Доменом человека 1 - крупнейшая библиотека вариантов белков человека - раскрывает причину некоторых генетических заболеваний, открывая путь к созданию персонализированных лекарственных препаратов.
Каждый человек рождается с 50-100 генетическими изменениями, которых не было у его родителей. 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. Однако ученые очень мало знают о том, как большинство этих однонуклеотидных мутаций влияет на функцию белков.
Поэтому недавно исследователи создали библиотеку «Человеческий доменом 1», содержащую более полумиллиона миссенс-вариантов. Используя эту референсную базу данных, крупнейшую в своем роде, ученые проанализировали 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 белков, и проложить путь к персонализированному лечению генетических заболеваний человека.
«Мы проанализировали все возможные мутации в этих [500 или около того] белковых [доменах]», - рассказал Антони Бельтран, молекулярный биолог из испанского Центра геномного регулирования и соавтор исследования. «Таким образом, данные очень обширны и действительно хороши для прогнозирования». Фредерик Рот, молекулярный генетик из Университета Торонто, не принимавший участия в исследовании, отметил ценность этого большого массива данных и его потенциальное влияние на лечение пациентов: "Это опережающая игра. Вместо того чтобы ждать, пока вы впервые увидите вариант у пациента, и проводить анализ - зачастую спустя месяцы или годы - вы делаете все это 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 человеческого доменома 1, команда методично мутировала каждую аминокислоту во всех 19 альтернативах 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», - говорит Рот. «Но я думаю, что эта работа делает действительно важное утверждение о том, что эта цель достижима».
Однонуклеотидные изменения могут влиять на различные свойства белка, такие как взаимодействие с другими клеточными молекулами, его количество или функциональный репертуар. Поскольку многие варианты, вызывающие заболевания, вероятно, снижают стабильность белка и, следовательно, его содержание, исследователи сосредоточились на количественной оценке этих свойств. Чтобы провести анализ миллионов доменов, Бельтран и его коллеги использовали 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, ученые могли определить, какие миссенс-варианты снижают стабильность белка. Эта стратегия позволила им собрать и проанализировать сотни тысяч вариантов различных белков в одном эксперименте. Они обнаружили, что мутации, присутствующие в глубине доменов, более дестабилизируют белок, чем те, что находятся на поверхности, и что мутации пролина наносят наибольший вред.
Далее исследователи выяснили, 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% патогенных вариантов и 40% 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», - пояснил Бельтран. «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 является таковой?" - отмечает он.
Затем исследователи обратили внимание на домены, имеющие клинически подтвержденные варианты, и количественно определили связь между стабильностью белка и предрасположенностью к заболеваниям. Они обнаружили, что стабильность белка играет роль в рецессивных заболеваниях и в таких патологиях, как катаракт, 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 сотрудники, 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 белок-белковые взаимодействия и агрегации. «Мы хотим иметь возможность предсказывать любые молекулярные функции на основе одних только белковых последовательностей», - сообщил он.
