疾病相关蛋白质变异的功能与结构特征解析：HVAR3D数据库的构建与应用

搁浅

疾病相关蛋白质变异的功能与结构特征解析：HVAR3D数据库的构建与应用（DOI: 10.3390/ijms20071530）

随着高通量测序技术的迅猛发展，科学家得以系统性地识别出大量人类基因组中的单核苷酸变异，尤其是发生在编码区、导致蛋白质序列改变的错义突变。这些单残基变异（single-residue variations, SRVs）中，相当一部分已被证实与疾病发生密切相关，并被收录于公共数据库中。然而，如何从这些海量数据中提炼出与疾病关联的分子特征，进而指导精准医学实践，仍是当前生物信息学与分子医学研究的核心挑战之一。
在此背景下，意大利博洛尼亚大学Casadio课题组构建了HVAR3D数据库，系统性整合了具有三维结构信息的人类蛋白质及其疾病相关变异，为深入解析致病变异的功能与结构特征提供了宝贵资源。该数据库不仅更新了疾病相关变异的结构映射，还从化学物理性质、蛋白质稳定性、结构位置、功能域及代谢通路等多维度，对致病变异进行了系统表征，揭示了一系列具有指导意义的规律。
一、HVAR3D数据库的构建
HVAR3D数据库从UniProtKB的Humsavar子库（2018年3月版）出发，收录了30,221个疾病相关变异与39,894个中性多态性。通过结构映射，作者筛选出386条蛋白质链，其结构覆盖对应UniProtKB序列的70%以上，且分辨率优于3 Å，最终构建出包含5,577个疾病相关变异与1,044个中性变异的HVAR3D数据集。
该数据集具备以下特点：

• 结构覆盖度高，确保变异位点空间信息的准确性；
• 功能注释丰富，包括酶分类号（EC）、基因本体（GO）分子功能、Reactome代谢通路、CATH结构分类及Pfam功能域；
• 化学物理分类明确，将氨基酸按极性、电荷、芳香性等特征划分为四类，便于统计分析。
  

二、致病变异的结构特征
统计分析显示，约62%的蛋白质为多聚体，其中43%为同源二聚体，提示蛋白质-蛋白质相互作用界面在疾病发生中的重要性。约9%的致病变异位于蛋白界面区域，可能通过破坏复合物稳定性而导致功能障碍。
从结构类别来看，α/β类蛋白占据了主要比例，致病变异在不同结构类型中分布均匀，表明疾病发生不受限于特定折叠类型。
三、功能注释与代谢通路富集
在功能层面，63%的蛋白质具备酶活性，其中氧化还原酶、转移酶与水解酶携带的致病变异最多。尽管活性位点与配体结合位点仅占变异总数的1%，但这些位点的变异往往具有高度致病性。
Reactome通路分析指出，44%的蛋白质参与代谢过程，27条蛋白质与免疫系统相关，提示代谢与免疫相关蛋白是致病变异的重要靶点。
四、化学物理特征与稳定性扰动
通过计算变异对蛋白质稳定性的影响（ΔΔG），作者发现：

• 致病变异往往显著破坏蛋白稳定性（|ΔΔG| ≥ 1 kcal/mol）；
• 芳香族氨基酸突变为极性或带电残基时，既强烈关联疾病，也显著扰动稳定性；
• 相反，带电残基突变为芳香族残基则不易引起稳定性变化，致病性较低。
  

这一发现提示，芳香族残基在维持蛋白结构稳定性中具有关键作用，其突变可能导致蛋白错误折叠或聚集，进而引发疾病。
五、溶剂可及性与变异致病性
根据残基的溶剂可及性（RSA），作者将变异分为表面暴露（RSA ≥ 20%）与内部埋藏（RSA < 20%）两类，发现：

• 表面暴露的非极性→非极性/芳香族变异更易致病；
• 内部埋藏的带电→极性/带电变异更易致病；
• 这一趋势与蛋白质内部多为疏水核心、表面多为极性残基的结构特征一致。
  

六、Pfam功能域的变异模式
HVAR3D数据库中，87.7%的致病变异映射至Pfam功能域。不同功能域的变异类型分布存在显著差异，提示某些结构域对特定类型变异更为敏感。例如：

• Thrombospondin类型3重复域（PF02414）中，天冬氨酸突变为非极性、芳香族或极性残基与**软骨发育不全等疾病密切相关；
• DNA聚合酶γ的催化域与校对域虽共享部分变异模式，但在非极性→非极性变异频率上存在差异，提示功能域背景影响变异致病性。
  

七、结语：HVAR3D的价值与展望
HVAR3D数据库的构建不仅为疾病相关变异提供了结构级别的注释资源，更通过多维度统计分析，揭示了一系列致病变异的分子特征。这些特征包括：

• 芳香族残基突变对稳定性的破坏作用；
• 表面与内部变异的不同致病机制；
• 功能域对变异类型的选择性敏感性。
  

未来，HVAR3D可作为变异致病性预测算法的重要训练集，也可与临床表型数据整合，推动结构导向的精准医学研究。随着结构生物学与人工智能技术的发展，HVAR3D有望进一步扩展，成为解读人类遗传变异致病机制的核心平台之一。