胚性細胞は強制的にSUMO1を過剰発現させるとSUMO1を再分配する

Embryonic Cells Redistribute SUMO1 upon Forced SUMO1 Overexpression.

• Andreia Lee
• Yiping Zhu
• Yosef Sabo
• Stephen P Goff

抄録

小ユビキチン様修飾因子（SUMO）と基質タンパク質との結合は、多様な生理的プロセスに影響を与える翻訳後タンパク質修飾である。マウスでは、SUMOの結合を全体的に阻害すると胚性致死に至ることが知られており、SUMO経路が胚発生に重要であることが示唆されています。ここで、我々は、マウス胚性癌細胞および胚性幹（ES）細胞において、SUMO1の過剰発現が十分に許容されないこと、およびSUMO1発現コンストラクトを導入したベクターを用いた導入後、少数のクローンのみが回収されたことを実証した。分化されたNIH/3T3細胞は、劇症的な影響を受けることなくSUMO1を過剰発現し、SUMO1の共役型と遊離型の両方の高レベルを維持していた。強制的な過剰発現後に生き残った少数の胚性細胞は、いくつかの高分子量の抱合体の形ですべてのSUMO1を保持し、遊離SUMO1の検出不能なレベルを維持しています。胚性細胞における遊離ＳＵＭＯの不在は、ＳＵＭＯ１の過剰発現時に特異的に見られたが、ＳＵＭＯ２は見られなかった。さらに、SUMO1のC末端変異によって、またはSUMO1基質「スポンジ」の過剰発現によって、またはdeSUMOylating酵素SUMO特異的ペプチダーゼ1（SENP1）の過剰発現によって、内因性基質へのSUMO1の共役をブロックすることは、遊離SUMO1の過剰発現を劇的に回復させた。データは、重要なSUMO1共役基質の過剰蓄積につながるSUMO1タンパク質の過剰発現が、胚性細胞では許容されないことを示唆している。生存する胚性細胞は、許可された基質へのSUMO1コンジュゲーションを示しますが、遊離したSUMO1は完全に欠如しています。胚性幹（ES）細胞は、迅速な分化と複製のための彼らの異常なニーズを反映して、異常な転写、プロテオミクス、およびシグナル応答プロファイルを示しています。ここで報告された作業は、マウス胚性細胞株は、SUMO1、それらの細胞内の局在と機能を変更するために多くの基質に共有結合されている小さなユビキチン様修飾タンパク質の過剰発現に耐えられなかったことを実証した。強制的なSUMO1過剰発現はES細胞に毒性があり、生き残った細胞集団は遊離したSUMO1のレベルを劇的に低下させることで適応する。このような応答は、分化した細胞において、またはSUMO2を用いた場合、または非共役性SUMO1変異体を用いた場合、または修飾を受容するSUMO1「スポンジ」基質の存在下では見られない。この知見は、特定の基質の過剰なSUMO1修飾が胚性細胞によって許容されないことを示唆しており、これらの細胞がコンジュゲートに利用可能なSUMO1のレベルを制御することの特有の必要性を強調している。

Conjugation of small ubiquitin-like modifiers (SUMOs) to substrate proteins is a posttranslational protein modification that affects a diverse range of physiological processes. Global inhibition of SUMO conjugation in mice results in embryonic lethality, reflecting the importance of the SUMO pathways for embryonic development. Here, we demonstrated that SUMO1 overexpression was not well tolerated in murine embryonic carcinoma and embryonic stem (ES) cells and that only a few clones were recovered after transduction with vectors delivering SUMO1 expression constructs. Differentiated NIH/3T3 cells overexpress SUMO1 without deleterious effects and maintain high levels of both conjugated and free forms of SUMO1. The few embryonic cells surviving after forced overexpression retained all their SUMO1 in the form of a few high-molecular-weight conjugates and maintained undetectable levels of free SUMO1. The absence of free SUMO in embryonic cells was seen specifically upon overexpression of SUMO1, but not SUMO2. Moreover, blocking SUMO1 conjugation to endogenous substrates by C-terminal mutations of SUMO1 or by overexpression of a SUMO1 substrate "sponge" or by overexpression of the deSUMOylating enzyme SUMO-specific peptidase 1 (SENP1) dramatically restored free SUMO1 overexpression. The data suggest that overexpression of SUMO1 protein leading to an excess accumulation of critical SUMO1-conjugated substrates is not tolerated in embryonic cells. Surviving embryonic cells exhibit SUMO1 conjugation to allowed substrates but a complete absence of free SUMO1. Embryonic stem (ES) cells exhibit unusual transcriptional, proteomic, and signal response profiles, reflecting their unusual needs for rapid differentiation and replication. The work reported here demonstrated that mouse embryonic cell lines did not tolerate the overexpression of SUMO1, the small ubiquitin-like modifier protein that is covalently attached to many substrates to alter their intracellular localization and functionality. Forced SUMO1 overexpression is toxic to ES cells, and surviving cell populations adapt by dramatically reducing the levels of free SUMO1. Such a response is not seen in differentiated cells or with SUMO2 or with nonconjugatable SUMO1 mutants or in the presence of a SUMO1 "sponge" substrate that accepts the modification. The findings suggest that excess SUMO1 modification of specific substrates is not tolerated by embryonic cells and highlight a distinctive need for these cells to control the levels of SUMO1 available for conjugation.

Copyright © 2019 Lee et al.