グループは¹⁹、チューブリンの SUMO化には、多量体タンパク質複合体を組み立てるために、他の SUMO化タンパク質を隔離する役割があると仮定しています。

SUMOが介するタンパク質の局在化および機能の制御は、複雑なだけではなく、細胞構造や輸送の主要な調節因子として重要な役割を担っています。SUMO化によるタンパク質の制御のさらなる理解を目指して、Cytoskeleton 社は PTM に非常に特異的で高品質な抗体の開発を行っています。

参考文献

1. Yang X.J. 2005. Multisite protein modification and intramolecular signaling. Oncogene. 24, 1653-1662.
2. Flotho A. & Melchior F. 2013. Sumoylation: a regulatory protein modification in health and disease. Annu. Rev. Biochem. 82, 357-385.
3. Bayer P. et al. 1998. Structure determination of the small ubiquitin-related modifier SUMO-1. J. Mol. Biol. 280, 275-286.
4. Boddy M.N. et al. 1996. PIC 1, a novel ubiquitin-like protein which interacts with the PML component of a multiprotein complex that is disrupted in acute promyelocytic leukaemia. Oncogene. 13, 971-982.
5. Shen Z. et al. 1996. UBL1, a human ubiquitin-like protein associating with human RAD51/RAD52 proteins.Genomics. 36, 271-279.
6. Okura T. et al. 1996. Protection against Fas/APO-1- and tumor necrosis factor-mediated cell death by a novel protein, sentrin. J. Immunol. 157, 4277-4281.
7. Matunis M.J. et al. 1996. A novel ubiquitin-like modification modulates the partitioning of the Ran-GTPase-activating protein RanGAP1 between the cytosol and the nuclear pore complex. J. Cell. Biol. 135, 1457-1470.
8. Mahajan R. et al. 1997. A small ubiquitin-related polypeptide involved in targeting Ran-GAP1 to nuclear pore complex protein RanBP2. Cell. 88, 97-107.
9. Gareau J.R. & Lima C.D. 2010. The SUMO pathway: emerging mechanisms that shape specificity, conjugation and recognition. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 11, 861-871.
10. Jentsch S. & Psakhye I. 2013. Control of nuclear activities by substrate-selective and protein-group SUMOylation.Annu. Rev. Genet. 47, 167-186.
11. Chen A. et al. 1998. Characterization of mouse ubiquitin-like SMT3A and SMT3B cDNAs and gene/pseudogenes.Biochem. Mol. Biol. Int. 46, 1161-1174.
12. Huang W.C. et al. 2004. Crystal structures of the human SUMO-2 protein at 1.6 A and 1.2 A resolution: implication on the functional differences of SUMO proteins. Eur. J. Biochem. 271, 4114-4122.
13. Kamitani T. et al. 1998. Characterization of a second member of the sentrin family of ubiquitin-like proteins. J. Biol. Chem. 273, 11349-11353.
14. Saitoh H. & Hinchey J. 2000. Functional heterogeneity of small ubiquitin-related protein modifiers SUMO-1 versus SUMO-2/3. J. Biol. Chem. 275, 6252-6258.
15. Manza L.L. et al. 2004. Global shifts in protein sumoylation in response to electrophile and oxidative stress. Chem. Res. Toxicol. 17, 1706-1715.
16. Ayaydin F. & Dasso M. 2004. Distinct in vivo dynamics of vertebrate SUMO paralogues. Mol. Biol. Cell. 15, 5208-5218.
17. Bohren K.M. et al. 2004. A M55V polymorphism in a novel SUMO gene (SUMO-4) differentially activates heat shock transcription factors and is associated with susceptibility to type I diabetes mellitus. J. Biol. Chem. 279, 27233-27238.
18. Tatham M.H. et al. 2001. Polymeric chains of SUMO-2 and SUMO-3 are conjugated to protein substrates by SAE1/SAE2 and Ubc9. J. Biol. Chem. 276, 35368-35374.
19. Rosas-Acosta G. et al. 2005. A universal strategy for proteomic studies of SUMO and other ubiquitin-like modifiers. Mol. Cell. Proteomics. 4, 56-72.
20. Johnson E.S. et al. 1997. The ubiquitin-like protein Smt3p is activated for conjugation to other proteins by an Aos1p/Uba2p heterodimer. EMBO J. 16, 5509-5519.
21. Lois L.M. & Lima C.D. 2005. Structures of the SUMO E1 provide mechanistic insights into SUMO activation and E2 recruitment to E1. EMBO J. 24, 439-451.
22. Melchior F. 2000. SUMO--nonclassical ubiquitin. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 16, 591-626.
23. Johnson E.S. & Gupta A.A. 2001. An E3-like factor that promotes SUMO conjugation to the yeast septins. Cell. 106, 735-744.
24. Pichler A. et al. 2002. The nucleoporin RanBP2 has SUMO1 E3 ligase activity. Cell. 108, 109-120.
25. Kagey M.H. et al. 2003. The polycomb protein Pc2 is a SUMO E3. Cell. 113, 127-137.
26. Schmidt D. & Muller S. 2002. Members of the PIAS family act as SUMO ligases for c-Jun and p53 and repress p53 activity. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99, 2872-2877.
27. Ungureanu D. et al. 2003. PIAS proteins promote SUMO-1 conjugation to STAT1. Blood. 102, 3311-3313.
28. Sachdev S. et al. 2001. PIASy, a nuclear matrix-associated SUMO E3 ligase, represses LEF1 activity by sequestration into nuclear bodies. Genes Dev. 15, 3088-3103.
29. Lin D. et al. 2002. Identification of a substrate recognition site on Ubc9. J. Biol. Chem. 277, 21740-21748.
30. Hay R.T. 2005. SUMO: a history of modification. Mol. Cell. 18, 1-12.
31. Kamitani T. et al. 1998. Identification of three major sentrinization sites in PML. J. Biol. Chem. 273, 26675-26682.
32. Rangasamy D. et al. 2000. SUMO-1 modification of bovine papillomavirus E1 protein is required for intranuclear accumulation. J. Biol. Chem. 275, 37999-38004.
33. Panse V.G. et al. 2004. A proteome-wide approach identifies sumolyated substrate proteins in yeast. J. Biol. Chem. 279, 41346–41351.
34. Castillo-Lluva S. et al. 2010. SUMOylation of the GTPase Rac1 is required for optimal cell migration. Nat. Cell Biol. 12, 1078-1085.
35. Vertegaal A.C. et al. 2004. A proteomic study of SUMO-2 target proteins. J. Biol. Chem. 279, 33791-33798.
36. Hofmann W.A. et al. 2009. SUMOylation of nuclear actin. J. Cell Biol. 186, 193-200.

品名	メーカー	品番	包装	希望販売価格
Anti Acetyl Lysine, (Mouse) , 3C6.08.20	CYT	AAC01	200 UL [2 x 100 μl]	￥125,000
Chemically Acetylated Serum Albumin (BSA), Bovine	CYT	AACX1	1*500 UG	CYT社 AACX1 1000 を参照
Tricostatin A (TSA) treated and untreated cell lysates	CYT	AACX2	200 UG [2 x 100 μg]	￥34,000
RhoA Pulldown Activation Assay Kit	CYT	BK036	1 KIT [80 assays]	￥269,000
RhoA Pulldown Activation Assay Kit	CYT	BK036-S	1 KIT [20 assays]	￥124,000
RhoA G-LISA^(R) Activation Assay (absorbance)	CYT	BK124	96 ASSAY	￥302,000