全 文 ：·综述与专论· 2013年第10期
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
目前，蛋白产量及活性不高是异源蛋白表达尤
其是毒性蛋白表达的技术瓶颈。随着生物技术发展，
研究者应用融合表达策略克服毒性及难溶性蛋白的
表达难关［1，2］。由于大肠杆菌具有培养周期短、生
产成本低、操作简单及遗传稳定等优势而被广泛使
用［3］。但因大肠杆菌缺乏内质网和伴侣蛋白等真核
生物中用于蛋白质折叠的关键元件，其折叠效率十
分有限［4］，表达产物也因为不能正确折叠而形成包
涵体或者丧失生物活性。东南癌症研究组（SECSG）
报道在大肠杆菌中表达的 6 386 种蛋白质中，只有
22.7% 是可溶性的［5］。同时，某些蛋白对宿主菌的
毒性或对细胞内蛋白酶的敏感性也成为蛋白质表达
的瓶颈。现有多种方法来解决这些困难，如与分子
收稿日期 ：2013-04-17
基金项目 ：国家科技支撑计划课题（2013BAD10B02，2011BAD26B02），国家自然科学基金（31372346，31302004）
作者简介 ：汪小杰，男，硕士研究生，研究方向 ：生物化学与分子生物学 ；E-mail ： xiaojiewang8611@163.com
通讯作者 ：王建华，男，博士研究生，研究员，研究方向 ：微生物分子生物学与基因工程 ；E-mail ：wangjianhua@caas.cn
SUMO 在蛋白表达中的应用
汪小杰  毛若雨  张勇  滕达  王秀敏  王建华
（中国农业科学院饲料研究所 农业部饲料生物技术重点开放实验室，北京 100081）
摘 要 ： 毒性蛋白表达具有很大的技术挑战性，其不仅对宿主菌有毒性，而且易于被宿主内源性蛋白酶降解。融合表达是
实现毒性蛋白表达的有效策略。目前常用的融合标签有硫氧还蛋白、绿色荧光蛋白、麦芽糖结合蛋白、类固醇异构酶、N 利用基
质 A 及谷胱甘肽 -S-转移酶等。而 SUMO 标签除具有传统融合标签的特性外，还具有分子小、促进折叠以及能被 SUMO 蛋白酶 1
专一性识别等优势，因此广受关注。综述 SUMO 标签、SUMO 蛋白酶切割特性及其表达系统在异源蛋白融合表达中的应用。
关键词 ： SUMO 融合表达 SUMO 蛋白酶 1 毒性蛋白
Application of SUMO Protein in Fusion Expression System
Wang Xiaojie Mao Ruoyu Zhang Yong Teng Da Wang Xiumin Wang Jianhua
（Key Laboratory of Feed Biotechnology of MOA，Gene Engineering Laboratory，Feed Research Institute，Chinese Academy of Agricultural
Sciences，Beijing 100081）
Abstract:  The expression of toxic protein is more challenging than common protein. Fusion expression strategy may be a good choice
to reslove this problem. Traditional fusion tags including thioredoxin, green fluorescent protein, maltose binding protein, ketosteroid isomerase,
NusA, glutathione-s-transferase have been widely used. Besides the characteristics of the traditional fusion tags above, SUMO protein has other
advantages, such as small molecules, promoting folding and specific cleaved by SUMO protease 1. As a result, it has been widely used recently.
This article depicted the characteristics of SUMO and SUMO pretease. Additonally, the application of SUMO fusion expression system was
elaborated.
Key words:  SUMO（smallubiquitin-related modifier） Fusion expression SUMO protease Ⅰ Toxic protein
伴侣共表达、融合表达、在低温条件下表达，宿主
菌遗传背景的改造等［3，4，6-11］。本文是从融合表达
中标签选择角度，对 SUMO 融合标签与传统的融合
标签进行比较，着重阐述 SUMO 融合标签及 SUMO
蛋白酶在蛋白质表达中的应用。
1 SUMO 和 SUMO 途径
小泛素相关修饰物（smallubiquitin-related mod-
ifier，SUMO）是存在于真核生物中高度保守的参与
蛋白质小泛素化相关修饰的一类蛋白［13］。酿酒酵母
只含有 1 个 SUMO 基因 smt3，但哺乳动物 SUMO 家
族 含 有 3 个 SUMO 类 似 物 即 SUMO-1、SUMO-2 和
SUMO-3。该 SUMO 家族之间存在很高序列相似性［13］。
SUMO 化修饰是 SUMO 蛋白参与的一种共价修饰，
2013年第10期 29汪小杰等 ：SUMO 在蛋白表达中的应用
其末端双 Gly 构型与靶蛋白上的赖氨酸 ε-氨基形成
异肽键，与泛素途径相类似，也是由 3 个酶（E1、
E2 和 E3） 相 继 参 与 完 成 的［13-15］。 首 先 是 SUMO
的 C 端羧基攻击 ATP 使其 C 端 Gly 被腺苷化，同时
释放出焦磷酸。然后 E1（SUMO 活化酶）活性位点
的 Cys 攻击腺苷化的 SUMO，释放出 AMP，在 EI 与
SUMO 的 C 端之间形成高能量的巯基酯键，活化的
SUMO 被转移到 E2（SUMO 连接酶）活性位点的 Cys
上形成 SUMO-E2 中间体，在 E3（SUMO 连接酶）的
作用下将 SUMO-E2 中间体上的 SUMO 转移到底物的
Lys 的侧链 ε-NH2 上。在细胞的生命周期中和不同
的刺激条件下，SUMO 修饰是处于动态变化之中的。
SUMO 切割酶可以将 SUMO 从修饰化的蛋白上切割
下来，从而使 SUMO 修饰化与去 SUMO 修饰化处于
可逆变化中［12］（图 1）。与泛素化不同的是，SUMO
化修饰并不会引起蛋白质降解，而是参与细胞内众
多调控过程。例如，细胞周期、蛋白定位、核质运
输、亚细胞转运、基因组完整性的维持、转录调控、
肿瘤抑制、细胞生长及凋亡、DNA 修复、蛋白质稳
定性的控制以及植物的环境刺激反应等［13，14，16-24］。
现对 SUMO 家族的研究已成为研究热点。
2 SUMO 表达系统的优势
越来越多的融合标签在融合表达中成功应用，
这是因为融合标签不仅具有促进目的蛋白表达特性，
而且还能屏蔽某些毒性蛋白对宿主菌毒性和防止目
的蛋白降解［25］。自 2004 年以来，SUMO 作为融合
标签越来越多地用于表达系统中。SUMO 比传统的
融合标签如硫氧还蛋白、绿色荧光蛋白、麦芽糖结
合蛋白等具有更大的优势，除了具有传统融合标签
的促进可溶性的特性外，还具有分子伴侣功能，能
促进目的蛋白的正确折叠等特点［26］，同时对热和
蛋白酶有很强的抗性，有利于保持目的蛋白的稳定
性［12，26，27］。此外，SUMO 分子量相对于绿色荧光蛋
白、麦芽糖结合蛋白和谷胱甘肽 -S-转移酶等融合标
签较小，表达融合蛋白中目的蛋白占比例较大，能
够有效提高切割效率［5］（表 1）。
SUMO 融合标签的更大的优势在于其具有与其
配套的 SUMO 蛋白酶 1。SUMO 蛋白酶 1 具有较强
的专一性，它所识别的区域并非其他丝氨酸蛋白酶
或化学试剂的一级序列，而是蛋白质的三维结构，
因此导致其切割效率高而且不具有非特异性［29］。
SUMO 蛋白酶 1 识别 SUMO 三级结构后，能从 SUMO
末端的双甘氨酸处将目的蛋白从融合蛋白上切割下
来，不存在任何氨基酸残留［30］，因而较适用于表达
天然序列的重组蛋白［39］。Malakhov 等［29］研究表明，
SUMO 蛋白酶Ⅰ可在较广 pH 范围（5.5-10.5）及温
度（4-37℃）范围内将 SUMO 从 SUMO-GFP 融合蛋
白上切割下来，且 SUMO 蛋白酶Ⅰ对蛋白质纯化过
程中用到的试剂，如咪唑、Triten、脲、盐酸胍等不
SUMO E1 S SUMO E2
E3
E3E2E1
SH SH
NH3
+
E1 E2
ATP
+
S SUMO
SUMO
Ulp
SUMO
Substrate
Substrate
SUMO-cleaving protease
图 1 蛋白质的 SUMO 化修饰及去 SUMO 化修饰过程［13］
表 1 SUMO 与其他融合标签的比较
融合标签 氨基酸残基数 大小（kD） 功能 参考文献
SUMO 101 11.2 增强可溶性，屏蔽毒性，促进表达，促进折叠，防止降解 ［26，28-32］
His6 6 0.84 利于纯化 ［28］
硫氧还蛋白（Trx） 109 11.7 增强可溶性，屏蔽毒性 ［28］
绿色荧光蛋白（GFP） 238 26.8 增强可溶性，屏蔽毒性 ［28］
麦芽糖结合蛋白（MBP） 396 44.4 利于纯化，增强可溶性，屏蔽毒性 ［28］
类固醇异构酶（KSI） 128 13.7 促进形成包涵体，易于纯化 ［28，33］
N 利用基质 A（NusA） 495 55 增强可溶性，屏蔽毒性 ［28，34］
谷胱甘肽 -s-转移酶（GST） 211 26 利于纯化，增强可溶性，屏蔽毒性 ［28，35］
泛素 76 8 增加可溶性，促进表达 ［29，36，37］
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第10期30
敏感，甚至在 2 mol/L 脲的溶液中能成功切割 SUMO-
GFP 融合蛋白，简化了蛋白质纯化过程［29，39］。这
相比于其他蛋白酶，如 TEV 蛋白酶、Factor Xa、肠
激酶等具有显著优势（表 2）。Marblestone 等［5］对
SUMO 融合标签与传统的 His6 标签、泛素（Ub）蛋
白标签、麦芽糖结合蛋白（MBP）标签、谷胱甘肽 -S-
转移酶标签、NusA 及硫氧还蛋白标签作了比较发
现，其中 NusA 和 SUMO 能最大程度促进绿色荧光
蛋白（GFP）、基质金属蛋白酶 -13（MMP13）和肌
肉生长抑制素（GDF8）可溶性表达，同时比较了 SU-
MO 蛋白酶与 TEV 蛋白酶的切割效率，动力学分析
发现 SUMO 蛋白酶与 TEV 蛋白酶具有相同的 Km，但
SUMO 蛋白酶的 Kcat 值比 TEV 蛋白酶高 25 倍，说明
SUMO 蛋白酶的切割效率更高。类似的泛素（Ubiqu-
itin） 融 合 系 统 也 具 备 SUMO 融 合 系 统 的 诸 多 优
点［29，36］，但切除泛素标签的去泛素化酶 DUBs 不稳
定，不易生产和廉价制备［29］。另外，去泛素化酶的
切割效率低下，需要去泛素化酶与底物的摩尔比高
达 1∶10 才能取得良好的切割效果［36］；而且大肠杆
菌中存在一种内源性泛素蛋白酶 ElaD，特异性切割
泛素融合蛋白，使得泛素标签作用失去意义［40，41］。
Peroutka 等［28］详细系统地阐述了 SUMO 表达体系在
大肠杆菌表达系统中的应用，包括载体构建、诱导
表达、融合蛋白的纯化和切割等，为 SUMO 表达体
系的应用提供了参考。因此，SUMO 融合技术已成
为目前大肠杆菌重组蛋白表达和纯化的重要手段。
表 2 SUMO 蛋白酶Ⅰ切割与其他切割方式的比较
切割酶 识别序列或结构 N 端氨基酸残留 注释 参考文献
SUMO 蛋白酶Ⅰ SUMO 三级结构 无 对很多试剂不敏感，特异性强，不对侧链进行修饰，效率高 ［1，29-31，39］
TEV 蛋白酶 ENLYFQG/S G/S 对 pH 和离液剂敏感，特异性强，效率低 ［1，42，43］
Factor Xa IEGR 无 切割效率低下，存在非特异性，对 pH 和离液剂敏感 ［1，44］
肠激酶 DDDDK 无 对某些试剂敏感 ［1］
凝血酶 LVPRGS GS 对 pH 和离液剂敏感 ［1，44］
3C 蛋白酶 LEVLPQGP GP 对 pH 和离液剂敏感 ［45-48］
去泛素化蛋白酶（DUBs） 泛素三级结构 无 特异性强，但不能稳定存在，效率低 ［29，36］
甲酸 DP P 引起蛋白侧链修饰 ［1］
溴化氢 M 无 对 Ser 及 Thr 的酯化 ［1］
羟胺 NG N 对 Asn 及 Gln 的修饰 ［1］
3 SUMO 在毒性蛋白质表达中的应用
由于 SUMO 表达系统的优势，目前已经使用
SUMO 蛋白酶切割了大约 100 个 SUMO 融合蛋白，
均未发现其在靶蛋白内错误切割［30，49］。因此 SUMO
融合表达系统的应用具有广阔前景。
3.1 SUMO在原核表达系统中的应用
SUMO 融合表达系统广泛应用于以大肠杆菌为
代表的原核表达系统。Li 等［52］ 在大肠杆菌 BL21
（DE3）中实现阳离子抗菌肽 CM4 与 SUMO 的融合
表达，使用 SUMO 蛋白酶 1 进行了成功的切割，切
割效率达 90% 以上，CM4 产量达 24 mg/L，产量分
别是使用羟胺切割硫氧还蛋白的 2 倍［50］、使用甲酸
切割硫氧还蛋白的 20 倍［51］和利用内含肽表达的 5.7
倍［53］。另外，对大肠杆菌具有毒性的阳离子抗菌
肽 IDR1、MX226、LL37、CRAMP、HHC-10、E5 和
E6 均使用 SUMO 融合表达系统实现表达，有效屏蔽
了抗菌肽对宿主菌的毒性及蛋白酶降解［54］。SUMO
也应用于多聚体表达，使 CM4 二聚体表达量提高一
倍［55］。此外，SUMO 也可以与其他融合标签共同使
用。Li［56］使用 SUMO 和硫氧还蛋白双融合标签成
功表达了人抗菌肽 LL-37。SUMO 融合表达在枯草芽
孢杆菌表达系统中同样得到很好的应用。Chen 等［57］
成功构建一个 SUMO-SUMO 蛋白酶枯草芽孢杆菌表
达系统，其共表达的 SUMO 蛋白酶 1 能自动切割掉
SUMO-天蚕素 AD 融合蛋白上的 SUMO 标签，分泌
产物为已完成切割的天蚕素 AD，简化了蛋白纯化步
骤，有效提高天蚕素 AD 表达量，产量为 30.6 mg/L，
是 Yang 等［58］表达天蚕素 AD 的 2.55 倍。张贞等［59］
使用 EDDIE 作为融合标签表达的天蚕素 AD 为包涵
体形式，验证了 SUMO 促进蛋白质可溶性的特性。
2013年第10期 31汪小杰等 ：SUMO 在蛋白表达中的应用
3.2 SUMO在真核表达系统中的应用
真核生物细胞内存在内源 SUMO 蛋白酶，其
可以在翻译后修饰过程中识别并切割 SUMO 融合
蛋白，导致无法实现 SUMO 直接应用于真核表达
系 统［28，30］。 为 了 解 决 内 源 SUMO 蛋 白 酶 切 割 问
题，Butt 等［38］研究出一种有效屏蔽内源性 SUMO
蛋白酶识别的切割系统，即将 SUMO 蛋白切割为 N
端（NTHS）和 C 端（CTHS），CTHS 能促进蛋白质
在真核表达系统中表达，不被其内源 SUMO 蛋白
酶识别。CTHS 融合蛋白与 NTHS 在一定条件下可
通过强疏水相互作用实现 SUMO 完整结构的重构。
SUMO 蛋白酶可以识别重构后的 SUMO 蛋白结构并
在 CTHS 末端实现切割，释放目的蛋白［30］。此外，
为进一步突破 SUMO 在真核表达系统中面临的障
碍，Lifesensors 公 司（www.lifesensors.com） 相 继 开
发出 SUMOstar、SUMOpro 融合表达系统，可同时应
用于原核与真核表达，并开发出了相对应的蛋白酶：
SUMOstar 蛋白酶 1 和 SUMOpro 蛋白酶 2。Liu 等［60］
使用 SUMOstar 融合系统实现鼠 UBP43、人类胰蛋
白酶 β Ⅱ、USP4、USP15 和绿色荧光蛋白在昆虫内
表达，证明 SUMOstar 可以很好地阻止细胞内源性
SUMO 蛋白酶的切割并均极大促进了以上蛋白的表
达。 SUMOstar-GFP 融合蛋白的表达量是单体 GFP
的 6 倍以上，SUMOstar-人胰蛋白酶 β Ⅱ表达量是非
融合蛋白的 3 倍以上。
尽管 SUMO 显示了良好优势，但它并不对所有
蛋白都适用。Xie 等［61］使用 SUMO 标签蛋白融合表
达抗菌肽 OG2，并没显示出比硫氧还蛋白及内含肽
具更大优势。且 SUMO 对人利尿素的可溶性融合表
达方面也不及硫氧还蛋白［39］。有关 SUMO 的应用还
需进一步研究。
4 结语
融合表达技术在一些蛋白质表达中取得了成功，
但是对于其规模化应用还存在一些限制，如蛋白产
量、切割效率、非特异性切割、切割后有氨基酸残
留等。由于 SUMO 具有促进蛋白可溶性表达、正确
折叠，防止蛋白降解及 SUMO 蛋白酶切割后目的蛋
白 N 端无氨基酸残留的优势，预期 SUMO 及相关系
统在原核与真核表达系统中具有较好的应用前景。
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（责任编辑 狄艳红）