Человеческий «доменом» раскрывает первопричину наследственных заболеваний
Большинство мутаций, вызывающих заболевания путем замены одной аминокислоты на другую, делают белок менее стабильным, согласно масштабному исследованию вариантов человеческого белка, опубликованному в журнале Nature . Нестабильные белки с большей вероятностью неправильно сворачиваются и деградируют, что приводит к тому, что они перестают работать или накапливаются во вредных количествах внутри клеток.
Работа помогает объяснить, почему минимальные изменения в геноме человека, также известные как миссенс-мутации, вызывают заболевания на молекулярном уровне. Исследователи обнаружили, что нестабильность белка является одним из основных факторов формирования наследственной катаракты, а также способствует различным типам неврологических, связанных с развитием и мышечной атрофией заболеваний.
Исследователи из Центра геномной регуляции (CRG) в Барселоне и BGI в Шэньчжэне изучили 621 известную миссенс-мутацию, вызывающую заболевания. Три из пяти (61%) этих мутаций вызвали заметное снижение стабильности белка.
Исследование более подробно рассмотрело некоторые мутации, вызывающие заболевания. Например, бета-гамма-кристаллины — это семейство белков, необходимых для поддержания прозрачности хрусталика глаза человека. Они обнаружили, что 72% (13 из 18) мутаций, связанных с образованием катаракты, дестабилизируют белки кристаллинов, что повышает вероятность их слипания и образования непрозрачных областей в хрусталике.
Играть
00:00
00:07
Немой
Настройки
ПИП
Перейти в полноэкранный режим
Играть
Вращающийся вид белка бета-кристаллина A3. Цвет отображает чувствительность каждого аминокислотного остатка к мутациям, т.е. насколько он важен для стабильности. Чем краснее, тем важнее. Видео показывает, что многие внутренние сайты важны для стабильности. Автор: Антони Бельтран/Centro de Regulación Genómica
Исследование также напрямую связало нестабильность белка с развитием миопатии редукционного тела — редкого заболевания, вызывающего мышечную слабость и атрофию, а также синдрома анкилоблефарон-эктодермальных дефектов-расщепления (AEC) — состояния, характеризующегося развитием расщелины неба и других симптомов развития.
Однако некоторые мутации, вызывающие заболевания, не дестабилизируют белки и проливают свет на альтернативные молекулярные механизмы, действующие в этом процессе.
Синдром Ретта — неврологическое расстройство , вызывающее серьезные когнитивные и физические нарушения. Он вызван мутациями в гене MECP2, который производит белок, отвечающий за регуляцию экспрессии генов в мозге.
Исследование показало, что многие мутации в MECP2 не дестабилизируют белок, а вместо этого обнаруживаются в областях, которые влияют на то, как MECP2 связывается с ДНК для регулирования других генов. Эта потеря функции может нарушать развитие и функционирование мозга.
«Мы раскрываем в беспрецедентном масштабе, как мутации вызывают заболевания на молекулярном уровне », — говорит доктор Антони Бельтран, первый автор исследования и научный сотрудник Центра геномной регуляции (CRG) в Барселоне.
«Выявив, дестабилизирует ли мутация белок или изменяет его функцию, не влияя на стабильность, мы можем разрабатывать более точные стратегии лечения. Это может означать разницу между разработкой препаратов, стабилизирующих белок, и тех, которые подавляют вредную активность. Это значительный шаг к персонализированной медицине».
Исследование также показало, что способ, которым мутации вызывают заболевание, часто связан с тем, является ли заболевание рецессивным или доминантным. Доминантные генетические нарушения возникают, когда одной копии мутировавшего гена достаточно, чтобы вызвать заболевание, даже если другая копия нормальная, в то время как рецессивные состояния возникают, когда человек наследует две копии мутировавшего гена, по одной от каждого родителя.
Мутации, вызывающие рецессивные нарушения, с большей вероятностью дестабилизируют белки, в то время как мутации, вызывающие доминантные нарушения, часто затрагивают другие аспекты функционирования белков, такие как взаимодействие с ДНК или другими белками, а не только стабильность.
Например, исследование показало, что рецессивная мутация в белке CRX, который важен для функции глаз, существенно дестабилизирует белок, что может вызывать наследственные дистрофии сетчатки, поскольку отсутствие стабильного, функционального белка ухудшает нормальное зрение.
Однако два различных типа доминантных мутаций привели к тому, что белок остался стабильным, но все равно начал функционировать неправильно, вызывая заболевание сетчатки, даже если структура белка осталась нетронутой.
Открытия стали возможны благодаря созданию Human Domainome 1, огромной библиотеки вариантов белков. Каталог включает более полумиллиона мутаций в 522 доменах человеческих белков, фрагментах белка, которые определяют его функцию. Это крупнейший каталог вариантов доменов человеческих белков на сегодняшний день.
Домены белка — это особые области, которые могут складываться в стабильную структуру и выполнять работу независимо от остальной части белка. Человеческий доменом 1 был создан путем систематической замены каждой аминокислоты в этих доменах на каждую другую возможную аминокислоту, создавая каталог всех возможных мутаций.
Влияние этих мутаций на стабильность белка было обнаружено путем введения мутировавших доменов белка в клетки дрожжей . Трансформированные дрожжи могли производить только один тип мутировавшего домена белка, и культуры выращивались в пробирках в условиях, которые связывали стабильность белка с ростом дрожжей. Если мутировавший белок был стабильным, дрожжевая клетка росла хорошо. Если белок был нестабильным, рост дрожжевой клетки был плохим.
Используя специальную технику, исследователи гарантировали, что выживут и будут размножаться только те дрожжевые клетки, которые производят стабильные белки. Сравнивая частоту каждой мутации до и после роста дрожжей, они определили, какие мутации привели к стабильным белкам, а какие вызвали нестабильность.
Хотя Human Domainome 1 примерно в 4,5 раза больше предыдущих библиотек вариантов белков, он по-прежнему охватывает только 2,5% известных человеческих белков. По мере того, как исследователи увеличивают размер каталога, точный вклад мутаций, вызывающих болезни, в нестабильность белков будет становиться все более очевидным.
В то же время исследователи могут использовать информацию из 522 доменов белков для экстраполяции на белки, которые похожи. Это связано с тем, что мутации часто оказывают схожее воздействие на белки, которые структурно или функционально связаны. Анализируя разнообразный набор доменов белков, исследователи обнаружили закономерности того, как мутации влияют на стабильность белков, которые совпадают для родственных белков.
«По сути, это означает, что данные из одного домена белка могут помочь предсказать, как мутации повлияют на другие белки в том же семействе или со схожей структурой. «Правил» из этих 522 доменов достаточно, чтобы помочь нам делать обоснованные прогнозы относительно гораздо большего количества белков, чем указано в каталоге», — объясняет профессор-исследователь ICREA Бен Ленер, автор-корреспондент исследования, имеющий двойную принадлежность к Центру геномной регуляции и Институту Уэллкома Сэнгера.
Исследование имеет ограничения. Исследователи исследовали домены белков изолированно, а не внутри полноразмерных белков. В живых организмах белки взаимодействуют с другими частями белка и с другими молекулами в клетке.
Исследование может не полностью охватить то, как мутации влияют на белки в их естественной среде обитания внутри человеческих клеток. Исследователи планируют преодолеть это, изучая мутации в более длинных белковых доменах и, в конечном итоге, полноразмерных белках.
«В конечном итоге мы хотим составить карту эффектов каждой возможной мутации на каждый человеческий белок. Это амбициозная задача, которая может трансформировать точную медицину», — заключает доктор Ленер.