长年苦于原因不明的身体不适和慢性症状，却无法获得医学上明确诊断而被搁置的患者，也即所谓“诊断难民”并不在少数。在这些患者中，有不少人即使接受全基因组分析发现变异，也因无法理解其意义而无法用于诊断。其背景在于，能够在分子水平解释基因变化如何影响蛋白质立体结构和功能的手段目前还非常有限。
东京大学先端科学技术研究中心的石北央教授、熊谷晋一郎教授、齐藤圭亮副教授等，与日本顺天堂大学研究生院医学研究科小儿青春期发育与病态学的村山圭教授、同大学研究生院医学研究科难治性疾患诊断与治疗学/疑难杂症诊断与治疗研究中心的冈﨑康司教授、八塚由纪子副教授等人在共同研究中，以一名数十年来始终无法确诊、曾在国内外多家医疗机构就诊仍被判定为原因不明的患者为对象进行了分析。
全基因组分析结果确定了该患者伴随氨基酸置换的基因异常。如果能够掌握该变异基因编码的蛋白质的立体结构，就能在分子水平推测哪些功能受损，最终以何种方式出现症状。然而，既往的结构解析方法（X射线晶体结构解析法和冷冻电子显微镜法）从样品制备到结构解析需要耗费大量时间和人力，而且无法保证一定能解析出结构。
为此，研究团队利用AI结构预测技术迅速推定了变异体的立体结构，揭示了异常可能影响DNA修复相关酶活性关键部位的可能性。
图1：DNA修复酶的开闭循环与基因变化的影响。ATP结合到结合部位（P-loop）时变成闭合结构并消耗能量，释放用完的分子（ADP+磷酸）后回到开放结构（a）。本次基因变化引起的氨基酸置换（T652→R652）导致抓住ATP的“手指”（K654, T655）发生偏移（b），原本不应结合的部分意外形成“结合”（R652与D973；虚线），从而导致酶的盖子保持闭合状态难以复原（c）。（供图：东京大学）
DNA修复酶通过结合作为能量来源的ATP来发挥作用。当ATP未结合时，ATP结合部位呈开放结构，当ATP结合后，就变成闭合结构并消耗能量。之后，释放用完的分子后又恢复为开放结构。通常是以这样的开闭循环工作的，但本次发现的基因变化导致抓住ATP的手指位置发生微小偏移，原本不应结合的部分之间形成了意外的结合，使得“盖子”容易陷入保持闭合，难以复原的状态。结果，ATP的容纳和开闭循环发生紊乱，DNA修复所必需的酶活性大幅降低的可能性很高。
通过活用AI预测的立体结构，仅靠传统的碱基序列分析无法判断的结构扭曲与功能下降机制以可视化和分子科学的方式得以阐明。该成果展示了将基因信息与蛋白质结构变化相结合、具体解读病因的实用框架。
由此，研究人员从结构层面开辟出了一条新路径，可以捕捉隐藏在原因不明症状背后、看不见的致病原因。随着整合基因组、结构、分子机制的方法普及，有望加速对未诊断疾病机制的解析与诊断，为“诊断难民”提供有力帮助。
此外，基于蛋白质结构的可视化获得的理解，不仅对医生和研究者，对患者本人来说，能更直观地了解“自己体内究竟发生了什么”。即使目前尚未确立治疗方法，只要分子水平的机制得以明确，患者就能更容易理解自身症状，可能成为一种心理上的支撑。
相关成果已发表在《Frontiers in Molecular Biosciences》上。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Frontiers in Molecular Biosciences
论文：A DNA2 Mutation in the ATP-Binding Motif identified in a Diagnostically Unresolved Individual
DOI：10.3389/fmolb.2025.1706392
