У молекуларној биологији, СУМО (енгл. Small Ubiquitin-like MOdifier) протеини су породица малих протеина који се ковалентно везују и одвајају од других протеина у ћелијама како би модификовали њихову функцију. Овај процес се назива сумоилација (енгл. SUMOylation). Сумоилација је посттранслациона модификација укључена у различите ћелијске процесе, као што су једарно-цитосолни транспорт, транскрипциона регулација, апоптоза, стабилност протеина, одговор на стрес и напредовање кроз ћелијски циклус. У људским протеинима постоји преко 53.000 места за везивање СУМО протеина, што га чини значајном компонентом фундаменталне биологије.
СУМО протеини су слични убиквитину и сматрају се члановима породице протеина сличних убиквитину. Сумоилацијом управља ензимска каскада аналогна оној која је укључена у убиквитинацију. За разлику од убиквитина, СУМО се не користи за означавање протеина за разградњу. Зрели СУМО настаје када се последње четири аминокиселине C-терминуса одсеку како би се омогућило формирање изопептидне везе између C-терминалног остатка глицина СУМО протеина и акцепторског лизина на циљном протеину.
Мотиви који интерагују са СУМО (СИМ, енгл. SUMO-interacting motifs) су везујући региони на протеинима који интерагују са СУМО групама. СИМ-ови се обично састоје од кратких низова хидрофобних аминокиселина окружених киселим аминокиселинама.
Чланови породице СУМО често имају различита имена; СУМО хомолог у квасцу, на пример, назива се SMT3 (супресор mif два 3). Пријављено је неколико псеудогена за СУМО гене у људском геному.
мини|300п|десно|Шематски приказ структуре људског протеина СУМО1 направљен помоћу програма iMol и заснован на PDB датотеци 1A5R, НМР структури; кичма протеина је представљена као трака, истичући секундарну структуру; N-терминус плавом, C-терминус црвеном бојом.
мини|300п|Иста структура, која представља атоме као сфере, приказује облик протеина; људски СУМО1, PDB датотека 1A5R.
Функција
СУМО модификација протеина има многе функције. Међу најчешћим и најбоље проучаваним су стабилност протеина, једарно-цитосолни транспорт и транскрипциона регулација. Обично је само мали део датог протеина сумоилиран и ова модификација се брзо поништава деловањем десумоилационих ензима. Показало се да сумоилација циљних протеина изазива низ различитих исхода, укључујући промењену локализацију и партнере за везивање. СУМО-1 модификација RanGAP1 (првог идентификованог СУМО супстрата) доводи до његовог транспорта из цитосола у комплекс нуклеарне поре. СУМО модификација нинеина доводи до његовог кретања из центрозома у једро. У многим случајевима, СУМО модификација транскрипционих регулатора корелира са инхибицијом транскрипције. Може се погледати GeneRIF за СУМО протеине, нпр. људски СУМО-1,SUMO1 SMT3 супресор mif два 3 хомолог 1 (S. cerevisiae) да би се сазнало више.
Постоје 4 потврђене СУМО изоформе код људи; СУМО-1, СУМО-2, СУМО-3 и СУМО-4. На нивоу аминокиселина, СУМО2 и 3 су готово идентични и не могу се разликовати помоћу антитела. СУМО1, с друге стране, има само 50% сличности са СУМО2. СУМО-4 показује сличност са СУМО-2/3, али се разликује по томе што има пролин уместо глутамина на позицији 90. Као резултат тога, СУМО-4 се не обрађује и не конјугује у нормалним условима, већ се користи за модификацију протеина у условима стреса попут гладовања. Током митозе, СУМО-2/3 се локализују на центромерима и кондензованим хромозомима, док се СУМО-1 локализује на митотичком вретену и средњој зони вретена, што указује на то да СУМО паралози регулишу различите митотичке процесе у ћелијама сисара. Један од главних производа СУМО конјугације повезаних са митотичким хромозомима настао је СУМО-2/3 конјугацијом топоизомеразе II, која се модификује искључиво СУМО-2/3 током митозе. Чини се да су СУМО-2/3 модификације специфично укључене у одговор на стрес. СУМО-1 и СУМО-2/3 могу да формирају мешовите ланце; међутим, пошто СУМО-1 не садржи унутрашња СУМО консензус места која се налазе у СУМО-2/3, сматра се да он завршава ове поли-СУМО ланце. Серин 2 СУМО-1 протеина је фосфорилисан, што покреће концепт „модификованог модификатора”.
Одговор на оштећење ДНК
Ћелијска ДНК је редовно изложена агенсима који оштећују ДНК. Одговор на оштећење ДНК (енгл. DNA damage response, DDR) који је добро регулисан и сложен обично се користи да би се справио са потенцијалним штетним ефектима оштећења. Када дође до оштећења ДНК, показало се да СУМО протеин делује као молекуларни лепак како би олакшао састављање великих протеинских комплекса у фокусима поправке. Такође, сумоилација може да промени биохемијске активности и интеракције протеина. Сумоилација игра улогу у главним путевима поправке ДНК, као што су поправка ексцизијом база, поправка ексцизијом нуклеотида, нехомологно спајање крајева и хомологна рекомбинациона поправка. Сумоилација такође олакшава синтезу транслезије склону грешкама.
Структура
СУМО протеини су мали; већина је дужине око 100 аминокиселина и масе 12 kDa. Тачна дужина и маса варирају међу члановима СУМО породице и зависе од тога из ког организма протеин потиче. Иако СУМО има веома малу сличност у секвенци са убиквитином (мање од 20%) на нивоу аминокиселина, има готово идентично структурно савијање. СУМО протеин има јединствену N-терминалну екстензију од 10—25 аминокиселина коју други протеини слични убиквитину немају. Сматра се да је овај N-терминус повезан са формирањем СУМО ланаца.
Структура људског СУМО1 приказана је десно. Приказује СУМО1 као глобуларни протеин са оба краја аминокиселинског ланца (приказана црвеном и плавом бојом) који вире из центра протеина. Сферично језгро се састоји од алфа хеликса и бета плоче. Приказани дијаграми су засновани на НМР анализи протеина у раствору.
Предвиђање СУМО везивања
Већина протеина модификованих СУМО-м садржи тетрапептидни консензус мотив Ψ-K-x-D/E где је Ψ хидрофобни остатак, K је лизин конјугован са СУМО, x је било која аминокиселина (аа), D или E је кисели остатак. Специфичност супстрата изгледа да произилази директно из Ubc9 и одговарајућег мотива супстрата. Тренутно доступни програми за предвиђање су: SUMOplot - софтвер са бесплатним онлајн приступом развијен да предвиди вероватноћу да ће СУМО консензус секвенца (SUMO-CS) бити укључена у СУМО везивање.Gramatikoff K. et al. In Frontiers of Biotechnology and Pharmaceuticals, Science Press (2004) 4: pp.181-210. Систем бодовања SUMOplot-а заснован је на два критеријума: 1) директно поклапање аминокиселина са SUMO-CS за које је примећено и показано да везује Ubc9, и 2) замена консензусних аминокиселинских остатака остацима аминокиселина који показују сличну хидрофобност. SUMOplot је у прошлости коришћен за предвиђање места зависних од Ubc9. seeSUMO - користи случајне шуме и машине вектора подршке обучене на подацима прикупљеним из литературе. SUMOsp - користи матрицу скоровања специфичну за позицију (PSSM) за бодовање потенцијалних места сумоилације пептида. Може да предвиди места која прате ψKXE мотив и необична места сумоилације која садрже друге не-канонске мотиве. JASSA - бесплатни онлајн предиктор места сумоилације (класични и инвертовани консензус) и СИМ-ова (СУМО интерагујући мотив). JASSA користи систем бодовања заснован на матрици фреквенције позиција изведеној из поравнања експерименталних места сумоилације или СИМ-ова. Имплементиране су нове карактеристике у циљу боље евалуације предвиђања, укључујући идентификацију погодака у бази података који се подударају са секвенцом упита и репрезентацију места кандидата унутар елемената секундарне структуре и/или 3D савијања протеина од интереса, које се могу преузети из депонованих PDB датотека. SumoPred-PLM или SUMOylation site Prediction using Protein Language Model - Алат дубоког учења за предвиђање засновано на познатим биолошким правилима око СУМО2 и СУМО3 везивања у људским протеинима, инкорпорирајући знање из засебног претходно обученог PLM алата који су раније 2021. развили Елнагар и сарадници (енгл. Elnaggar et al.) познатог као ProtT5-XL-UniRef50. Оваква сарадња између мултидисциплинарних алата вештачке интелигенције постаје уобичајена пракса.
СУМО везивање (сумоилација)
СУМО везивање за своју мету слично је везивању убиквитина (као што је случај и са другим протеинима сличним убиквитину, попут NEDD 8). СУМО прекурсор има неке додатне аминокиселине које је потребно уклонити, стога протеаза (код људи су то SENP протеазе или Ulp1 код квасца) одсеца C-терминални пептид са СУМО прекурсора како би открила диглицински мотив. Добијени СУМО се затим везује за E1 ензим (СУМО активирајући ензим, SAE) који је хетеродимер (подјединице SAE1 и SAE2). Затим се преноси на E2, који је конјугујући ензим (Ubc9). Коначно, један од малог броја E3 лигазних протеина га везује за протеин.
Код пупећег квасца постоје четири СУМО E3 протеина: Cst9, Mms21, Siz1 и Siz2. Док је код убиквитинације E3 неопходан за додавање убиквитина на своју мету, докази сугеришу да је E2 довољан за сумоилацију све док је присутна консензус секвенца. Сматра се да E3 лигаза подстиче ефикасност сумоилације и у неким случајевима се показало да усмерава СУМО конјугацију на неконсензусне мотиве. E3 ензими се у великој мери могу сврстати у PIAS протеине, као што је Mms21 (члан Smc5/6 комплекса) и Pias-гама и HECT протеине. На хромозому 17 људског генома, СУМО2 се налази у близини СУМО1+E1/E2 и СУМО2+E1/E2, међу разним осталима. Неки E3 ензими, попут RanBP2, међутим нису ниједно од наведеног.
Недавни докази су показали да је PIAS-гама неопходан за сумоилацију транскрипционог фактора yy1, али је то независно од цинк-RING прста (идентификованог као функционални домен E3 лигаза). Сумоилација је реверзибилна и уклања се са мета помоћу специфичних СУМО протеаза. Код пупећег квасца, СУМО протеаза Ulp1 налази се везана за нуклеарну пору, док је Ulp2 нуклеоплазматски. Различита субнуклеарна локализација десумоилационих ензима је очувана код виших еукариота.
Десумоилација СУМО се може уклонити са свог супстрата, што се назива десумоилација. Специфичне протеазе посредују у овом поступку (SENP код људи или Ulp1 и Ulp2 код квасца).
Код квасца, SMT3 кодира СУМО протеин, а СУМО E3 лигаза везује СУМО за циљне протеине. У регулацији ћелијског циклуса, основни случај је да се СУМО лигација константно одвија, што доводи до полисумоилације одговарајућих циљних протеина. Овоме се супротставља СУМО протеаза Ulp2 која цепа поли-СУМО групе, остављајући протеин у моносумоилисаном стању. Као што је приказано на слици, постоји механизам повратне спреге у којем ULP2 одржава моносумоилисано стање пасивно и марљиво цепајући СУМО тако да полисумоилисано стање никада није довољно стабилизовано да би на њега могли да делују низводни актери. Ова десумоилација је критична да би се спречило прерано напредовање ћелијског циклуса, као што је дискутовано у неколико студија. мини|963п|Овај приказ регулације сумоилације, као што је описано у публикацији Гутијерез-Мортона и сарадника из 2024. године, илуструје како неки од вишеструких инхибиторних механизама интерагују да би регулисали фундаменталне аспекте ћелијске биологије.
Десумоилација се може зауставити инхибиторном фосфорилацијом СУМО протеазе Ulp2 од стране Polo-лике киназе Cdc5. Инхибицијом десумоилације Ulp2, полисумоилација се затим промовише као ново стабилно стање циљних протеина, који су често, али не увек, везани за друге протеине како би регулисали велике промене унутар ћелије. Cdc5 се супротставља Rts1-PP2A фосфатази, која одржава активно стање СУМО протеазе Ulp2 уклањањем фосфатне групе коју је додала киназа Cdc5.