SUMO修饰作为一种重要的蛋白质翻译后修饰,在DNA损伤修复、细胞周期、基因表达调控、染色质结构等生物学过程中发挥重要功能,其异常与癌症、糖尿病等疾病密切相关。目前的研究表明SUMO修饰蛋白大多都位于细胞核中并且与染色质功能如转录调控和DNA损伤修复密切相关,SUMO修饰的酶体系也可直接结合染色质,然而SUMO修饰蛋白及SUMO修饰酶是否在染色质富集及结合染色质的具体机制及生物学功能尚不明确。在本博士论文中,首先通过不同的细胞组分分离实验证实SUMO修饰蛋白及主要修饰酶定位于细胞核中,并且主要定位于细胞核不溶性组分中。为了检验它们是富集于核基质或者染色质组分中,接着利用不同DNA水解酶处理去除细胞核不溶组分中的染色质成分,并通过Western Blotting及细胞免疫染色分析发现SUMO修饰蛋白主要分布于核基质组分而不是染色质中。同样的实验发现SUMO修饰酶体系也主要分布于核基质组分而不是染色质中,提示SUMO修饰蛋白在核基质中的富集与SUMO修饰酶体系在核基质中的富集相关。为了研究核基质富集的SUMO修饰酶系如何调控染色质功能,我们围绕SUMO E3连接酶PIAS1进行了一系列研究,首先证实内源和外源表达的PIAS1均富集于核基质。其次,为了鉴定与PIAS1直接相互作用蛋白,通过共价偶联结合在变性条件下的免疫亲和纯化和质谱分析方法鉴定到了一定数量高可信度的与PIAS1相互作用的蛋白,发现PIAS1不仅与核基质蛋白存在相互作用,还与组蛋白H3、H2A.Z、H1等直接相互作用。通过一系列体内外实验证实了PIAS1与H3、H2A.Z、DDX17存在直接相互作用,发现PIAS1主要通过其SAP结构域结合H3、H2A.Z、DDX17。此外还发现PIAS1可以催化H3、H2B的SUMO-1修饰,但不催化H2A.Z和H4的SUMO修饰;PIAS1对H3、H2B的SUMO-1修饰依赖于其酶活及SAP结构域,表明与染色质的结合为其SUMO修饰染色质组蛋白所必需。因此PIAS1主要存在于核基质中,但可以结合并催化染色质组分的SUMO修饰。基于发现SUMO修饰的蛋白主要富集于核基质而不是染色质,我们开展了SUMO修饰蛋白如何与染色质结合或者相互作用的研究。发现SUMO蛋白本身具有结合染色质核小体能力,而这种能力并没有在与之相似的泛素蛋白中观察到,表明SUMO蛋白具有介导SUMO修饰蛋白与染色质结合的能力。进一步体外Pull down发现GST-SUMO-1/2能结合核小体和组蛋白八聚体而泛素不结合,且多个串联的SUMO蛋白与核小体的结合增强,通过共价偶联结合质谱分析发现GST-SUMO-1与核小体H2A直接结合。通过构建SUMO-1/2的不同区域及突变体研究,发现核小体主要结合SUMO-1/2的中间区域并且去除组蛋白N-末端的核小体仍可与SUMO蛋白结合,并且通过化学交联结合质谱鉴定发现SUMO-167号位氨基酸是与核小体结合的关键位点。此外还通过体外Pull down实验分析了甲基化水平对SUMO结合核小体的影响,发现当甲硫氨酸饥饿处理后SUMO与核小体的结合增强。综合这部分研究结果表明虽然SUMO修饰的蛋白主要存在于核基质中,但可能通过SUMO与核小体直接结合进而促进SUMO修饰蛋白与染色质结合,参与染色质结构的调控和细胞核形态的维持。综上所述,我们发现:1)SUMO修饰蛋白主要富集于核基质组分;2)SUMO修饰酶体系成员如PIAS1主要存在于核基质中,不仅与核基质蛋白相互作用,还可结合染色质组蛋白,促进组蛋白SUMO修饰;3)SUMO本身具有结合组蛋白能力,这一能力可能介导了SUMO修饰蛋白与染色质相互作用及在染色质上的富集。我们的研究工作为探究SUMO修饰蛋白与染色质的关联提供了新的理论知识。