Негенетические варианты белков расширяют протеом человека

Негенетические варианты белков могут появляться даже тогда, когда соответствующего изменения нет в последовательности ДНК. Работа, опубликованная в Nature, показывает, что путь от гена к готовому белку сам создаёт дополнительное разнообразие: одна и та же генетическая инструкция не всегда заканчивается одной и той же последовательностью аминокислот.

Авторы проанализировали большой набор протеогеномных данных из 29 здоровых тканей человека. Они сопоставляли информацию о РНК с результатами масс-спектрометрии, которая позволяет определять последовательности фрагментов белков. После строгой фильтрации исследователи получили 13 910 уверенно локализованных белковых вариантов, соответствующих 7 215 уникальным заменам одной аминокислоты.

В эту цифру входят варианты разного происхождения. Часть объясняется обычными генетическими различиями между людьми или соматическими изменениями. Но обнаружились и белковые варианты, для которых соответствующей замены на уровне РНК не находили. Именно эта группа особенно интересовала авторов.

Где появляется изменение, если ДНК его не содержит

Привычная схема выглядит просто: информация из ДНК переписывается в РНК, а рибосома по этой инструкции собирает белок из аминокислот.

Но оба этапа не абсолютно безошибочны. Ошибка может возникнуть при синтезе РНК или уже во время трансляции, когда рибосома читает кодоны и к растущей белковой цепи присоединяются аминокислоты. В результате небольшая часть молекул одного и того же белка может получить другую аминокислоту, хотя геном при этом остаётся прежним.

Авторы не ограничились поиском таких сигналов в больших наборах данных. Для некоторых выбранных белков негeнетические замены подтвердили экспериментально на очищенных белках.

Ещё одну проверку провели на клеточных линиях опухолевого происхождения. Когда клетки испытывали нехватку определённых аминокислот, характер замен менялся не хаотично: возникали специфические повторяющиеся паттерны. Это согласуется с идеей, что доступность аминокислот и работа аппарата трансляции могут систематически влиять на то, какие варианты белков появляются.

Однако происхождение нельзя установить одинаково уверенно для каждой обнаруженной молекулы. Если вариант не виден в РНК-секвенировании, это ещё не абсолютно исключает очень редкое генетическое или РНК-событие, которое не попало в выборку. Поэтому важную роль здесь играют сразу несколько независимых признаков и экспериментальные проверки отдельных замен.

За пределами возможностей одной мутации

У этого механизма есть необычное следствие.

Точечная мутация меняет одну букву ДНК. Поэтому исходный кодон может превратиться только в те кодоны, которые находятся от него на расстоянии одной нуклеотидной замены. Многие другие аминокислоты таким путём получить невозможно: для этого понадобилось бы сразу два или три изменения ДНК.

Ошибка при сборке белка не обязана соблюдать это ограничение. Рибосома или система, доставляющая ей аминокислоты, может поставить в цепь аминокислоту, до которой генетическому коду пришлось бы добираться несколькими мутациями.

Получается временный способ исследовать гораздо более широкое «пространство» белковых последовательностей без изменения самого генома.

Особенно интересно, что авторы нашли сотни негeнетических белковых форм, которые повторялись у нескольких здоровых людей или затрагивали уже известные функциональные участки белков. Само по себе попадание в такой участок ещё не доказывает, что конкретная замена полезна или вообще заметно меняет работу белка. Функциональное действие было непосредственно проверено лишь для части вариантов.

Главный результат работы поэтому шире обычного каталога ошибок синтеза. Последовательность ДНК задаёт основу белка, но не описывает абсолютно все его молекулы, существующие в клетке. Между геномом и протеомом есть ещё один уровень вариабельности — возникающий непосредственно в процессе реализации генетической информации.