在生物體中存在著多種轉錄後修飾，包括磷酸化、糖基化、乙醯化、泛素化和SUMO化。SUMO化修飾（Small ubiquitin-like modifier）是近年來被發現數種與泛素相類似的蛋白質之一。在二級三級結構上與泛素高度相似。SUMO化迴圈過程與泛素化迴圈過程相似，包括活化、結合、連線、修飾和解離等過程。與泛素化不同的是，SUMO化不會促進其目標蛋白質的降解。已知SUMO化修飾的功能包括：1.調節轉錄2.DNA損傷 3.增強蛋白質的穩定性。
2022年1月2日，Plant Biotechnology Journal線上發表了西北農林科技大學果樹逆境生物學團隊馬鋒旺教授和管清美教授為通訊作者題為“Fine-tuning of SUMOylation modulates drought tolerance of apple”的研究論文。
作者首先透過蛋白序比對找出蘋果中三個與擬南芥同源的SUMO酶。命名為MdSUMO2A, MdSUMO2B,和MdSUMO2C。並對這三個基因在蘋果乾旱處理下的表達模式進行了分析，發現其都受乾旱誘導。MdSUMO2A在各個組織中都有表達。對蘋果中SUMO2A, SUMO2B, 和SUMO2C的亞細胞定位實驗發現他們在核，質膜和細胞質中都有表達。因為MdSUMO2A在各個組織中都有表達，且受到乾旱誘導，所以將MdSUMO2A作為後續研究的重點物件，並建立了超表達MdSUMO2A OE和干涉MdSUMO2 RNAi的材料(圖1）。
圖1. MdSUMO2s 的序列、對乾旱脅迫的反應和定位。
對轉基因材料進行乾旱處理後發現，與對照相比兩個轉基因株繫到表現出抗旱的表型。為了探究MdSUMO2A的抗旱機理，作者對乾旱處理後的轉基因材料進行了分析發現，與對照相比超表達株系的根系更發達有較高的導水率和光合能力。而干涉株系表現出葉片小而厚，表現出更高WUE（用水效率）同體內積累了更多的ABA。所以導致了超表達和干涉株系都表現出抗旱的表型(圖2）。
圖2. MdSUMO2A OE 植物對乾旱脅迫的耐受性增加。
為了進一步研究MdSUMO2A的分子功能機制。作者檢測了GL-3 和 MdSUMO2 轉基因植物在長期乾旱脅迫條件下的 SUMO化修飾。與對照相比超表達株系SUMO修飾更高而干涉株系更低。同時利用質譜鑑定到MdSUMO2A的靶標MdDREB2A、MdAQP2 和 MdALI。並找到了K192 是 MdSUMO2A介導的 MdDREB2A SUMO化的主要SUMO化位點。並進行了體內和體外的MdSUMO2A介導MdDREB2ASUMO化實驗。
之前的研究表明使用 SUMO 可以影響蛋白質穩定性，作者檢測了在乾旱條件下轉基因植物中 MdDREB2A 的蛋白質水平。與對照相比，MdDREB2AOE積累更多的MdDREB2A蛋白。作者還35S::MdDREB2A 和 35S::MdDREB2AK192R 轉蘋果愈傷，發現轉基因愈傷組織比野生型愈傷組織更能耐受乾旱處理。這些結果表明 MdDREB2A 的 SUMO 化對其穩定性和活性很重要。
泛素化和SUMO作用氨基酸位點相似，作者也探究了泛素化是否也參與到了MdSUMO2A對抗旱機制的響應過程中。並乾旱脅迫條件下對 MdDREB2A 進行了親和純化質譜 (AP-MASS) 分析。鑑定到MdRNF4，編碼 E3 泛素連線酶。哺乳動物細胞和酵母中 MdRNF4 的同源物靶向 SUMO 化蛋白，透過蛋白酶體途徑降解。並通過了蛋白實驗進行了驗證，發現MdRNF4 可以與 MdSUMO2A相互作用。並檢測了轉基因植株中的泛素化水平，新增 MdRNF4 2 小時會增加 MdDREB2A 的泛素化水平。然而，在超表達株系中MdDREB2A 泛素化積累更。表明 MdRNF4 介導了 MdDREB2A 泛素化。
同時作者檢測了 MdDREB2A 在對照和乾旱條件下 MdSUMO2 轉基因植物中的泛素化。乾旱脅迫後，超表達脂質具有較高水平的 MdDREB2A 泛素化，而 RNAi 植株具有較低水平。此外，乾旱脅迫下RNAi 植株中積累的 MdRNF4 較少，而 OE 植株中積累的 MdRNF4 較多，這意味著 MdRNF4 介導的泛素化參與了 MdDREB2A SUMO 化和穩定性(圖3）。
圖3. MdRNF4 在脫水條件下介導 SUMOylated MdDREB2A 的降解。
本研究獲得了國家重點研發計劃（2019YFD1000100），陝西省科技重大專項（2020zdzx03-01-02）等專案的支援。
原文連結：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.13772
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