责编 | 王一
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、稳定性和定位，参与了植物对于胁迫应答、生长发育、免疫应答等几乎所有重要的生物学过程。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。目前植物界只有数十个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。
2024年9月18日，南方科技大学前沿生物技术研究院王鹏程教授团队在国际著名期刊Nature Plants在线发表了题为Highly sensitive site-specific SUMOylation proteomics in Arabidopsis的研究论文。该研究首次建立了植物SUMO化修饰位点鉴定的新方法，构建了基于位点植物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。
该研究在模式植物拟南芥sumo1 sumo2双突变体中表达赖氨酸缺失的SUMO1（Lysine-null-SUMO1，K0-SUMO1）。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，王鹏程教授团队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。
Detection of the Arabidopsis SUMO proteome in K0-SUMO1 transgenic plants
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的过程，如基因剪接、基因沉默、染色质重塑、DNA修复以及转录调控等。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。利用大肠杆菌重构了植物SUMO化系统，该研究还证明多个鉴定到的底物位点在体外仍可以发生SUMO化修饰，显示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，在高温处理后，很多SUMO化修饰蛋白的稳定性增加，表明SUMO化修饰倾向于增强底物的稳定性。
Arabidopsis SUMO target proteins are enriched in nuclear processes
综上，该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这些修饰位点的作用方式，深入研究这些底物的生物学功能提供基础。此外，未来通过简单的K0-SUMO的引入，可实现不同植物物种中的SUMO化修饰底物鉴定及调控网络的构建，为作物中关键SUMO化修饰底物的鉴定及功能解析提供有效的方法。
据悉，王鹏程研究组近年来聚焦植物蛋白组学方法的开发，建立了高精度植物磷酸化蛋白组学技术（Lin et al., Nat Commun, 2020），酪氨酸磷酸化组（Duet al., Stress Biol, 2022），蛋白激酶底物的高通量鉴定（Wanget al., PNAS, 2020），临近标记技术（Zhu et al., JIPB, 2022），单细胞（类群）蛋白组学方法（Wang et al., JIPB, 2023），定量S-nitrosylation蛋白组学（Qin et al., Nat Commun, 2023）等。聚焦植物感受和应答渗透胁迫的分子机制，解析了RAF-SnRK2激酶级联途径在渗透胁迫和ABA信号途径中的核心作用（Lin et al., Nat Commun, 2020；2021）。
南方科技大学王鹏程教授为论文的通讯作者，博士后桑田是论文第一作者，赵莎莎博士、安徽农业大学许雅萍博士、北京大学现代农学研究院秦国臣研究员，中央研究院植物与微生物研究所许全智研究员也参与了这一工作。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
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