Kleine SUMO-peptides reguleren allerlei processen in de celkern. Hoewel we steeds meer over hun werking en hun rol bij kanker weten, zijn ze zelf maar lastig te (be)grijpen.

Elke familie kent er wel één: een regelneef, iemand die gevraagd en ongevraagd alles regelt en naar zijn hand probeert te zetten. SUMO-peptides doen in cellen precies hetzelfde: enzymatische processen reguleren en in goede banen leiden. De laatste jaren blijkt dat de evolutie een heel scala aan dergelijke eiwitten opleverde die de activiteit van andere eiwitten sturen door er snel en reversibel aan te binden, meestal met een covalente binding.

Gouden greep

Het eerste peptide van deze familie dat in het vizier van wetenschappers kwam is ubiquitine, dat onder andere het transport en de proteolyse (afbraak) van foutief gevouwen eiwitten stuurt. Inmiddels is een hele familie van ubiquitine-achtige eiwitten ontdekt, waaronder de SUMO’s. Alfred Vertegaal, moleculair bioloog bij de afdeling moleculaire celbiologie van het Leids Universitair Medisch Centrum, is sinds het begin betrokken bij het onderzoek naar deze small ubiquitine like modifiers of SUMO’s. ‘De mens heeft drie van deze peptides. Na de ontdekking van SUMO-2 ging ik daar in 2001 mee aan de slag, want er waren inmiddels al genoeg mensen die SUMO-1 onderzochten. Achteraf bleek dit een gouden greep, want SUMO-2 blijkt het belangrijkste van de drie. Muizen kunnen SUMO-1 en SUMO-3 missen; dan neemt SUMO-2 hun taak over. Echter, muizen zonder SUMO-2 gaan dood.’

SUMO-peptides zijn klein (ongeveer 100 aminozuren, 12 kDa)en zitten vooral in de celkern. Ze spelen in elk geval een rol bij het stabiliseren van enzymen, het transport van eiwitten in en uit de celkern, de transcriptie van genen, de celdeling en de reparatie van DNA. Dit gebeurt door een SUMO-peptide te koppelen aan de bij deze processen betrokken eiwitten. Analoog aan eiwitmodificaties als fosforyleren en defosforyleren, noemen onderzoekers deze modificatie SUMOyleren of deSUMOyleren.

Dit proces is het gevolg van een cascade aan enzymatische reacties. Achtereenvolgens zorgen het activerende enzym E1, het conjugerend enzym E2 en het ligase E3 voor het binden van SUMO aan zijn doeleiwit. Een SUMO-specifiek protease maakt zonodig de verbinding tussen SUMO en het doeleiwit weer los.

LC-MS met SUMO kan niet zomaar

Knipplek voor trypsine

Het onderzoek naar SUMO, de betrokken enzymen en de doeleiwitten is geen gemakkelijke klus. De problemen beginnen al bij het isoleren van de doeleiwitten. Vertegaal: ‘De cel zit vol met proteases die SUMO-eiwitten van hun doeleiwitten losknippen. Isoleren lukt daarom alleen als alle eiwitten uit een celkweek zo snel mogelijk gedenatureerd worden.’ Ook de vervolgstap, scheiding en analyse via LC-MS, lukt niet zonder meer. ‘Voor de analyse met LC-MS knip je de eiwitten in fragmenten met behulp van het enzym trypsine. Maar als je eiwitten met daaraan menselijk SUMO knipt, zijn de fragmenten te groot voor analyse in de massaspectrometer’, vertelt Vertegaal. Hij zocht de oplossing in gistcellen. ‘SUMO uit gist heeft een knipplek voor trypsine vlak voor het C-terminale einde waarmee SUMO aan zijn doel bindt. Na het knippen met trypsine blijft een SUMO-staartje van vijf aminozuren over dat we wel kunnen detecteren. We introduceerden deze trypsine-knipplek in het gen voor menselijk SUMO-2. Nu kunnen we de cellen met dit gen kweken, het aan eiwit gebonden SUMO-2 isoleren en detecteren met LC-MS.’

De groep van Vertegaal ontdekte ruim 4.300 potentiële bindingsplaatsen van SUMO, aan zeker 1.600 verschillende eiwitten: ‘Zo’n 1.000 bindingsplekken zijn het meest relevant voor het dagelijks functioneren van de cel. Als we de cellen blootstellen aan stress, bijvoorbeeld hitte, dan groeit het aantal potentièle bindingsplaatsen naar 4.300.’ Onder invloed van stress veranderen sommige eiwitten namelijk van vorm en maakt de cel extra eiwitten aan die de gevolgen van stress moeten beteugelen: dit levert de vele extra bindingsplaatsen op.

De vraag is nu: hoe kan SUMO specifiek eiwitten modificeren als de cel vol zit met eiwitten met duizenden potentiële bindingsplaatsen? Vertegaal: ‘Enerzijds zijn er een stuk of tien verschillende E3-ligases, die als laatste in de cascade SUMO aan zijn doeleiwit binden. Dit levert al enige specificiteit. Anderzijds ontdekten we motieven van hydrofobe, positief en negatief geladen aminozuren rondom het aminozuur waaraan SUMO bindt. Herkenning van deze motieven door het conjugerende enzym E2 is ook belangrijk bij de specificiteit.’

Kankertherapie

Langzamerhand wordt duidelijk dat het beïnvloeden van de werking van SUMO een therapeutische rol kan spelen bij de behandeling van kanker. Een van de oncogenen die het vaakst tot expressie komt bij kanker, maar waarvoor wetenschappers nooit een remmer konden ontwikkelen, is c-Myc. Het gen codeert voor een transcriptiefactor in de celkern. ‘Genoomwijde RNA-interferentiestudies laten een associatie zien tussen c-Myc en het SUMO-activerende enzym E1’, zegt Yuan Chen, ceo van SUMO Biosciences in het Amerikaanse Arcadia. Chen zoekt in haar laboratorium naar therapieën tegen kanker, met name op basis van SUMO en de bijbehorende enzymen. ‘Onze focus ligt vooral op de behandeling van darmkanker, omdat deze vorm van kanker bijna altijd afhankelijk is van c-Myc overexpressie, wat ook leidt tot overexpressie van het SUMO-activerende enzym E1.’

Tumorremming kan op meerdere manieren tot stand komen. Chen: ‘De sterke overexpressie van het activerende enzym E1 maakt kankercellen afhankelijk van de invloed van SUMO en zo ook weer gevoeliger voor de remming van de E1-, E2- en E3-eiwitten. Remming daarvan leidt tot lagere expressie van c-Myc. Omdat het oncogeen c-Myc tumorcellen onzichtbaar maakt voor het immuunsysteem, zorgt remming voor een versterkte antitumor-immuunrespons.’ SUMO is daarnaast betrokken bij de reparatie van beschadigd DNA, dus remming leidt ook tot minder DNA-reparatie. Chen: ‘Tumorcellen hebben vaak een haperende DNA-reparatie en zijn daarom gevoeliger voor verdere verstoring van die reparatie, waardoor ze doodgaan.’

We weten amper wat de gevolgen van zo’n binding zijn

Gouden nanodeeltjes

Chen ontwikkelde een snelle assay waarmee ze kleine moleculen screent op de verstoring van de interactie tussen SUMO en een doeleiwit. Ze doet dit op basis van time-resolved fluorescence resonance energy transfer en fluorescence polarization analyses. Met behulp van NMR bestudeert ze vervolgens hoe de gevonden moleculen de interactie verstoren. Op deze manier ontdekte ze dat onder andere gouden nanodeeltjes de gezochte eigenschap hebben. Inmiddels zijn ook grotere farmaceuten op zoek naar stoffen die de functie van SUMO verstoren. Het Japanse Takeda octrooieerde eerder dit jaar een heteroarylverbinding die de werking van het SUMO-activerende enzym E1 remt.

Het zal nog jaren duren voordat de eerste kankertherapie op basis van de remming van de SUMO-machinerie op de markt komt. Eerst moeten onderzoekers nog bewijzen dat de ideeën over de therapeutische werking van het remmen van SUMO in tumoren daadwerkelijk kloppen. Daarvoor is simpelweg nog veel meer kennis over deze peptides nodig. Vertegaal: ‘We weten inmiddels wel veel over de identiteit van de eiwitten waaraan SUMO covalent bindt, maar bijna niks over de exacte gevolgen van deze binding. Per doeleiwit moeten we nog uitzoeken hoe SUMO de activiteit van zo’n eiwit regelt.’ Werk te over dus.