La plupart des mutations qui provoquent des maladies en remplaçant un acide aminé par un autre le font en rendant la protéine moins stable, selon une étude massive sur les variantes de protéines humaines publiée aujourd'hui dans la revue Nature. Les protéines instables sont plus susceptibles de mal se replier et de se dégrader, ce qui les empêche de fonctionner ou s’accumule en quantités nocives à l’intérieur des cellules.
Ces travaux contribuent à expliquer pourquoi des changements minimes dans le génome humain, également appelés mutations faux-sens, provoquent des maladies au niveau moléculaire. Les chercheurs ont découvert que l’instabilité des protéines est l’un des principaux facteurs responsables de la formation de cataractes héréditaires et contribue également à différents types de maladies neurologiques, développementales et de fonte musculaire.
Des chercheurs du Centre de régulation génomique (CRG) de Barcelone et du BGI de Shenzhen ont étudié 621 mutations faux-sens bien connues causant des maladies. Trois mutations sur cinq (61 %) ont entraîné une diminution détectable de la stabilité des protéines.
L’étude a examiné de plus près certaines mutations pathogènes. Par exemple, les cristallines bêta-gamma sont une famille de protéines essentielles au maintien de la clarté du cristallin de l’œil humain. Ils ont découvert que 72 % (13 sur 18) des mutations liées à la formation de la cataracte déstabilisent les protéines cristallines, les rendant plus susceptibles de s’agglutiner et de former des régions opaques dans le cristallin.
L'étude a également directement lié l'instabilité des protéines au développement d'une myopathie corporelle réductrice, une maladie rare qui provoque une faiblesse musculaire et une atrophie, ainsi qu'au syndrome de fente palatine ankyloblépharon-ectodermique (AEC), une maladie caractérisée par le développement d'une fente palatine et d'autres symptômes de développement.
Cependant, certaines mutations pathogènes n’ont pas déstabilisé les protéines et ont mis en lumière d’autres mécanismes moléculaires en jeu.
Le syndrome de Rett est un trouble neurologique qui entraîne de graves déficiences cognitives et physiques. Elle est causée par des mutations du gène MECP2, qui produit une protéine responsable de la régulation de l'expression des gènes dans le cerveau. L'étude a révélé que de nombreuses mutations de MECP2 ne déstabilisent pas la protéine mais se trouvent plutôt dans des régions qui affectent la manière dont MECP2 se lie à l'ADN pour réguler d'autres gènes. Cette perte de fonction pourrait perturber le développement et le fonctionnement du cerveau.
« Nous révélons, à une échelle sans précédent, comment les mutations provoquent des maladies au niveau moléculaire », explique le Dr Antoni Beltran, premier auteur de l'étude et chercheur au Centre de régulation génomique (CRG) de Barcelone.
En distinguant si une mutation déstabilise une protéine ou modifie sa fonction sans affecter sa stabilité, nous pouvons adapter des stratégies de traitement plus précises. Cela pourrait faire la différence entre le développement de médicaments qui stabilisent une protéine et ceux qui inhibent une activité nocive. C'est une étape importante vers une médecine personnalisée.
Dr Antoni Beltran, Centre de régulation génomique
L'étude a également révélé que la manière dont les mutations provoquent la maladie est souvent liée au fait que la maladie soit récessive ou dominante. Les troubles génétiques dominants surviennent lorsqu'une seule copie d'un gène muté suffit à provoquer la maladie, même si l'autre copie est normale, tandis que les conditions récessives surviennent lorsqu'un individu hérite de deux copies d'un gène muté, une de chaque parent.
Les mutations provoquant des troubles récessifs étaient plus susceptibles de déstabiliser les protéines, tandis que les mutations provoquant des troubles dominants affectaient souvent d'autres aspects de la fonction des protéines, tels que les interactions avec l'ADN ou d'autres protéines, plutôt que simplement la stabilité.
Par exemple, l’étude a révélé qu’une mutation récessive de la protéine CRX, importante pour la fonction oculaire, déstabilise considérablement la protéine, ce qui pourrait provoquer des dystrophies rétiniennes héréditaires, car l’absence d’une protéine stable et fonctionnelle altère la vision normale. Cependant, deux types différents de mutations dominantes signifiaient que la protéine restait stable mais fonctionnait de toute façon de manière incorrecte, provoquant une maladie rétinienne même si la structure de la protéine était intacte.
Ces découvertes ont été possibles grâce à la création du Human Domainome 1, une énorme bibliothèque de variantes protéiques. Le catalogue comprend plus d’un demi-million de mutations dans 522 domaines protéiques humains, les éléments d’une protéine qui déterminent sa fonction. Il s’agit du plus grand catalogue de variantes de domaines protéiques humains à ce jour.
Les domaines protéiques sont des régions spécifiques qui peuvent se replier dans une structure stable et effectuer un travail indépendamment du reste de la protéine. Le Domainome humain 1 a été créé en remplaçant systématiquement chaque acide aminé de ces domaines par tous les autres acides aminés possibles, créant ainsi un catalogue de toutes les mutations possibles.
L’impact de ces mutations sur la stabilité des protéines a été découvert en introduisant des domaines protéiques mutés dans des cellules de levure. La levure transformée ne pouvait produire qu'un seul type de domaine protéique muté, et les cultures étaient cultivées dans des tubes à essai dans des conditions liant la stabilité de la protéine à la croissance de la levure. Si une protéine mutée était stable, la cellule de levure se développerait bien. Si la protéine était instable, la croissance des cellules de levure serait médiocre.
Grâce à une technique spéciale, les chercheurs ont veillé à ce que seules les cellules de levure produisant des protéines stables puissent survivre et se multiplier. En comparant la fréquence de chaque mutation avant et après la croissance de la levure, ils ont déterminé quelles mutations conduisaient à des protéines stables et lesquelles provoquaient une instabilité.
Bien que Human Domainome 1 soit environ 4,5 fois plus grand que les bibliothèques précédentes de variantes protéiques, il ne couvre toujours que 2,5 % des protéines humaines connues. À mesure que les chercheurs augmentent la taille du catalogue, la contribution exacte des mutations pathogènes à l’instabilité des protéines deviendra de plus en plus claire.
En attendant, les chercheurs peuvent utiliser les informations provenant des 522 domaines protéiques pour extrapoler à des protéines similaires. En effet, les mutations ont souvent des effets similaires sur des protéines structurellement ou fonctionnellement liées. En analysant un ensemble diversifié de domaines protéiques, les chercheurs ont découvert des modèles dans la manière dont les mutations affectent la stabilité des protéines, qui sont cohérents entre les protéines apparentées.
« Essentiellement, cela signifie que les données d'un domaine protéique peuvent aider à prédire l'impact des mutations sur d'autres protéines de la même famille ou avec des structures similaires. Les « règles » de ces 522 domaines sont suffisantes pour nous aider à faire des prédictions éclairées sur beaucoup plus de protéines que il y en a dans le catalogue », explique Ben Lehner, professeur de recherche à l'ICREA, auteur correspondant de l'étude avec double affiliation au Center for Genomic Regulator et au Wellcome Sanger Institute.
L'étude a des limites. Les chercheurs ont examiné les domaines protéiques isolément plutôt que dans des protéines complètes. Dans les organismes vivants, les protéines interagissent avec d’autres parties de la protéine et avec d’autres molécules de la cellule. L’étude pourrait ne pas pleinement comprendre comment les mutations affectent les protéines dans leur habitat naturel à l’intérieur des cellules humaines. Les chercheurs prévoient de surmonter ce problème en étudiant les mutations dans des domaines protéiques plus longs et, éventuellement, dans des protéines complètes.
« En fin de compte, nous voulons cartographier les effets de chaque mutation possible sur chaque protéine humaine. Il s'agit d'un projet ambitieux qui peut transformer la médecine de précision », conclut le Dr Lehner.
