Одним из самых больших сюрпризов, которые возникли, когда человеческий геном был впервые секвенирован более 20 лет назад, было то, как мало генов он содержал, менее одной трети от числа, которое предсказывали некоторые ученые. Казалось, что менее 30 000 генов и кодируемых ими белков достаточно для построения и функционирования человеческого тела; недавние подсчеты сместились еще ниже, примерно до 20 000. Но новый систематический анализ того, что некоторые называют «темным протеомом», предполагает, что ученые пропустили тысячи нетрадиционных генов, которые скрываются в ранее упускаемых из виду участках генома и производят белки меньше среднего размера.
Недавно описанные гены и их продукты могут перевернуть аспекты человеческой биологии и ускорить медицинские открытия. Например, один из недавно обнаруженных генов производит миниатюрный белок, который, по-видимому, является ключом к детскому раку.
«Пока мы не узнаем, какие белки входят в состав темного протеома и каков их вклад, наши возможности лечения заболеваний будут ограничены», — говорит Алан Сагателян, химик-биолог из Института биологических исследований Солка, который не принимал участия в новом исследовании, описанном в препринте, опубликованном на bioRxiv .
Один из руководителей анализа, Джон Пренснер, начал изучать темный протеом, потому что многие его поиски среди известных генов генов, связанных с раком, оказались безрезультатными. «Мне стало интересно, что может предложить остальная часть генома», — вспоминает Пренснер.
Он и его коллеги расширили стандартное определение гена, который обычно считается состоящим из длинной кодирующей белок последовательности ДНК, известной как открытая рамка считывания (ORF), которая имеет сигналы, сообщающие клетке, где начинать и заканчивать ее считывание. Клетка транскрибирует последовательность ORF в информационную РНК, которая отправляется на клеточные фабрики, называемые рибосомами, которые собирают аминокислотные последовательности в белки. Типичной ORF также предшествует фрагмент ДНК, который привлекает белки, необходимые для считывания гена. И для большинства исследователей ORF квалифицировалась как ген, если она кодировала белок со 100 или более аминокислотами.
Но биологи, изучающие все, от дрожжей до змей и людей, недавно обнаружили множество так называемых неканонических ORF, в которых отсутствуют эти вводные фрагменты и которые короче среднего. Тем не менее, они часто транскрибируются в РНК, и метод, известный как рибосомное профилирование, или Ribo-Seq, показал, что многие из транскрибированных РНК прикрепляются к рибосомам, где они могут транслироваться в короткие аминокислотные цепочки — даже белки с менее чем дюжиной аминокислот.
Даже тогда многие ученые отвергли полученные минипротеины как неважные, ожидая, что это будет «шум», который быстро деградирует. Было очень сложно убедить людей, что эти ORF заслуживают серьезного внимания, говорит Джи-Янг Юн, биохимик из Больницы для больных детей в Торонто.
Но около 3 лет назад Пренснер и его коллеги продемонстрировали, что раковые клетки содержат около 550 таких микропротеинов. Двумя годами ранее Себастьян ван Хеш, системный биолог из Центра детской онкологии принцессы Максимы при Oncode Institute, обнаружил похожее количество крошечных белков в сердечной ткани. «Мы с Себастьяном нашли эти гены, которые очень, очень крутые, и мы подумали, что мир должен о них узнать», — говорит Пренснер.
Поэтому они объединились со специалистом по аннотации генов Джонатаном Маджем из GENCODE, базы данных официально признанных генов, и в конечном итоге наняли несколько десятков других исследователей из 20 учреждений на четырех континентах, чтобы помочь оценить, сколько существует человеческих неканонических ORF. Это «стало своего рода суперконсорциумом, чтобы навести порядок в относительно новой области», говорит Фергал Мартин, вычислительный биолог из Европейского института биоинформатики Европейской лаборатории молекулярной биологии
Эта группа не проводила собственные эксперименты, а исследовала то, что сделали другие, сначала прочесав статьи по профилированию рибосом. К 2022 году ученые отследили 7264 неканонических ORF в геноме человека. С помощью Human Proteome Organization , которая стремится каталогизировать все человеческие белки, и PeptideAtlas, который собирает данные масс-спектрометрии белков, они решили показать, что эти ORF производят белки.
Это было «большой проблемой», отмечает Юн. Консорциум просмотрел архив данных масс-спектрометрии PeptideAtlas на предмет небольших белков, соответствующих последовательностям ORF, и отсортировал опубликованные эксперименты, в которых каталогизировались фрагменты белков, обнаруженные иммунной системой человека, цветущая область, называемая иммунопептидомикой. В целом они подтвердили, что четверть из 7264 неканонических ORF, которые они подсчитали, образовывали белки, всего около 3000. (ORF можно прочитать несколькими способами, чтобы образовать более одного белка.)
Недавно обнаруженные мини-протеины «помогают составить более полную картину кодирующей части генома человека», — говорит генетик Стэнфордского университета Эми Бхатт, чьи собственные исследования изучали темный протеом микробов.
Они также дают ученым новые биомедицинские цели для изучения. Пренснер и ван Хеш уже начали следить за ORF и его мини-белком, которые они идентифицировали в начале своих исследований темного протеома. Используя редактор генов CRISPR для введения мутаций в ORF, они смогли изучить важность этого белка в раковых клетках. Несмотря на небольшой размер, продукт ORF необходим для выживания опухолей медуллобластомы, рака мозга, который поражает детей.
«Не каждый день удается открыть направление исследований и сказать: «У нас может быть совершенно новый класс лекарственных мишеней для пациентов», — говорит Пренснер. Этот мини-протеин не был в первоначальном анализе генома человека, но «он играет решающую роль в медуллобластоме», — соглашается Сагателян.
Другой соавтор препринта, Томас Мартинес, биохимик белков из Калифорнийского университета в Ирвайне, и его команда ищут крошечные белки, участвующие в раке поджелудочной железы и метаболических заболеваниях. «Я больше всего воодушевлен переводом микропротеинов в терапевтические усилия, надеюсь, как биомаркеров, так и лекарственных мишеней», — говорит Мартинес. «Как только этот барьер будет преодолен, я думаю, интерес к этой области резко возрастет».
Хотя Мартинес доволент тем, как много темного протеома было раскрыто, Юн считает, что еще многое предстоит узнать. Работа, проделанная ее командой и другими, проливает лишь «лучи света», говорит она, на невидимую популяцию мини-протеинов. Ее команда совершенствует методы масс-спектрометрии для обнаружения все более мелких молекул и надеется использовать их для поиска мини-протеинов, которые играют роль в развитии мозга.
Что все это оставляет с подсчетом человеческих генов? Темный протеом явно увеличил общее количество, но никто не знает истинного числа.
«Моя интуиция подсказывает, что цифра, вероятно, не превысит 100 000, — говорит Мартинес, — но 50 000 вполне возможны».
