在人類基因組中，有超過 20000 個基因序列是用于編碼蛋白質(zhì)的，這類基因如果發(fā)生了錯義突變，將影響蛋白產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和功能。其中，近 5000 種與蛋白質(zhì)有關(guān)的錯義突變和單基因遺傳病相關(guān)，例如脊髓性肌肉萎縮癥、地中海貧血、白化病等等。
然而，幾乎對所有蛋白質(zhì)而言，變異對其功能的影響目前尚未被充分解析。
2025 年 1 月 8 日，西班牙巴塞羅那基因組調(diào)控中心（CRG）聯(lián)合華大生命科學(xué)研究院，在國際頂級學(xué)術(shù)期刊 Nature 上發(fā)表了題為：Site-saturation mutagenesis of 500 human protein domains 的研究論文。
該研究成功構(gòu)建了名為“Human Domainome 1”的數(shù)據(jù)集，這是一個巨大的蛋白質(zhì)變體庫，包括 522 個人類蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域的 50 多萬種突變，這也是迄今為止最大的人類蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域變體庫，揭示了蛋白質(zhì)穩(wěn)定性在致病機制中的關(guān)鍵作用。
如果將細(xì)胞視為一個小小的建筑工地，氨基酸就像是工地上的原材料（例如磚塊）；肽鍵就像是將原材料連接起來的“粘合劑”（例如水泥）；而根據(jù)DNA指令所形成的氨基酸序列則像是施工圖紙，規(guī)定了原材料的排列順序。
根據(jù)不同的“圖紙”，氨基酸會連接成各異的多肽串。多肽串又經(jīng)過彎曲、扣合，折疊成特定的三維結(jié)構(gòu)，才能成為具有生物活性的蛋白質(zhì)，進(jìn)而發(fā)揮功能。
一條肽鏈上能獨立折疊成緊密而穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的任何氨基酸片段，被稱為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域，其作為折疊的功能單元，為研究突變對蛋白質(zhì)穩(wěn)定性和功能的影響提供了理想模型。
在這項最新研究中，研究團(tuán)隊采用了華大自主研發(fā)的高通量并行合成技術(shù)，構(gòu)建了包含超過 120 萬種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域突變體的深度飽和掃描突變文庫。通過整合高通量測序和蛋白質(zhì)豐度片段互補實驗（aPCA）技術(shù)，該研究精準(zhǔn)量化了突變對蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)突變對蛋白質(zhì)核心區(qū)域的穩(wěn)定性影響更為顯著，而表面區(qū)域突變的影響較弱。該研究涵蓋了 195 個全 α（螺旋）、127 個全 β（折疊）、47 個 α+β 等多種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)類型，以及 275 個來自人類疾病基因的結(jié)構(gòu)域，其中包含 108 個已注釋的致病突變。
最終數(shù)據(jù)集中所保留結(jié)構(gòu)域中的結(jié)構(gòu)相似性網(wǎng)絡(luò)
通過 Boltzmann 熱力學(xué)模型，研究發(fā)現(xiàn)突變對穩(wěn)定性的效應(yīng)在結(jié)構(gòu)同源的蛋白中高度保守。利用該模型，研究團(tuán)隊進(jìn)一步預(yù)測了 7271 個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域中的超四百萬種突變，涵蓋了 13878 種臨床注釋突變，包括 1310 種致病變體和 951 種良性變體。
分析結(jié)果表明，52% 的致病變體均表現(xiàn)出穩(wěn)定性下降現(xiàn)象。而對整個數(shù)據(jù)集的分析發(fā)現(xiàn)，超過 60% 的致病性錯義突變會顯著降低蛋白質(zhì)穩(wěn)定性，從而揭示了蛋白質(zhì)穩(wěn)定性在疾病發(fā)生中的關(guān)鍵作用。
研究團(tuán)隊表示，團(tuán)隊的終極目標(biāo)是繪制出每一種人類蛋白質(zhì)的每一種可能的突變產(chǎn)生的影響。這是一項雄心勃勃的事業(yè)，可以改變精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)。
該研究所建立的高通量突變體庫構(gòu)建與解析能力，不僅提升了對臨床突變的解釋能力，還為蛋白質(zhì)家族域的全基因組研究提供了新途徑。未來，“Human Domainome 1”數(shù)據(jù)集有望成為基礎(chǔ)科學(xué)研究、臨床遺傳學(xué)及藥物開發(fā)領(lǐng)域的重要工具，推動人類基因組精確注釋和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的實現(xiàn)。
西班牙巴塞羅那基因組調(diào)控中心的 Antoni Beltran 博士為論文第一作者，華大生命科學(xué)研究院沈玥研究員、江湘兒副研究員為論文共同作者，巴塞羅那基因組調(diào)控中心 Ben Lehner 教授為通訊作者。該研究還得到了華大工程生物學(xué)長蕩湖研究所、常州新一產(chǎn)生命科技有限公司等機構(gòu)的大力支持。本研究得到了包括歐洲研究理事會（ERC）、西班牙科學(xué)與創(chuàng)新部、中國國家自然科學(xué)基金、江蘇省新研機構(gòu)等多項資助支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08370-4
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