רוב המוטציות הגורמות למחלה על ידי החלפת חומצת אמינו אחת באחרת עושות זאת על ידי הפיכת החלבון לפחות יציב, על פי מחקר מאסיבי של גרסאות חלבון אנושיות שפורסם היום בכתב העת טֶבַע. חלבונים לא יציבים נוטים יותר להתקפל ולהתפרק, ולגרום להם להפסיק לעבוד או להצטבר בכמויות מזיקות בתוך התאים.
העבודה עוזרת להסביר מדוע שינויים מינימליים בגנום האנושי, המכונה גם מוטציות מיסנס, גורמים למחלות ברמה המולקולרית. החוקרים גילו שאי יציבות חלבון היא אחד המניעים העיקריים להיווצרות קטרקט תורשתית, ותורמת גם לסוגים שונים של מחלות נוירולוגיות, התפתחותיות ומחלות שרירים.
חוקרים במרכז לרגולציה גנומית (CRG) בברצלונה וב-BGI בשנג'ן חקרו 621 מוטציות פספוס ידועות שגורמות למחלות. שלוש מתוך חמישה (61%) מהמוטציות הללו גרמו לירידה ניתנת לזיהוי ביציבות החלבון.
המחקר בחן מקרוב כמה מוטציות הגורמות למחלות. לדוגמה, קריסטליני בטא גמא הם משפחה של חלבונים החיוניים לשמירה על בהירות העדשה בעין האנושית. הם מצאו ש-72% (13 מתוך 18) מהמוטציות הקשורות להיווצרות קטרקט מערערות את היציבות של חלבונים גבישיים, מה שגורם לחלבונים להתקבץ יחד וליצור אזורים אטומים בעדשה.
המחקר גם קשר ישירות בין חוסר יציבות חלבון להתפתחות של מיופתיה מפחיתה בגוף, מצב נדיר הגורם לחולשת שרירים ולבזבוז, כמו גם תסמונת Ankyloblepharon-ectodermal defects-clefting (AEC), מצב המאופיין בהתפתחות של חיך שסוע. תסמינים התפתחותיים אחרים.
עם זאת, כמה מוטציות הגורמות למחלה לא ערערו את היציבות של חלבונים ושפכו אור על מנגנונים מולקולריים חלופיים.
תסמונת רט היא הפרעה נוירולוגית הגורמת לליקויים קוגניטיביים ופיזיים חמורים. היא נגרמת על ידי מוטציות בגן MECP2, המייצר חלבון האחראי על ויסות ביטוי הגנים במוח. המחקר מצא שמוטציות רבות ב-MECP2 אינן מערערות את החלבון אלא נמצאות באזורים המשפיעים על האופן שבו MECP2 נקשר ל-DNA כדי לווסת גנים אחרים. אובדן תפקוד זה עלול לשבש את התפתחות ותפקוד המוח.
"אנו חושפים, בקנה מידה חסר תקדים, כיצד מוטציות גורמות למחלות ברמה המולקולרית" אומר ד"ר אנטוני בלטראן, הכותב הראשון של המחקר וחוקר במרכז לרגולציה גנומית (CRG) בברצלונה.
על ידי הבחנה אם מוטציה מערערת חלבון או משנה את תפקודו מבלי להשפיע על היציבות, נוכל להתאים אסטרטגיות טיפול מדויקות יותר. זה יכול להיות ההבדל בין פיתוח תרופות המייצבות חלבון לעומת אלו המעכבות פעילות מזיקה. זהו צעד משמעותי לקראת רפואה מותאמת אישית".
ד"ר אנטוני בלטראן, המרכז לרגולציה גנומית
המחקר גם מצא שהדרך בה מוטציות גורמות למחלה קשורה לרוב לשאלה האם המחלה היא רצסיבית או דומיננטית. הפרעות גנטיות דומיננטיות מתרחשות כאשר די בעותק בודד של גן שעבר מוטציה כדי לגרום למחלה, גם אם העותק השני תקין, בעוד שמצבים רצסיביים מתרחשים כאשר אדם יורש שני עותקים של גן שעבר מוטציה, אחד מכל הורה.
מוטציות הגורמות להפרעות רצסיביות היו בסבירות גבוהה יותר לערער את היציבות של חלבונים, בעוד שמוטציות הגורמות להפרעות דומיננטיות השפיעו לעתים קרובות על היבטים אחרים של תפקוד החלבון, כגון אינטראקציות עם DNA או חלבונים אחרים, ולא רק על יציבות.
לדוגמה, המחקר מצא שמוטציה רצסיבית בחלבון CRX, החשובה לתפקוד העין, מערערת את החלבון באופן משמעותי, מה שעלול לגרום לניוון רשתית תורשתית מכיוון שהיעדר חלבון יציב ומתפקד פוגע בראייה תקינה. עם זאת, שני סוגים שונים של מוטציות דומיננטיות הביאו לכך שהחלבון נשאר יציב אך פעל באופן לא תקין בכל מקרה, וגרם למחלת רשתית למרות שמבנה החלבון שלם.
התגליות היו אפשריות הודות ליצירת Human Domainome 1, ספרייה עצומה של גרסאות חלבון. הקטלוג כולל יותר מחצי מיליון מוטציות על פני 522 תחומי חלבון אנושיים, חלקי חלבון שקובעים את תפקידו. זהו הקטלוג הגדול ביותר של גרסאות תחום חלבון אנושי עד כה.
תחומי חלבון הם אזורים ספציפיים שיכולים להתקפל למבנה יציב ולבצע עבודה ללא תלות בשאר החלבון. Human Domainome 1 נוצר על ידי שינוי שיטתי של כל חומצת אמינו בתחומים אלה לכל חומצת אמינו אפשרית אחרת, יצירת קטלוג של כל המוטציות האפשריות.
ההשפעה של מוטציות אלו על יציבות החלבון התגלתה על ידי החדרת תחומי חלבון שעברו מוטציה לתאי שמרים. השמרים שעברו טרנספורמציה יכלו לייצר רק סוג אחד של תחום חלבון שעבר מוטציה, ותרביות גודלו במבחנות בתנאים שקישרו בין יציבות החלבון לצמיחת השמרים. אם חלבון שעבר מוטציה היה יציב, תא השמרים היה גדל היטב. אם החלבון היה לא יציב, הצמיחה של תא השמרים הייתה גרועה.
באמצעות טכניקה מיוחדת, החוקרים הבטיחו שרק תאי השמרים המייצרים חלבונים יציבים יוכלו לשרוד ולהתרבות. על ידי השוואת התדירות של כל מוטציה לפני ואחרי גידול השמרים, הם קבעו אילו מוטציות הובילו לחלבונים יציבים ואילו גרמו לחוסר יציבות.
למרות ש-Human Domainome 1 גדול פי 4.5 מספריות קודמות של גרסאות חלבון, הוא עדיין מכסה רק 2.5% מהחלבונים האנושיים הידועים. ככל שהחוקרים יגדילו את גודל הקטלוג, התרומה המדויקת של מוטציות הגורמות למחלות לאי-יציבות החלבון תתברר יותר ויותר.
בינתיים, החוקרים יכולים להשתמש במידע מ-522 תחומי החלבון כדי לבצע אקסטרפולציה לחלבונים דומים. הסיבה לכך היא שלעתים קרובות יש למוטציות השפעות דומות על חלבונים הקשורים מבחינה מבנית או תפקודית. על ידי ניתוח מערך מגוון של תחומי חלבון, החוקרים גילו דפוסים כיצד מוטציות משפיעות על יציבות החלבון העקביות בין חלבונים קשורים.
"בעיקרון, זה אומר שנתונים מתחום חלבון אחד יכולים לעזור לחזות כיצד מוטציות ישפיעו על חלבונים אחרים באותה משפחה או עם מבנים דומים. ה'חוקים' מ-522 התחומים האלה מספיקים כדי לעזור לנו לעשות תחזיות מושכלות לגבי הרבה יותר חלבונים מאשר יש בקטלוג", מסביר פרופסור המחקר של ICREA בן להנר, מחבר המחקר המקביל עם השתייכות כפולה במרכז לרגולציה גנומית ובוולקום מכון סנגר.
למחקר יש מגבלות. החוקרים בחנו תחומי חלבון בבידוד ולא בתוך חלבונים באורך מלא. באורגניזמים חיים, חלבונים מקיימים אינטראקציה עם חלקים אחרים של החלבון ועם מולקולות אחרות בתא. ייתכן שהמחקר לא יתפוס באופן מלא כיצד מוטציות משפיעות על חלבונים בבית הגידול הטבעי שלהם בתוך תאים אנושיים. החוקרים מתכננים להתגבר על זה על ידי לימוד מוטציות בתחומי חלבון ארוכים יותר, ובסופו של דבר, חלבונים באורך מלא.
"בסופו של דבר, אנחנו רוצים למפות את ההשפעות של כל מוטציה אפשרית על כל חלבון אנושי. זה מאמץ שאפתני, וכזה שיכול לשנות את הרפואה המדויקת", מסכם ד"ר להנר.
