《Nature》最新发布的“人类结构域组”揭示隐秘的不稳定蛋白质

人类结构域组1包含一个巨大的蛋白质变体库。该目录包括522个人类蛋白质结构域的50多万个突变，这些蛋白质结构域决定了蛋白质的功能。

　　

根据发表在《Nature》杂志上的一篇题为《500个人类蛋白质结构域的位点饱和突变》的文章中对人类蛋白质变异的一项主要研究，大多数通过将一个氨基酸替换为另一个氨基酸而导致疾病的突变，都是通过使蛋白质不那么稳定来实现的。不稳定的蛋白质更容易错误折叠和降解，导致它们停止工作或在细胞内积聚有害的数量。

这项工作有助于解释为什么人类基因组的微小变化（错义突变）会在分子水平上引起疾病。研究人员发现，蛋白质不稳定是遗传性白内障形成的主要驱动因素之一，也会导致不同类型的神经、发育和肌肉萎缩疾病。

巴塞罗那基因组调控中心（CRG）和深圳华大基因（BGI）的科学家们研究了621种众所周知的致病错义突变。这些突变中有五分之三（61%）导致可检测到的蛋白质稳定性下降。

这项研究更密切地关注了一些致病突变。例如，- γ晶体蛋白是维持人眼晶状体清晰度所必需的蛋白质家族。他们发现72%（18个中有13个）与白内障形成有关的突变会破坏晶体蛋白的稳定性，使蛋白质更容易聚集在一起，在晶状体中形成不透明的区域。

该研究还将蛋白质不稳定与减少性肌病的发展联系起来，减少性肌病是一种罕见的疾病，会导致肌肉无力和消瘦，以及强直性睑球-外胚层缺陷-裂（AEC）综合征，一种以腭裂和其他发育症状为特征的疾病。

然而，一些致病突变并没有破坏蛋白质的稳定，并阐明了起作用的其他分子机制。

Rett综合征是一种神经系统疾病，会导致严重的认知和身体损伤。它是由MECP2基因突变引起的，MECP2基因产生一种负责调节大脑基因表达的蛋白质。该研究发现，MECP2的许多突变不会破坏这种蛋白质的稳定性，而是在影响MECP2与DNA结合以调节其他基因的区域发现的。这种功能的丧失可能会扰乱大脑的发育和功能。

“我们以前所未有的规模揭示了突变是如何在分子水平上引起疾病的，”该研究的第一作者、CRG研究员Antoni Beltran博士说。“通过区分突变是使蛋白质不稳定，还是在不影响稳定性的情况下改变其功能，我们可以制定更精确的治疗策略。这可能意味着开发稳定蛋白质的药物与开发抑制有害活动的药物之间的区别。这是迈向个性化医疗的重要一步。”

研究还发现，突变导致疾病的方式通常与疾病是隐性的还是显性的有关。显性遗传病发生时，一个突变基因的一个拷贝足以导致疾病，即使另一个拷贝是正常的；隐性遗传病发生时，一个人从父母那里继承了两个突变基因拷贝。

引起隐性疾病的突变更有可能使蛋白质不稳定，而引起显性疾病的突变通常会影响蛋白质功能的其他方面，例如与DNA或其他蛋白质的相互作用，而不仅仅是稳定性。

例如，该研究发现，对眼睛功能很重要的CRX蛋白的隐性突变会显著破坏该蛋白的稳定性，这可能会导致遗传性视网膜营养不良，因为缺乏稳定的功能性蛋白质会损害正常视力。然而，两种不同类型的显性突变意味着蛋白质保持稳定，但功能不正常，导致视网膜疾病，即使蛋白质的结构完好无损。

这些发现之所以成为可能，是因为人类结构域组1的创建，这是一个巨大的蛋白质变体库。该目录包括522个人类蛋白质结构域（决定蛋白质功能的蛋白质片段）中的50多万个突变。这是迄今为止最大的人类蛋白质结构域变异目录。

蛋白质结构域是特定的区域，可以折叠成一个稳定的结构，并独立于蛋白质的其余部分执行工作。人类结构域组1是通过系统地将这些结构域中的每个氨基酸改变为其他所有可能的氨基酸而产生的，从而创建了所有可能突变的目录。

这些突变对蛋白质稳定性的影响是通过将突变的蛋白质结构域引入酵母细胞中发现的。转化后的酵母只能产生一种突变的蛋白质结构域，培养物在试管中生长，条件是将蛋白质的稳定性与酵母的生长联系起来。如果突变蛋白是稳定的，酵母细胞就会生长得很好。如果蛋白质不稳定，酵母细胞的生长就会很差。

利用一种特殊技术，研究人员确保只有产生稳定蛋白质的酵母细胞才能存活和繁殖。通过比较酵母生长前后每个突变的频率，他们确定了哪些突变导致了稳定的蛋白质，哪些导致了不稳定。

尽管人类域组1比以前的蛋白质变异文库大4.5倍，但它仍然只覆盖了2.5%的已知人类蛋白质。随着研究人员增加目录的规模，致病突变对蛋白质不稳定性的确切贡献将变得越来越清楚。

与此同时，研究人员可以利用522个蛋白质结构域的信息推断出相似的蛋白质。这是因为突变通常对结构或功能相关的蛋白质有类似的影响。通过分析一组不同的蛋白质结构域，研究人员发现了突变如何影响蛋白质稳定性的模式，这些模式在相关蛋白质中是一致的。

“从本质上讲，这意味着来自一个蛋白质结构域的数据可以帮助预测突变如何影响同一家族或具有相似结构的其他蛋白质。来自这522个结构域的‘规则’足以帮助我们对目录中更多的蛋白质做出有根据的预测，”ICREA研究教授Ben Lehner博士解释说，他是该研究的通讯作者。

根据研究人员的说法，这项研究有局限性，他们研究的是孤立的蛋白质结构域，而不是全长蛋白质。在生物体中，蛋白质与蛋白质的其他部分以及细胞中的其他分子相互作用。这项研究可能无法完全捕捉到突变如何影响人类细胞内自然栖息地的蛋白质。科学家们计划通过研究更长的蛋白质结构域的突变来克服这个问题，并最终研究全长蛋白质。

“最终，我们希望绘制出每种可能突变对每种人类蛋白质的影响。这是一项雄心勃勃的努力，可以改变精准医疗，”Lehner总结道。

Site-saturation mutagenesis of 500 human protein domains