Каждый человек рождается с 50-100 генетическими вариантами, которых не было у его родителей.1 Исходя из такой скорости мутаций и нынешней численности человеческой популяции, исследователи предполагают, что почти все из примерно девяти миллиардов возможных однонуклеотидных изменений, совместимых с жизнью, уже присутствуют у населения Земли. Генетические варианты, изменяющие аминокислотную последовательность белка, вызывают треть всех известных генетических заболеваний человека.2,3 Однако ученые очень мало знают о том, как большинство этих однонуклеотидных мутаций влияет на функцию белка.

Теперь исследователи создали библиотеку Human Domainome 1, содержащую более полумиллиона миссенс-вариантов.4 Используя этот эталонный набор данных, самый большой в своем роде, команда проанализировала влияние вариантов белковых доменов на стабильность белков. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature, могут помочь ученым лучше понять, как вызывающие заболевания миссенс-варианты изменяют функцию белка, и проложить путь к персонализированному лечению генетических заболеваний человека.

Антони Белтран, молекулярный биолог из Центра регулирования генома, стремится понять, можно ли предсказать функцию белков на основе одной лишь их последовательности.

«Мы измерили все возможные мутации в этих [500 или около того] белковых [доменах]», - говорит Антони Белтран. «Таким образом, данные очень многочисленны и действительно хороши для прогнозирования».

Фредерик Рот, молекулярный генетик из Университета Торонто, не принимавший участия в исследовании, отметил ценность большого массива данных и его потенциальное влияние на лечение пациентов: "Это опережающая игра. Вместо того чтобы ждать, пока вы впервые увидите вариант у больного человека, и проводить анализ - зачастую спустя месяцы или годы, - вы делаете все заранее".

Большинство человеческих белков состоит из небольших, независимо складывающихся единиц, называемых доменами, которые придают молекулам различные функции. Поскольку белки большие, а значит, их сложно экспериментально клонировать и изучать, Бельтран и его коллеги сосредоточились на доменах из 127 различных семейств. Чтобы создать библиотеку Human Domainome 1, команда методично мутировала каждую аминокислоту во все 19 альтернатив в каждой позиции, создав более 500 000 вариантов в 522 белковых доменах.

«Цель проверить все варианты в геноме человека, [присутствующие] в функциональных областях [белков], ошеломляет», - сказал Рот. «Но я думаю, что эта работа делает действительно важное заявление о том, что масштабы достижимы».

Однонуклеотидные изменения могут влиять на различные свойства белка, такие как взаимодействие с другими клеточными молекулами, его численность или функциональный репертуар. Поскольку многие варианты, вызывающие заболевания, вероятно, снижают стабильность белка и, следовательно, его численность, исследователи сосредоточились на количественной оценке этих свойств. Чтобы провести анализ миллионов доменов, Белтран и его коллеги опирались на генетическую приспособленность дрожжей. Они присоединили каждый вариант белкового домена к ферменту, который необходим дрожжам, и оценили скорость роста клеток как косвенный показатель стабильности домена. Сравнивая количество белка до и после того, как клетки проходили период роста, Белтран и его команда могли определить, какие миссенс-варианты снижают стабильность белка. Эта стратегия позволила собрать и проанализировать сотни тысяч вариантов различных белков в одном эксперименте. Он заметил, что мутации, присутствующие в глубине доменов, более дестабилизируют белок, чем те, что находятся на поверхности, и что мутации к пролину являются наиболее вредными.

Далее команда исследователей выяснила, могут ли варианты, дестабилизирующие белки, с большей вероятностью вызывать заболевания. Домен 1 человека состоит из 621 известного патогенного варианта, которые повышают риск развития определенных заболеваний у носителей этих вариантов. Бельтран и его коллеги заметили, что аминокислотные изменения вызывают дестабилизацию белка в 61 проценте патогенных вариантов и 40 процентах доброкачественных вариантов. Для некоторых типов доменов, таких как стерильный альфа-мотив и LIM-домен 2, изменения в стабильности однозначно указывали на то, что эти варианты могут вызывать заболевания.

«Несмотря на то, что это разные белки, вызывающие разные заболевания, потеря стабильности является как бы объединяющим механизмом», - говорит Белтран. «Это важно, потому что если у нас есть общий способ восстановить их стабильность, это может стать важным шагом вперед в лечении этих заболеваний». Однако Рот отмечает, что если существует так много вариантов, которые не являются вредными, но при этом дестабилизируют белок, это говорит о том, что порог, установленный авторами исследования для того, что считается значимой дестабилизацией, может быть недостаточно высоким. «Самый интересный вопрос - »какая доля патогенных вариантов патогенна, потому что они потеряли стабильность?"

Затем исследователи обратили внимание на домены, имеющие клинически подтвержденные варианты, и количественно определили связь между стабильностью белка и склонностью к заболеваниям. Они обнаружили, что стабильность белка играет роль в рецессивных заболеваниях и в таких состояниях, как катаракта и лицевые расщелины, но не вносит существенного вклада в такие заболевания, как синдром Ретта и дистрофия сетчатки. Основной причиной этих заболеваний являются мутации в ДНК-связывающей последовательности белка, которые, как выяснили Бельтран и его команда, не вызывают сильной дестабилизации молекул.

В дальнейшем Бельтран планирует расширить исследование, включив в него более длинные домены и, возможно, целые белки, а также измерить другие свойства, такие как меж-белковые взаимодействия и агрегации. «Мы хотим иметь возможность предсказывать любые молекулярные функции на основе одних только белковых последовательностей», - сказал он.