小泛素样修饰蛋白（SUMO）是一种与泛素结构类似的蛋白，其主要参与蛋白的翻译后修饰。SUMO化是指SUMO通过泛素样特异性蛋白酶1（Ulp1）、E1激活酶、E2结合酶和E3连接酶，使自身经历成熟、激活、结合和连接4个步骤最终共价结合至靶蛋白的特定赖氨酸位点上，使靶蛋白活性发生改变，进而参与调节多种细胞功能，如转录调控、胚胎发育调节、细胞应激、维持染色质结构及基因组稳定性等。近年来发现SUMO化修饰也广泛参与DNA的损伤修复，尤其是DNA损伤类型最为严重的DNA双链断裂（DSBs），SUMO几乎参与了其修复的全过程，因此SUMO化修饰在DNA损伤修复中的作用已成为研究热点。对近年来SUMO化修饰调控DSBs修复的研究进展作一综述。
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小泛素样修饰蛋白（small ubiquitin-like modifier，SUMO）是一类由90~110个氨基酸组成的小分子泛素样调节蛋白家族，其与泛素结构相似且能发生类似的可逆性蛋白修饰，但与泛素功能不同。SUMO主要参与细胞内蛋白的翻译后修饰[1]。SUMO在生物体的进化中高度保守，其广泛存在于细菌、真菌、植物和脊椎动物细胞中[2]。SUMO能可逆性修饰靶蛋白，参与靶蛋白的亚细胞定位和功能调节，以及介导蛋白之间的相互作用。近年发现，SUMO化修饰可作用于DNA双链断裂（DNA double-strand breaks，DSBs）修复中的多种相关蛋白，在DSBs修复和维持基因组稳定性方面具有重要作用。
SUMO有多种亚型，现已在哺乳动物中发现5种亚型：SUMO1、SUMO2、SUMO3、SUMO4和SUMO5。SUMO1最初是通过发现其参与RAD51和RAD52依赖的DNA修复，参与SUMO化修饰早幼粒白血病蛋白核体形成，以及与三磷酸鸟苷酶RanGAP1结合等，被鉴定为泛素样蛋白[3,4,5]。SUMO1主要定位于核孔，其与三磷酸鸟苷酶RanGAP1形成复合物，修饰生理状态下的蛋白分子[6]。SUMO2和SUMO3基因有97%的同源性，难以用抗体进行区分，因此常将它们合写为SUMO2/3。SUMO2和SUMO3的差异主要在于：SUMO3含有1个SUMO2所没有的磷酸化位点（Ser2）[7,8]，再者SUMO2和SUMO3基因对氧化应激会产生不同的转录反应[9]。SUMO4与SUMO2也具有同源性，SUMO4的成熟形式受其自身C末端脯氨酸残基的限制[10]。在人体中SUMO4主要表达于肾脏、淋巴结以及脾脏[11]，而SUMO5表达于肺与脾脏，对早期的早幼粒白血病蛋白核体具有调控作用[12]。
与泛素类似，SUMO是通过多个级联酶促反应共价结合至靶蛋白上。通常SUMO以非活性的前体蛋白存在，泛素样特异性蛋白酶（ubiquitin-like specific protease，Ulp）将其C末端的几个氨基酸残基切除，暴露出Gly-Gly残基而成为成熟的SUMO。成熟SUMO的C末端Gly-Gly残基可与靶蛋白的Lys残基形成一个异肽键，该过程由SUMO E1活化酶、E2结合酶和E3连接酶相继完成。在三磷酸腺苷作用下，E1活化酶的Cys残基通过硫酯键与SUMO的C末端Gly-Gly残基相连，该过程被称作激活。激活后的SUMO被转移到E2结合酶与其Cys93残基连接形成SUMO-UBC9硫酯中间体，从而促进SUMO与靶蛋白结合[13]。E3连接酶有助于SUMO识别靶蛋白，并引导两者结合。在SUMO循环系统中每一个级联反应均有各自对应的修饰酶，SUMO特异性的E1活化酶由2个亚基组成共同发挥作用，在哺乳动物中为SAE1/SAE2，酵母细胞中为Aosl/Uba2。SU-MO特异性的E2结合酶仅有1个，即UBC9，其表面带正电荷，可与带负电荷的SUMO结合[14]。已知的SUMO特异性的E3连接酶大概有10多种[15]，主要包括3大类：PIAS家族、核孔蛋白Ran-BP2/Nup358以及多梳蛋白2[16]，其作用各不相同。
SUMO化循环是动态的，从而适应不同的环境变化。将SUMO从靶蛋白上去除的过程，称为去SUMO化（deSUMOylation）。去SUMO化过程由特异性蛋白酶家族完成，它们可将SUMO从靶蛋白上切除，且SUMO前体也需特异性蛋白酶切除其C末端的几个氨基酸残基才能成熟。酵母中有2种SUMO特异性蛋白酶：Ulp1和Ulp2/Smt[17]。人类中至少有7种SUMO特异性蛋白酶，即SENP1~7[18]，分为3个亚族。其中SENP1和SENP2属于第1个亚族，分别定位于细胞核和核膜，能特异性解离SUMO1和SUMO2/3[19]；第2个亚族包括SENP3和SENP5，定位于核仁，能特异性解离SUMO2/3[20]；第3个亚族包括SENP6和SENP7，定位于核质，均具有1个可插入催化结构域中的环状结构，并能特异性解离SUMO2/3[21]。
DNA中储存着生物体生存及繁衍的几乎全部遗传信息，因此维持DNA的完整性和保守性对生物体的生存至关重要。然而在细胞内外多种因素的作用下，DNA会不可避免地产生损伤。在DNA损伤的多种类型中，DSBs对细胞毒性最大，若未及时修复则会使遗传信息丢失，从而导致细胞死亡或癌变[22,23]。因此，DSBs的损伤应答非常重要。事实上DSBs损伤应答的形成可触发多种信号传导，一系列受到严格调控的信号通路共同参与了DSBs的修复过程。其中许多修复蛋白及修复因子被募集到DS-Bs部位，形成DNA damage foci存在于损伤的染色质周围，它们相当于DSBs修复的工具箱，可通过不同的修复途径准确有效地修复DSBs；这些修复蛋白包括DNA损伤检测点介质1（mediator of DNA dam-age checkpoint protein 1，MDC1）、p53结合蛋白1（p53 binding protein 1，53BP1）、乳腺癌易感基因1（breast cancer susceptibility gene 1，BRCA1）、BRCA2、RAD51及相关修复因子（如SUMO）[24]。
与传统信号传导类似，DSBs过程也是通过信号级联反应启动的，并涉及一系列信号传递。其中，SUMO化修饰在DSBs信号感应和传递中具有重要的调控作用，其作用机理是在DSBs发生后，首先NBS1、RAD50和MRE11蛋白组成信号复合物MRN，该复合物被识别并招募至断裂位点，对断裂的DNA末端进行切割，使其产生突出的3′末端。同时MRN复合物也可促进毛细血管扩张性共济失调症突变（ATM）激酶招募至3′末端，进而磷酸化DSBs途径中的多个组分，其中组蛋白H2AX的Ser139位点磷酸化后成为γH2AX[25]。随后，MDC1通过其BRCT结构域募集至磷酸化的H2AX位置，接着MDC1又进一步募集泛素E3连接酶环指蛋白8（RING finger protein 8，RNF8），在HECT型E3连接酶HERC2的作用下与RNF168、泛素E2结合酶UBE2N/UbcH13相互作用，从而促进RNF8作用产生K63-泛素链。K63-泛素链又可促进另一种泛素E3连接酶RNF168的作用，从而启动RNF8/RNF168泛素级联信号，使组蛋白H1多聚泛素化以及下游的BRCA1-A（Abraxas、RAP80、BRCA1）复合物和53BP1募集至DSBs位点[26]。另有文献报道，SUMO依赖于一种介导组蛋白单泛素化的PRC1复合物，其可募集BMI1（一种泛素E3连接酶）[27]，从而也有助于激活RNF8/RNF168泛素级联信号通路[28,29]。
研究结果表明，MDC1、HERC2和RNF168在DNA损伤后可由PIAS4介导SUMO化修饰[30,31]；脱甲基酶JMJD1C可促进RNF8与MDC1结合[32]；泛素E2结合酶UBE2N/UbcH13与RNF8和RNF168作用，RNF8自身的多个位点也发生SUMO化修饰。目前尚不能完全确定上述SUMO化修饰的具体功能，但这些蛋白被视为一个蛋白质组在DNA损伤位点共定位，而SUMO在其中发挥重要作用。
在电离辐射诱导细胞DNA损伤中，MDC1的SUMO化修饰与一种泛素E3连接酶RNF4相关。RNF4可介导SUMO化MDC1的泛素化降解，从而促进修复进程，其中MDC1上的K1840位点是其SUMO化的主要位点[33]。而在敲降RNF4或PIAS4或仅表达K1840位点突变的MDC1的细胞中，MDC1从DNA损伤部位的清除速度减慢，同源重组（homologous recombination，HR）的修复效率降低[33,34]。另外RNF4介导的SUMO靶向MDC1的泛素化可被去泛素化酶ATXN3拮抗，而ATXN3也以SUMO依赖性方式募集至DSBs位点。ATXN3可作为一个重要关卡控制MDC1的清除，这对下游信号的准确传输以及DSBs的2种重要修复方式[非同源末端连接（non-homologous end joining, NHEJ）和HR]的修复效率至关重要[35]。有文献表明，MDC1在损伤部位长期存在导致HR修复效率降低的原因可能是促进了53BP1的作用[33]。HERC2含有一个ZZ型锌指结构，可介导SUMO修饰，SUMO化的HERC2可促进其与RNF8的相互作用[36]。另外，SUMO E3连接酶PIAS4可促进RNF168的稳定及转录[36]。
在RNF8/RNF168介导的泛素级联信号中，由RNF8产生的K63-泛素链可与SUMO化的RAP80作用使下游的BRCA1-A复合物募集至DSBs位点。RAP80本身也是BRCA1-A复合物的一个组成部分[37]，含有2个泛素相互作用基序（ubiquitin-interacting motif，UIM）和1个SUMO相互作用基序（SUMO-interacting motif，SIM）[38,39,40]，这些基序以高亲和力结合成泛素-SUMO杂合链[38]。在DNA损伤后RAP80的SIM和UIM基序对其自身募集至DSBs位点非常重要[41]。有文献报道，RAP80结合的K63-泛素-SUMO链由RNF4提供[42]。但RAP80如何募集至DSBs位点目前尚不清楚。
BRCA1和53BP1被招募至DSBs位点是HR修复的关键。在HR修复中，首先断裂DNA的5′端由一些核酸酶切除。在G1期53BP1可抑制5′端的切除，而在S和G2期BRCA1可促进其切除[43,44,45,46]。细胞经电离辐射诱导或给予DNA增敏药物后，细胞内的BRCA1可发生SUMO化修饰来回应DNA损伤[47]，且体外实验结果发现这种SUMO化修饰可增强BRCA1作为泛素E3连接酶的活性[48]。而BRCA1作为泛素E3连接酶，可促进组蛋白H2A的C末端的泛素化修饰[49]，进而促使染色质重塑蛋白SMARCAD1的募集和激活，导致DNA切除增加[50]。BRCA1的SUMO化修饰是否能加强DNA的切除还需进一步确定。另外SUMO化的BRCA1也是RNF4的底物[51]，说明BRCA1的清除也是SUMO靶向的。在DNA损伤中53BP1可多次被SUMO化修饰[30,34]。但目前尚无关于SUMO直接对53BP1产生影响的报道。PIAS4缺失可导致53BP1定位的减少[34]，其可能是通过影响泛素E3连接酶RNF168而间接对53BP1产生影响[52]。53BP1可通过其效应蛋白PTIP、RIF1、Artemis和Rev7促进NHEJ并抑制DNA末端的切除。
DSBs的修复途径包括NHEJ和HR。NHEJ修复是将DSBs末端进行连接修复，通常会导致DNA缺失，具有诱变性。若DSBs发生在细胞周期的S/G2期，则可以同源染色体的拷贝作为模板进行HR修复，这种修复比较准确且无遗传物质的改变[53]。近年来发现，许多参与DSBs修复的因子在NHEJ和HR修复中均发生了SUMO化修饰，因此SUMO化对DSBs修复也起到了很大作用。
在细胞周期G1期中，NHEJ修复途径是最主要的DSBs修复形式。DNA损伤发生后，Ku70/Ku80异二聚体结合于DNA断裂末端将DNA末端包围从而启动NHEJ；随后DNA依赖蛋白激酶催化亚基（DNA-PKcs），一种PIKK激酶，被招募至DSBs部位并被激活；接着由核酸酶Artemis将复杂的DNA断裂末端修饰为平端；再由XRCC4、XLF、PAXX复合物以及DNA连接酶Ⅳ将DNA末端连接在一起，最终完成NHEJ修复[54]。在哺乳动物细胞中多种NHEJ因子是被SUMO化修饰的，但只有少数被SUMO化修饰的NHEJ因子可能对功能产生影响。XRCC4复合物与DNA连接酶Ⅳ是NHEJ修复中必不可少的DNA处理蛋白。XRCC4的K210位点在体内和体外均可发生SUMO化修饰，若抑制该位点的SUMO化修饰，则会影响XRCC4的定位，从而阻止NHEJ修复途径[55]。在酵母中，Ku70的SUMO化可增强DNA与其结合[56]，而在哺乳动物细胞中SUMO结合成分的表达增加可使Ku70更稳定[57]。虽然上述两种效应均是间接起作用，但也说明Ku70与SUMO的相互作用在修复过程中可能非常重要。另外当RNF4上的SIM基序缺失，也会使NHEJ的修复效率降低[34,58]。Ku70/Ku80异二聚体包裹DNA断裂末端，可阻止DNA末端的切除，促进DNA-PKcs的招募；但在DNA连接后，若Ku70/Ku80环仍留在DNA上而未被及时清除，则会对细胞产生损害[59]。有研究结果显示，RNF8、RNF138以及SCF泛素E3连接酶与Ku80和含缬酪肽蛋白（valosin-containing protein, VCP）的降解有关，VCP本身是一种三磷酸腺苷酶，可促进Ku80从DNA上清除[60,61,62]。上述泛素连接酶的结合受体已在DNA损伤位点的Ku70和Ku80蛋白中发现[63]。由于每个Ku蛋白环独立包裹DNA[64]，且Ku70与SUMO相互作用，因此猜测Ku70有可能以SUMO介导的泛素靶向方式在修复完成后从DNA损伤位点降解。
在细胞周期的S期和G2期，DSBs发生后的修复主要是以同源染色体的姐妹染色单体作为模板进行DNA修复，即HR修复。在HR中DSBs末端首先进行5′端切割进而产生突出的3′末端[65]，该过程由MRN复合物、核酸酶CtIP和EXO1、解旋酶BLM/DNA2等完成[66]。产生的单链DNA首先被复制蛋白A（replication protein A，RPA）结合，然后由BRCA2介导的重组酶RAD51逐渐将RPA替换，最终形成核蛋白纤维丝，引导3′端单链侵入同源链，以同源链为模板准确修复[67]。SUMO在此过程中发挥着重要作用，且大多数蛋白在行使修复功能后，其清除均需进行SUMO化修饰。SLX4是一种支架蛋白，可在各种环境下将核酸酶募集至DNA损伤部位。SLX4可通过其SIM基序与SUMO结合，且SIM基序是招募核酸酶至DNA损伤位置所必须的[68]。在细胞感染5型腺病毒后，MRN复合物的成分之一MRE11可发生SUMO化修饰，从而触发DSBs响应，这是由于病毒基因组的末端可模拟宿主细胞DSBs [69]，且在MRN复合物上也检测到了多个可被SUMO化修饰的位点。解旋酶BLM（RecQ家族DNA解旋酶）也可发生SUMO化修饰进而响应DSBs；且在复制叉停滞后BLM可促进RAD51 foci形成[70]。EXO1可通过SUMO连接酶PIAS4发生SUMO化修饰，使自身稳定性降低，若将EXO1的SUMO化修饰位点突变则可使其稳定性提高[71]。此外，单链DNA结合蛋白RPA70/RPA1也具有1个重要的SUMO化修饰位点，RPA70/RPA1的SUMO化对随后RAD51在单链DNA处的积累是必要的[72]。RPA70/RPA1和EXO1均可被SUMO蛋白酶SENP6结合，从而使两者处于低SUMO化状态[71,72]。上述结果表明，在对DSBs末端进行5′端切割的过程中SUMO是富集于此的，并通过与某些蛋白相互作用而发挥功能。RAD51携带的SIM基序对其发挥功能非常重要，该基序定位于RAD51的C末端（VAVV 261~264），SIM基序突变后，RAD51在DNA损伤处增多，HR修复效率降低[73]。然而RAD51通过SIM基序与SUMO相互作用的具体机制目前尚不清楚。
SUMO靶向泛素连接酶在DNA切除和重组方面也具有重要作用，且研究结果发现，RNF4的缺失会导致RAD51定位于DSBs位点减少，HR修复效率降低[30,33,34]。在敲降RNF4的细胞中，由于未能及时清除MDC1，BRCA1受到抑制致使53BP1发挥作用，使5′端切除减少[30,33]。另外RNF4可介导SUMO化的RPA蛋白以泛素-蛋白酶体的方式清除，从而使RAD51聚集在DNA切除位点进行修复[34]。综上在DSBs中，SUMO以不同方式促进蛋白的稳定性以及相互作用；以底物依赖方式介导蛋白的清除。然而与SUMO相关的修饰远不止这些，其具体机制也需进一步阐明。
近年来，随着对SUMO的逐步深入研究，人们发现与磷酸化、泛素化、乙酰化相同，SUMO化在DNA损伤修复中起到了非常重要的作用。在DSBs中，SUMO在RNF8/RNF168介导的泛素级联信号中可与RNF8、RNF168等多种组分相互作用介导信号向下游传导；SUMO靶向的RNF4可促进一些修复蛋白及时清除从而使修复持续进行；一些重要的修复蛋白如RAD51、RPA等在修复过程中均需要进行SUMO化修饰。但仍有很多问题尚待解决：SUMO E3连接酶是如何对底物蛋白进行修饰的，不同的SUMO亚型是如何对DSBs修复进行调控的，以及泛素和SUMO信号是如何协调作用的。另外在DSBs修复中SUMO化修饰也会影响肿瘤的发生和发展，若DSBs得不到及时修复则可能导致肿瘤的形成；相反在肿瘤治疗中一些SUMO化修饰也会促进肿瘤细胞的存活；加之许多肿瘤相关蛋白也会发生SUMO化修饰，因此提示SUMO或许可成为肿瘤治疗的靶标。利用现代分子生物学、蛋白质组学等技术进一步解读SUMO化修饰，深入了解其具体机制，从而为未来的研究以及肿瘤治疗奠定基础。
利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突
