Эпистаз ограничивает мутационные пути адаптации гемоглобина у высокогорных пищух

Фундаментальный вопрос эволюционной генетики заключается в роли мутационной плейотропии и эпистаза в формировании траекторий эволюции белков. Наиболее непосредственно этот вопрос можно исследовать с помощью сайт-направленного мутагенеза, изучая ландшафт мутационных изменений функции белка в экспериментально определённых областях пространства последовательностей. В настоящей работе мы оцениваем, как плейотропные компромиссы и эпистатические взаимодействия влияют на доступность альтернативных мутационных путей в ходе адаптивной эволюции функции гемоглобина (Hb) у высокогорных пищух (Mammalia: Lagomorpha). Сочетая воскрешение предкового белка с комбинаторным подходом к белковой инженерии, мы исследовали функциональные эффекты последовательных мутационных шагов во всех возможных путях, приводивших к повышению сродства Hb к O2. Эти эксперименты показали, что эффекты мутаций на сродство Hb к O2 в значительной степени зависят от временного порядка их возникновения: каждая из трёх замен в β-цепи вызывала значимое повышение сродства Hb к O2 на предковом генетическом фоне, однако две из этих замен давали противоположные эффекты, когда возникали на более поздних этапах пути. Эксперименты выявили повсеместный эпистаз в отношении сродства Hb к O2, однако мутации, изменяющие сродство, не вызывали значимых плейотропных компромиссов. Эти результаты дают представление о свойствах адаптивных замен в белках, эволюционировавших естественным образом, и позволяют предположить, что доступность альтернативных мутационных путей может сильнее ограничиваться эпистазом знака для биохимических фенотипов, подвергавшихся положительному отбору, чем антагонистической плейотропией.