Das Protein SUMO (small ubiquitin-related modifier) ist im ganzen eukaryotischen Reich konserviert. Dieses globuläre Protein ermöglicht eine post-translationale Modifikation, die der Ubiquitylierung ähnelt. SUMO wird durch eine Isopeptidbindung an Substratproteine konjugiert, die das C-terminale Glycin von SUMO mit einem Lysin im Substrat verbindet. Drei Enzyme koordinieren diesen Vorgang: ein aktivierendes Enzym (E1), ein konjugierendes Enzym (E2), und eine Ligase (E3). SUMOylieriung kann je nach Substrat untershiedliche Konsequenzen haben. Manche SUMOylierte Proteine werden abgebaut, während andere durch die Modifikation vor Abbau geschützt werden. SUMO kann Transkription sowohl aktivieren, als auch reprimieren. Durch die SUMO-Konjugation können neue Oberflächen zum Wechselwirkung mit anderen Proteinen entstehen, oder bereits vorhandene Interaktionsoberflächen maskiert werden, um Protein-Protein-Interaktionen zu unterbinden. Ein SUMOyliertes Protein kann auch seine subzelluläre Lokalisation ändern.

Einige Besonderheiten machen die Forschung von SUMO in Pflanzen zu einer lohnenswerten Aufgabe. Pflanzen ein aktivierendes und ein konjugierendes Enzym für SUMO. Es gibt acht verschiedene SUMO-Isoformen in Arabidopsis thaliana, aber nur die Hälfte davon ist bisher charakterisiert. SUMOylierung ist essenziell, Funktionsverlust von E1 oder von E2 oder von SUMO1/2 ist letal. Einerseits wurden bisher sind nur zwei SUMO-Ligasen beschrieben. Das ist ein auffallend großer Unterschied zu den Ubiquitin-E3-Ligasen, von welchen mehr als Tausend bekannt sind. Andererseits wurden viele SUMOylierungssubstrate gefunden, mit Funktionen in der Stresssignaltransduktion, der Kontrolle der Blütezeit, sowie der Regulation von essenziellen biochemischen Prozessen wie etwa der Synthese von Aminosäuren oder der Reparatur von DNA-Schäden.

Obwohl viele Proteine SUMOyliert werden können, ist nur ein Teil davon zu einem gewissen Zeitpunkt modifiziert. Manche Substrate sind nur für kurze Zeit SUMOyliert, als Reaktion auf einen bestimmten Reiz, und danach wird die Modifikation durch eine spezifische Protease rückgängig gemacht. Die zentrale Frage der Arbeit ist: „Was führt zur Spezifität in der SUMOylierung trotz der Vielzahl an Substraten?” Eine bioinformatische Suche nach weiteren möglichen SUMO-Ligasen führte zur Identifikation zweier Gene mit bisher unbekannter Struktur und Funktion. Eine nähere Untersuchung dieser beiden Proteine führte zu folgenden Ergebnissen:

A. Die Beschreibung des Reaktionsmechanismus des SUMO Transfers von E1 zum E2 mit Hilfe von Mutanten. welche zusätzlich reduziertes Wachstum aufwiesen.
B. Durch die Analyse von Mutanten mit Funktionsverlust in mehreren SUMO-Ligasen- wurde der Einfluss von SUMOylierung auf osmotischen und Salzstress beschrieben.
C. Identifizierung einer möglichen Rolle für die SUMO-Ligase SIZ1 in der Abszisinsäuresignaltransduktion nach der Keimung.
D. Identifizierung einer SUMO-E4-Ligase, PIAL2, die in vitro monomeres SUMO oder kurze SUMO-Ketten zu langen Ketten verlängert.
E. Die Biochemische Charakterisierung dieser E4-Ligase zeigte, dass ihre Eigenschaft, SUMO-Ketten zu verlängern, in vitro von SUMO beeinflusst wird.
F. Das SUMOylierte Lys15 von E2 ist notwendig für SUMO-Ketten-Bildung, insbesondere in der Abwesenheit einer Ligase.

The small ubiquitin-related modifier (SUMO) is conserved throughout the eukaryotic kingdom. This globular protein takes part in an important post-translational modification cycle, similar to, but quite distinct from ubiquitylation. SUMO is conjugated to a substrate protein via an isopeptide bond, connecting the C-terminal glycine of SUMO to a lysine in the substrate. This process is accomplished by the coordinated action of three enzymes: an activating enzyme (E1), a conjugating enzyme (E2), and a ligase (E3). SUMOylation can have opposing consequences, as some SUMOylated proteins are targeted for degradation, while others are protected from it. SUMO can be both activation and repression mark for transcription processes. Conjugation of SUMO can create or hide interaction surfaces for its substrate, or it can change the subcellular localisation of the substrate.

Several features make the study of SUMOylation in plants an exciting endeavour. Plants have one activating and one conjugating enzyme for SUMO. There are eight different SUMO isoforms in Arabidopsis thaliana, only half of which have been studied. As SUMOylation is essential, knocking out either the E1, or the E2, or SUMO1/2 is lethal. On one hand, only two plant SUMO ligases are currently known. This is a striking contrast to the ubiquitin E3 ligases, which number more than a thousand. On the other hand, a myriad of SUMOylation substrates have been identified, with functions ranging from stress signal transduction, through flowering time control, to the maintenance of key cellular features such as amino acid biosynthesis and DNA damage repair.

Despite the fact that many proteins can be SUMOylated, only a subset of them is modified at any given moment. Some substrates are SUMOylated only transiently, in a response to a certain stimulus, after which the modification is reversed by the action of specific proteases. How specificity to the large amount of identified substrates is achieved was the driving question behind this study. A bioinformatic search looking for novel possible SUMO ligases discovered two genes with unknown structure and function. The studies to characterise these two proteins led to the following results:

A. Describing the biochemical mechanism of the thioester transfer from Arabidopsis E1 to E2 with the help of an E2 active site point mutant, which additionally displayed stunted growth.
B. The analysis of SUMO ligase knock-out mutants demonstrated that they have a cumulative effect on the global SUMOylation in plant osmotic and salt stress.
C. Identifying a possible role for the SUMO ligase SIZ1 in post-germination abscisic acid signal transduction.
D. Identification of a SUMO E4 ligase, PIAL2, which converts monomeric SUMO and short SUMO chains into longer ones in vitro.
E. The biochemical characterisation of this E4 ligase showed that its chain extension activity is regulated by SUMO in vitro.
F. The SUMOylation of Lys15 in E2 is necessary for SUMO chain formation, especially in the absence of a ligase.