人源SENP5蛋白酶识别SUMO亚型的结构基础及其在核糖体生物发生中的调控机制

本研究解析了人源去SUMO化蛋白酶SENP5与SUMO1/SUMO2亚型的复合物晶体结构（分辨率达1.7-2.3 ?），揭示其通过Arg624碱性斑块选择性识别SUMO2/3的分子机制。通过点突变和竞争性动力学实验证实，SUMO2的Asp63与SENP5的Arg624形成有利离子对是亚型选择性的关键。该发现为开发靶向SUMO化通路的特异性抑制剂提供新思路，对理解核糖体组装和线粒体分裂等过程具有重要意义。

　　

研究背景
蛋白质SUMO化（Small Ubiquitin-like Modifier）是一种广泛存在于真核细胞中的翻译后修饰，通过共价连接SUMO蛋白调控靶蛋白功能。人类细胞中存在四种SUMO亚型（SUMO1-4），其中SUMO2/3具有97%序列相似性，而SUMO1相似性仅为47%。去SUMO化由SENP/ULP蛋白酶家族执行，其成员SENP5与SENP3定位于核仁，参与核糖体生物发生并偏好SUMO2/3亚型。然而，SENP5选择性识别SUMO亚型的结构机制尚不明确，这限制了针对SUMO化通路相关疾病（如癌症和神经退行性疾病）的精准药物开发。

研究方法
西班牙巴塞罗那自治大学David Reverter团队通过以下技术开展研究：（1）解析SENP5催化结构域（aa 568-755）与SUMO1/SUMO2复合物的晶体结构（分辨率2.1-2.3 ?）；（2）化学合成SUMO-PA（propargylamide）活性探针实现共价交联；（3）体外荧光动力学实验（SUMO-AMC/Rhodamine底物）评估酶活；（4）点突变（Arg624Ala等）结合细胞转染（HEK293F/COS-7）验证功能；（5）竞争性抑制实验测定IC₅₀值。

研究结果

SENP5偏好SUMO2去结合活性
体外实验显示SENP5催化结构域对SUMO2-AMC的水解速率比SUMO1-AMC快15倍。竞争实验表明RanGAP1-SUMO2的IC₅₀为3.7 μM，而SUMO1在30 μM浓度下仍无抑制效应（图1c）。

复合物晶体结构揭示最小界面
SENP5_CD-SUMO2界面面积仅833 ?²，显著小于SENP7（1170 ?²）。结构比对发现保守催化三联体（His642-Asp714-Cys713）和SUMO尾部结合口袋，但缺乏SENP7特有的Loop1插入（图2d）。

Arg624碱性斑块决定亚型选择性
SUMO2的Asp63与SENP5的Arg624形成2.8 ?盐桥，而SUMO1的Glu67因侧链延长导致空间位阻（图3c）。R624A突变使SUMO2解离活性降低80%，但对SUMO1无影响（图4b）。

电荷互换实验验证机制
SUMO1 E67D突变使其活性提升至SUMO2水平，而SUMO2 D63E突变导致活性丧失（图5a）。1.73 ?分辨率复合物结构显示E67D突变后Arg624与Asp67成功形成离子对（图5f）。

细胞实验证实生理相关性
HEK293F细胞中过表达SENP5野生型可显著降低内源性SUMO2结合水平，而R624A突变体丧失该功能（图4d）。SENP3（SENP5同源蛋白）同样依赖该机制识别SUMO2。

研究意义
该研究首次阐明SENP5通过局部碱性斑块（Arg624-Lys627）实现SUMO亚型选择的精确调控，突破性地发现单个氨基酸差异（SUMO2-Asp63 vs SUMO1-Glu67）足以决定酶活特异性。这一发现为开发靶向SENP5的小分子抑制剂奠定基础，对干预核糖体组装异常（癌症）和线粒体分裂障碍（神经退行性疾病）具有重要价值。研究还提出CE-clan蛋白酶底物选择性的进化新范式——不同于细菌效应蛋白依赖VR loops，真核生物可通过离散界面残基实现特异性识别。