U studiji objavljenoj u časopisu Priroda, istraživači iz Centra za genomsku regulaciju (CRG) i Vellcome Sanger instituta otkrili su da mutacije utiču na stabilnost proteina prateći izuzetno jednostavna pravila. Ovo otkriće ima duboke implikacije za ubrzanje razvoja novih tretmana za bolesti ili dizajn novih proteina sa industrijskom primenom.
Proteini su lanci sastavljeni od dvadeset različitih tipova manjih jedinica zvanih aminokiseline. Jedna mutacija menja jednu aminokiselinu drugom, menjajući oblik proteina. Ovo može označiti razliku između zdravlja i bolesti. Mnoge bolesti, uključujući rak i neurodegenerativne poremećaje, uzrokovane su više od jedne mutacije u proteinu.
Predviđanje kako mutacije menjaju oblik proteina je ključno za razumevanje njihovog doprinosa bolesti. Međutim, sa toliko aminokiselina u proteinu, postoji astronomski broj načina na koje se mutacije mogu kombinovati. Eksperimentalno testiranje svake moguće kombinacije da bi se videlo kako utiču na protein je praktično nemoguće.
„Postoji 17 milijardi različitih kombinacija proteina dužine 34 aminokiseline sa samo jednom promenom dozvoljenom na svakoj poziciji. Ako je bila potrebna samo jedna sekunda da testiramo jednu kombinaciju, trebalo bi nam ukupno 539 godina da pokušamo To nije izvodljiv eksperiment“, kaže Aina Marti Aranda, koautor studije koja je započela projekat u CRG-u i trenutno je doktorat. student na Vellcome Sanger institutu u Velikoj Britaniji.
Kako proteini postaju duži, različiti broj kombinacija raste eksponencijalno. Za protein dug sto aminokiselina, postoji više mogućih kombinacija nego što ima atoma u celom univerzumu. Ogromna većina poznatih proteina, posebno onih koji doprinose ljudskim bolestima, su mnogo duži.
Čak iu ovom ogromnom pejzažu mogućnosti, istraživanje koje je vodio dr Andre Faure iz Centra za genomsku regulaciju u Barseloni i ICREA istraživački profesor Ben Lehner, sa dvostrukom afilijacijom između CRG-a i Vellcome Sanger instituta, otkrilo je da uticaj mutacija na stabilnost proteina je predvidljivija nego što se ranije mislilo.
Godinama je postojala osnovna pretpostavka da bi dve mutacije mogle da deluju jedna na drugu na neočekivane načine, pojačavajući ili potiskujući efekte jedne druge. „Strah da dve mutacije mogu nepredvidivo da utiču na celu strukturu naterao nas je da koristimo neverovatno složene modele“, kaže Marti Aranda.
Studija je otkrila da iako mutacije deluju u interakciji, to je relativno retka pojava, a velika većina utiče na protein nezavisno jedna od druge.
„Naše otkriće okreće staro shvatanje naopačke, pokazujući da se beskrajne mogućnosti mutacija proteina svode na jednostavna pravila. Ne trebaju nam superkompjuteri da bismo predvideli ponašanje proteina — dovoljna su samo dobra merenja i jednostavna matematika“, kaže dr. Lehner.
Istraživači su došli do otkrića tako što su generisali hiljade varijanti proteina, od kojih svaka ima različite kombinacije mutacija koje bi mogle da proizvedu funkcionalne proteine. Zatim su testirali stabilnost proteina, generišući ogromnu količinu podataka o tome kako svaka mutacija i kombinacija mutacija utiču na proteine.
Eksperimentalni rezultati su usko odgovarali modelima koji pretpostavljaju da se ukupan efekat višestrukih mutacija može izračunati jednostavnim sabiranjem efekata svake pojedinačne mutacije.
Nalazi mogu pomoći da se bolje razumeju i ciljaju genetske bolesti. Na primer, neki genetski poremećaji su uzrokovani mnogim mutacijama u jednom proteinu. Pacijenti mogu imati različite kombinacije mutacija, zbog čega je teško predvideti težinu bolesti i odgovor na tretmane.
Sa novim shvatanjem da većina mutacija deluje nezavisno, kliničari mogu da pronađu nove načine da predvide kako različite kombinacije mutacija utiču na stabilnost i funkciju proteina. Ovo može dovesti do preciznijih prognoza i personalizovanih planova lečenja, poboljšavajući ishode pacijenata.
Studija takođe može dovesti do efikasnijeg razvoja lekova. Neki lekovi ispravljaju pogrešno savijene proteine, kao što je kod Alchajmerove bolesti, gde promenljivi oblik amiloid-beta proteina formiraju plakove u mozgu. Istraživači sada mogu bolje predvideti koje mutacije su najviše destabilizujuće i dizajnirati molekule koji specifično stabilizuju ove regione.
Studija takođe ima implikacije na biotehnologe koji koriste dizajn proteina za rešavanje različitih vrsta problema. Na primer, neki enzimi imaju sposobnost da razgrađuju plastiku u okruženju. Istraživači bi mogli da dizajniraju nove enzime sa poboljšanom aktivnošću i stabilnošću dodavanjem korisnih mutacija zajedno.
Iako je ovo otkriće značajan napredak, istraživači postavljaju neka ograničenja u studiji. Na primer, nisu uhvatili složenije interakcije koje uključuju tri ili više mutacija. U nekim proteinima, ove interakcije višeg reda mogu značajno uticati na stabilnost i ne predviđaju se jednostavnim sabiranjem pojedinačnih efekata.
Takođe, dok nalazi mogu dramatično smanjiti broj potrebnih eksperimenata, još uvek je neophodan određeni nivo eksperimentalne validacije da bi se potvrdila predviđanja, posebno za kritične primene kao što je razvoj lekova gde mogu postojati nepredviđeni efekti ili retke interakcije koje modeli ne obuhvataju.
