2025年1月8日に『Nature』誌に発表された大規模な研究によると、病気を引き起こすアミノ酸置換型の突然変異の多くは、タンパク質の安定性を低下させることで影響を及ぼしていることが判明しました。不安定なタンパク質は誤って折りたたまれたり、分解されたりしやすくなり、その結果、機能しなくなったり、細胞内に有害な量で蓄積したりする可能性があります。本研究のオープンアクセス論文は、「Site-Saturation Mutagenesis of 500 Human Protein Domains（500のヒトタンパク質ドメインにおける部位飽和変異導入）」と題されています。本研究は、ヒトゲノムにおける最小限の変化、いわゆるミスセンス変異が分子レベルでどのように病気を引き起こすのかを解明するのに貢献しました。研究者らは、タンパク質の不安定性が遺伝性白内障の主要な要因の一つであることを突き止め、さらに神経疾患、発達障害、筋萎縮性疾患にも関与していることを明らかにしました。
バルセロナのゲノム制御研究センター（Centre for Genomic Regulation：CRG）と深センのBGIの研究者らは、よく知られた病原性ミスセンス変異621種類を調査しました。その結果、全体の61%（3分の2以上）の変異がタンパク質の安定性を低下させることが確認されました。
研究では、特定の疾患関連変異を詳しく調査しました。例えば、ベータ-ガンマクリスタリン（beta-gamma crystallins）は、ヒトの眼のレンズの透明性を維持するために不可欠なタンパク質群です。研究者らは、白内障の発症と関連する変異のうち72%（18種類中13種類）がクリスタリンタンパク質の安定性を低下させ、タンパク質が凝集しやすくなり、レンズ内に不透明な領域を形成することを明らかにしました。
さらに、研究では還元小体ミオパチー（reducing body myopathy）という稀な疾患（筋力低下と筋萎縮を引き起こす）や、アンキロブレファロン-外胚葉異常-口蓋裂（AEC）症候群（ankyloblepharon-ectodermal defects-clefting: AEC Syndrome）（口蓋裂などの発達異常を特徴とする疾患）においても、タンパク質の不安定性が発症に関与していることが示されました。
しかし、一部の病原性変異はタンパク質の安定性を低下させず、異なる分子メカニズムが関与していることが判明しました。
レット症候群は、重度の認知・身体障害を引き起こす神経疾患です。この疾患はMECP2遺伝子の変異によって発症します。MECP2タンパク質は、脳内で遺伝子発現を制御する役割を担っています。本研究では、MECP2の変異の多くがタンパク質の安定性には影響を与えず、むしろDNA結合領域に集中していることが明らかになりました。これにより、MECP2の機能が損なわれ、脳の発達や機能に影響を及ぼしている可能性が示唆されました。
「私たちは前例のない規模で、突然変異が分子レベルでどのように病気を引き起こすのかを明らかにしました」と、本研究の筆頭著者であり、バルセロナのゲノム制御研究センター（CRG）の研究者であるアントニ・ベルトラン博士（Dr. Antoni Beltran）は述べています。「突然変異がタンパク質の安定性を低下させるのか、それとも機能を変化させるのかを区別することで、より精密な治療戦略を立てることが可能になります。これは、タンパク質を安定化させる薬を開発するのか、あるいは有害な活性を抑制する薬を作るのかという重要な選択に関わります。個別化医療（precision medicine）に向けた大きな前進です。」
研究では、突然変異が病気を引き起こすメカニズムと、その病気が劣性遺伝性か優性遺伝性かの関係についても明らかにしました。
優性遺伝疾患は、変異した遺伝子が1コピー存在するだけで発症する病気です。一方、劣性遺伝疾患は、両親から1コピーずつ変異遺伝子を受け継いだ場合にのみ発症します。
研究結果によると、劣性遺伝疾患を引き起こす変異は、タンパク質の安定性を低下させる傾向がありました。一方、優性遺伝疾患を引き起こす変異は、タンパク質の安定性よりも、DNAや他のタンパク質との相互作用に影響を与える傾向が見られました。
例えば、研究ではCRXタンパク質に関する異なるタイプの突然変異が、どのように遺伝性網膜ジストロフィーを引き起こすのかを調査しました。
CRXタンパク質は眼の機能に重要な役割を果たします。研究によると、劣性遺伝性の変異はCRXタンパク質を大幅に不安定化させることが確認されました。その結果、安定した機能的なタンパク質が不足し、正常な視力が損なわれる可能性があります。
一方で、優性遺伝性のCRX変異では、タンパク質の構造自体は安定しているものの、機能が正常に働かなくなることが判明しました。このため、正常なCRXタンパク質が存在していても、病気を引き起こす可能性があります。
この発見は、突然変異が病気を引き起こすメカニズムに応じて、異なる治療アプローチが必要であることを示唆しています。例えば、劣性遺伝疾患の場合はタンパク質を安定化させる治療が有効かもしれません。一方、優性遺伝疾患の場合は、異常な機能を持つタンパク質の影響を抑える治療が必要になる可能性があります。
この研究の成果は、Human Domainome 1と呼ばれる巨大なタンパク質変異ライブラリーの構築によって可能になりました。このライブラリーには522種類のヒトタンパク質ドメインにおける50万以上の突然変異が含まれており、これまでで最大規模のヒトタンパク質ドメイン変異カタログとなっています。
タンパク質ドメイン（protein domain）とは、タンパク質内の特定の領域であり、独立して安定した構造をとり、特定の機能を果たす部分のことです。研究チームは、これらのドメイン内のアミノ酸を1つずつ、可能なすべての異なるアミノ酸に置き換えることで、突然変異カタログを作成しました。
これらの突然変異がタンパク質の安定性に与える影響を調べるため、研究者らは変異を導入したタンパク質ドメインを酵母細胞に発現させました。実験では、酵母が特定の変異タンパク質しか作れないように調整し、成長速度をタンパク質の安定性と関連付けました。もし変異したタンパク質が安定していれば、酵母は正常に成長し、不安定であれば成長が著しく低下するという仕組みです。
さらに、特別な技術を用いて、安定したタンパク質を持つ酵母のみが生存・増殖できる環境を作り出しました。酵母の成長前後で各変異の頻度を比較することで、どの変異がタンパク質を不安定化させるのかを判定しました。
Human Domainome 1は、これまでのタンパク質変異ライブラリーと比べて約4.5倍の規模を誇ります。しかし、それでも既知のヒトタンパク質全体のわずか2.5%しかカバーしていません。今後、カタログの規模が拡大されることで、病原性突然変異がタンパク質の不安定化に与える影響の詳細がより明確になると期待されます。
とはいえ、現時点でも研究者は522種類のタンパク質ドメインのデータを活用し、類似したタンパク質に対する予測を行うことが可能です。これは、構造的または機能的に関連するタンパク質では、突然変異が似たような影響を与えることが多いためです。
研究チームは、様々なタンパク質ドメインを分析することで、突然変異がタンパク質の安定性に与える影響の一貫したパターンを発見しました。
「基本的に、あるタンパク質ドメインのデータを使うことで、同じファミリーの他のタンパク質や、構造が似ているタンパク質における突然変異の影響を予測できるということです。今回の522種類のドメインに関する『ルール』を活用すれば、カタログに含まれていない多くのタンパク質についても、ある程度の推測が可能になります」と語るのは、ICREAリサーチ教授であり、ゲノム制御研究センター（CRG）およびウェルカム・サンガー研究所に所属する ベン・レーナー博士（Ben Lehner, PhD）です。
本研究にはいくつかの制約があります。研究者らは、タンパク質全体ではなく、個々のタンパク質ドメインのみを対象に解析を行いました。しかし、実際の生体内では、タンパク質は他の領域や分子と相互作用しながら機能します。そのため、今回の研究では、突然変異が生体内でタンパク質にどのような影響を与えるかを完全には反映できていない可能性があります。
今後、研究チームはより長いタンパク質ドメインや、フルレングス（完全長）のタンパク質を用いた研究を進めることで、この課題を克服していく予定です。
「最終的には、ヒトのすべてのタンパク質におけるすべての可能な突然変異の影響をマッピングすることを目指しています。これは非常に野心的な試みですが、精密医療（precision medicine）を根本的に変革する可能性を秘めています」とレーナー博士は結論付けました。
画像：ヒト・ドメインノーム・バージョン1の概念図（Credit：Queralt Tolosa/Centro de Regulación Genómica）
