Nature | 利用大规模定点突变揭示蛋白质稳定性与疾病的关联

摘要：在人类基因组中，有超过20000个基因序列是用于编码蛋白质的，这类基因如果发生了错义突变，将影响蛋白产物的结构和功能。其中，近5000种与蛋白质有关的错义突变和单基因遗传病相关，如脊髓性肌肉萎缩症、地中海贫血、白化病等。然而，几乎对所有蛋白质而言，变异对其功能

在人类基因组中，有超过20000个基因序列是用于编码蛋白质的，这类基因如果发生了错义突变，将影响蛋白产物的结构和功能。其中，近5000种与蛋白质有关的错义突变和单基因遗传病相关，如脊髓性肌肉萎缩症、地中海贫血、白化病等。然而，几乎对所有蛋白质而言，变异对其功能的影响目前尚未被充分解析。

2025年1月8日，西班牙巴塞罗那基因组调控中心（CRG）联合华大生命科学研究院在Nature上发表了文章Site-saturation mutagenesis of 500 human protein domains，首次通过对522个人类蛋白质结构域的大规模定点突变研究，成功构建了名为“Human Domainome 1”的数据集，揭示了蛋白质稳定性在致病机制中的关键作用。

如果将细胞视为一个小小的建筑工地，氨基酸就像是工地上的原材料，如砖块；肽键就像是将原材料连接起来的“粘合剂”，如水泥；而根据DNA指令所形成的氨基酸序列则像是施工图纸，规定了原材料的排列顺序。

根据不同的“图纸”，氨基酸会连接成各异的多肽串。多肽串又经过弯曲、扣合，折叠成特定的三维结构，才能成为具有生物活性的蛋白质，继而发挥功能。

一条肽链上能独立折叠成紧密而稳定结构的任何氨基酸片段，被称为蛋白质结构域，其作为折叠的功能单元，为研究突变对蛋白质稳定性和功能的影响提供了理想模型。

本研究采用华大自主研发的高通量并行合成技术，构建了包含超过120万种蛋白质结构域突变体的深度饱和扫描突变文库。通过整合高通量测序和蛋白质丰度片段互补实验（aPCA）技术，该研究精准量化了突变对蛋白质稳定性的影响，发现突变对蛋白质核心区域的稳定性影响更为显著，而表面区域突变的影响较弱。该研究涵盖了195个全α （螺旋）、127个全β （折叠）、47个α+β等多种蛋白质结构类型，以及275个来自人类疾病基因的结构域，其中包含108个已注释的致病突变。