Nature｜非遗传氨基酸替换扩展人类蛋白质组多样性

撰文 | 阿童木

基因组为蛋白质合成提供了基本蓝图，但人类蛋白质组的复杂性远非约2万个经典蛋白编码基因所能概括。可变剪接、翻译后修饰、遗传变异以及转录和翻译过程中的错误，都能够产生结构或功能不同的蛋白质形式，从而扩展细胞表型的多样性【1】。

其中，杂合性和体细胞突变从DNA层面增加蛋白质差异。母源和父源等位基因可产生性质略有不同的蛋白，而体细胞突变则进一步形成细胞间的遗传异质性【2】。某些变异甚至具有适应性意义，例如B细胞通过体细胞高频突变主动扩大抗体多样性。

相比之下，由转录或翻译错误产生的“表型变异体”无需改变DNA序列，却更加普遍【3】。尤其是翻译过程中发生的氨基酸错误掺入、移码或终止密码子通读，可使单个细胞产生数量巨大的异常蛋白。传统观点认为，这些错误主要造成蛋白质错误折叠、聚集和蛋白稳态压力，并与神经退行性疾病等病理过程相关。然而，越来越多的证据表明，部分翻译错误也可能产生新的功能状态，提高细胞在环境压力下的适应能力，甚至为长期进化提供可选择的表型。因此，一个关键问题是：细胞究竟如何调控翻译错误的发生，并在其潜在危害与适应性收益之间取得平衡？

近日，魏茨曼科学研究所的Yitzhak Pilpel和Vyacheslav Tretyachenko等在Nature杂志以加速预览形式发表了题为Encoded and non-genetic protein variants expand human functional proteome的研究文章。作者通过大规模蛋白质组与转录组联合分析，在正常人体组织中鉴定出大量遗传和非遗传氨基酸替换。非遗传蛋白变体具有特定替换谱，可受氨基酸缺乏和蛋白酶体降解影响，并在不同个体及蛋白功能位点反复出现，提示翻译产生的低频蛋白变体可能进一步扩展人类功能蛋白质组。

为了系统鉴定蛋白质中的单氨基酸替换，研究人员首先对正常蛋白质组进行常规质谱搜索，再对已经鉴定的肽段进行计算机模拟替换，生成候选肽段，并重新搜索此前无法鉴定的质谱信号。候选结果随后经过多层验证，包括排除翻译后修饰等可能解释、确定具体替换位置，并利用对应的RNA测序数据判断这种蛋白质替换是否存在转录本层面的遗传依据。

利用这一流程，作者在健康人体组织中鉴定出13,910次氨基酸替换事件，对应7,215种不同的替换。其中一部分能够在RNA中找到相应序列变化，包括杂合遗传变异和低频体细胞变异；另一大部分只在蛋白质水平检测到，而在RNA中缺乏对应证据。作者认为，后者中相当一部分可能来源于转录或翻译错误，尤其是蛋白质翻译过程中的错译。

进一步比较蛋白质和RNA层面的替换比例后，研究人员发现，不同来源的蛋白变体呈现出不同的丰度特征。典型杂合遗传变异在RNA和蛋白质水平通常接近1∶1，而大量缺乏RNA证据的非遗传蛋白变体则以较低丰度存在，其平均水平约为参考蛋白的数百分之一。当作者进一步将这些蛋白变体与人群遗传变异频率进行比较时发现，一个氨基酸替换如果在人群中作为遗传变异较为常见，那么相同替换作为非遗传蛋白变体时，往往也更容易在蛋白质组中积累，这提示遗传变异和非遗传蛋白变体可能受到部分相似的蛋白稳定性和功能约束。

非遗传蛋白变体的产生方式也明显不同于普通DNA突变。绝大多数具有RNA支持的遗传变异只需要一个核苷酸发生变化，而相当一部分非遗传氨基酸替换如果通过DNA突变产生，则需要密码子中两个甚至三个碱基同时变化。因此，这些替换更符合转运RNA错误识别、氨基酸错误装载或核糖体错译等非遗传机制。此外，这些翻译错误并非随机分布，而表现出明显的方向偏好。部分替换类型反复出现，并能与已知的转运RNA识别或氨酰转运RNA合成酶校对机制联系起来。这进一步说明，人类蛋白质组中的非遗传氨基酸替换具有一定的生化规律。

作者随后分析了不同氨基酸缺乏条件下的癌细胞蛋白质组，发现营养状态能够明显改变氨基酸错误替换的类型。例如，色氨酸、酪氨酸、精氨酸或亮氨酸缺乏时，都可诱导特定类型的氨基酸替换增加。由此可见，细胞所处的营养环境能够系统性改变非遗传蛋白变体的组成。不过，作者并未将这种变化直接解释为主动的适应性机制，它也可能反映氨基酸供应变化对翻译准确性的影响。

另一方面，并不是所有产生的异常蛋白都能够稳定存在。作者发现，预测对蛋白结构或功能破坏越大的氨基酸替换，其相对丰度通常越低。进一步分析蛋白酶体抑制实验后发现，当蛋白酶体降解受到抑制时，替代蛋白变体整体出现积累。这说明最终能够在细胞中检测到哪些非遗传蛋白变体，并不仅取决于翻译过程中产生了哪些错误，还受到蛋白质稳定性和细胞质量控制系统的进一步筛选。换言之，细胞中的非遗传蛋白质组是“错误产生”和“选择性清除”共同作用的结果。

那么，这些低丰度蛋白变体是否具有功能意义？研究人员发现，一部分非遗传氨基酸替换位于已知功能位点附近，并且在酶活性位点周围的分布高于随机预期。此外，数百种氨基酸替换能够在多个不同样本中反复检测到，提示其中至少部分并非随机噪音。为了进一步排除复杂组织样品和质谱分析带来的技术伪影，作者还分析了多种高度纯化蛋白以及在人源细胞中表达的外源重组抗体。在重组抗体中，研究人员同样检测到大量无法由其编码DNA序列解释的氨基酸替换，从而进一步支持人类细胞的翻译体系能够持续产生非遗传蛋白变体。

血红蛋白则提供了一个更加直观的例子。作者在血红蛋白中检测到大量不同的氨基酸替换，其中部分与已经具有明确功能效应的遗传性血红蛋白变体完全一致，包括可改变氧亲和力的氨基酸替换。在独立的红系细胞分化数据中，研究人员也观察到大量相同的血红蛋白替换，进一步支持这些现象具有一定重复性。

总体而言，这项研究将人类蛋白质组多样性的范围从基因组编码序列进一步延伸到了蛋白质翻译过程中产生的非遗传变体。研究提示，同一个基因编码的蛋白质并不一定只以一种固定序列存在，而可能由主要的参考蛋白形式和大量低丰度替代形式共同构成。

不过，目前多数非遗传蛋白变体的具体生化功能仍未得到直接验证，其来源也不能在所有情况下完全排除低频体细胞变异或技术因素。因此，这项工作的核心意义并非证明“翻译错误能够产生大量新功能蛋白”，而是揭示了人类蛋白质组中广泛存在具有规律性和重复性的非遗传蛋白变体，它们受到细胞质量控制的筛选，并可能构成人类功能蛋白质组此前被低估的一层多样性。

https://doi.org/10.1038/s41586-026-11124-z

制版人： 十一

参考文献

1. Sinitcyn, P. et al. Global detection of human variants and isoforms by deep proteome 864 sequencing.Nat. Biotechnol.41, 1776–1786 (2023).

2. Martincorena, I. & Campbell, P. J. Somatic mutation in cancer and normal cells.Science895 349, 1483–1489 (2015).

3. Reynolds, N. M., Lazazzera, B. A. & Ibba, M. Cellular mechanisms that control mistranslation.Nat. Rev. Microbiol.8, 849–856 (2010).

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