2024-09-18 | 科研部 南科大王鹏程团队首次实现植物SUMO化修饰位点的蛋白组学鉴定

近日，国际著名期刊Nature Plants在线发表了南方科技大学前沿生物技术研究院王鹏程教授团队的研究论文“Highly sensitive site-specific SUMOylation proteomics in Arabidopsis”。该研究建立了植物SUMO化修饰位点鉴定的新方法（K0-SUMO1），构建了基于位点的植物SUMO蛋白组学数据库，为植物SUMO化修饰研究提供了新的研究技术和重要参考资源。

SUMO化修饰（SUMOylation）是一种高度保守的蛋白质翻译后修饰。已知SUMO化修饰可调节靶蛋白的稳定性和定位，参与了植物对于胁迫应答、生长发育、免疫应答等大部分重要的生物学过程。植物SUMO蛋白以及SUMO修饰途径中多个催化酶的缺失会导致植物死亡，显示了SUMO化修饰在植物生长发育过程中的核心作用。但由于SUMO化修饰蛋白含量少且高度动态变化，且在酶解后SUMO支链极长，导致SUMO修饰蛋白片段的富集和质谱鉴定困难。目前植物界只有几十个SUMO化修饰位点被鉴定，严重限制了植物SUMO化修饰的鉴定和功能研究。

针对这一问题，王鹏程团队在模式植物拟南芥sumo1、sumo2双突变体中实施了赖氨酸缺失的SUMO1（Lysine-null-SUMO1，K0-SUMO1）表达。通过去除SUMO蛋白中的赖氨酸，使K0-SUMO化修饰蛋白在酶解后可进一步富集，提高了SUMO化肽段富集的效率和特异性。以这一植物为材料，利用优化的两步富集方法，研究人员对高温条件下拟南芥K0-SUMO1材料进行了蛋白组学分析，成功鉴定超过2200个SUMO化修饰位点，涉及1300个潜在的SUMO化修饰蛋白，在植物中首次实现SUMO化修饰位点的蛋白组鉴定。

图1：K0-SUMO方法高效富集植物SUMO化修饰蛋白

这一SUMO蛋白组显示发现SUMO修饰底物蛋白广泛参与了多种细胞核内基因剪接、基因沉默、染色质重塑、DNA修复以及转录调控等过程。值得注意的是，与其他真核生物中SUMO化修饰主要发生在经典的ψKxE序列不同，拟南芥中的SUMO化修饰会发生在多个不同的基序上，表明植物和其他生物中SUMO化酶在位点选择特异性上不同。利用大肠杆菌重构植物SUMO化系统，该研究还证明多个经鉴定的底物位点在体外SUMO化修饰水平显著降低，表明这一方法的特异性和准确性。同时，这一研究还利用定量蛋白组进一步证实了在高温处理后，多数SUMO化修饰蛋白的稳定性增加，表明SUMO化修饰有增强底物稳定性的倾向。

图2：植物中SUMO化修饰靶蛋白主要参与调控细胞核过程

这一研究首次实现了在蛋白组水平上对植物体内SUMO化修饰位点的高效鉴定，所提供的超过1300个蛋白的2200个修饰位点为通过点突变验证作用方式，深入研究这些底物的生物学功能提供了基础。此外，未来通过简单的K0-SUMO引入，可实现不同植物物种中SUMO化修饰底物鉴定及调控网络的构建，为作物中关键SUMO化修饰底物提供了有效的鉴定及功能解析方法。

南方科技大学前沿生物技术研究院博士后桑田为论文的第一作者，王鹏程为论文的通讯作者，南方科技大学为第一论文单位。南方科技大学前沿生物技术研究院博士赵莎莎、安徽农业大学博士许雅萍、北京大学现代农业研究院研究员秦国臣、台湾“中央研究院”植物与微生物研究所研究员许全智也参与了这一工作。该研究得到了国家重点研发计划的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-024-01783-z

供稿：前沿生物技术研究院

通讯员：金玲

主图：李嘉慧

编辑：任奕霏