营养缺乏应激下肝脏线粒体中SUMO修饰蛋白的定量蛋白质组学分析

Previously, we found abundant SUMOylated proteins in mitochondria. During fasting, SENP1 is translocated into mitochondria leading to de-SUMOylation and de-acetylation of mitochondrial proteins, which activate fatty acid oxidation. These results suggest an important role of SUMOylation in regulating mitochondrial protein activity. Thus, we hypothesize that the alternation of mitochondrial protein SUMOylation would modulate their activity during fasting. However, it is largely unknown how many mitochondrial proteins are altered with their SUMOylation during fasting. In this proposal, we will use a quantitative proteomic strategy that we established recently to identify the dynamically SUMOylated mitochondrial proteins in mouse liver during fasting. We will then validate it and analyze it by using bio-informatic strategies. Finally, we will elucidate the function of an identified SUMOylated protein in mitochondrial metabolism during fasting.

我们前期发现线粒体中存在大量SUMO修饰蛋白且受到SENP1的调控。在饥饿处理时，SENP1进入线粒体，促进了线粒体蛋白的去SUMO化修饰和去乙酰化修饰，并进而激活了脂肪酸氧化代谢。这表明SUMO修饰是调控线粒体蛋白活性的一种重要机制。我们推测，细胞饥饿通过改变SUMO修饰调控了一些线粒体蛋白的活性并影响了线粒体中的代谢应激反应。因此，鉴定营养应激下SUMO修饰发生改变的线粒体蛋白对于了解SUMO修饰如何调控线粒体代谢有重要意义。最近，我们建立了內源SUMO修饰组学研究方法，基于此，我们将在本项目中主要解决以下科学问题：1. 定量分析营养应激下小鼠肝脏线粒体中蛋白质SUMO修饰的动态变化；2. 对质谱鉴定结果进行生物信息学分析和验证；3. 针对一个差异蛋白阐明SUMO修饰在营养应激下的生物学功能。

线粒体是细胞的代谢中枢和能量工厂，但其代谢过程是否收到蛋白质SUMO化修饰的调控尚不清楚。我们通过蛋白质组学技术鉴定到线粒体中存在大量SUMO化修饰蛋白，其中最富集的代谢过程为氧化磷酸化。在通过免疫沉淀进一步验证的鉴定到的修饰蛋白的基础上，我们针对线粒体呼吸链复合体IV上的一个亚基NDUFA4的SUMO化修饰作用进行了深入研究。我们发现：. NDUFA4的SUMO化修饰发生在K75，且此赖氨酸及其附近氨基酸在多个物种中高度保守，PIAS4是其E3连接酶，而SENP1是其去修饰化酶。突变NDUFA4的SUMO化修饰位点消除NDUFA4的SUMO化修饰后，削弱了线粒体膜电势、ATP产生、氧气消耗和细胞存活。NDUFA4发生SUMO化修饰后利用SUMO1与细胞色素c静电吸引，从而招募细胞色素c到复合体IV上，增强了复合体IV的活性。NDUFA4的SUMO化修饰响应细胞对氧化磷酸化的动员，在半乳糖取代葡萄糖或脂肪酸刺激下，NDUFA4的SUMO化修饰增强，突变其修饰位点后则无法响应，导致细胞色素c释放到细胞质中，引发细胞凋亡。这些结果首次证实线粒体呼吸链的亚基在生理过程中发生了SUMO化修饰，从而调控线粒体氧化磷酸化。