Эпистаз в эволюции белков

Структура, функция и эволюция белков зависят от физических и генетических взаимодействий между аминокислотами. В недавних исследованиях использовались новые стратегии для изучения распространённости, биохимических механизмов и эволюционных последствий этих взаимодействий, называемых эпистазом, внутри белков. В настоящее время формируется представление о повсеместном эпистазе, при котором физические и биологические эффекты мутаций изменяются в ходе эволюции специфичным для каждой линии образом. Эпистаз может ограничивать доступные эволюционирующему белку траектории либо открывать новые пути к последовательностям и функциям, которые в противном случае были бы недоступны. Мы описываем два широких класса эпистатических взаимодействий, возникающих вследствие различных физических механизмов и по-разному влияющих на эволюционные процессы. Специфический эпистаз, при котором одна мутация влияет на фенотипический эффект лишь небольшого числа других мутаций, обусловлен прямыми и косвенными физическими взаимодействиями между мутациями, которые неаддитивно изменяют физические свойства белка, такие как конформация, стабильность или сродство к лигандам. Напротив, неспецифический эпистаз описывает мутации, изменяющие эффект многих других мутаций; обычно такие мутации ведут себя аддитивно по отношению к физическим свойствам белка, но проявляют эпистаз вследствие нелинейной связи между физическими свойствами и их биологическими эффектами, такими как функция или приспособленность. Оба типа взаимодействий широко распространены, однако специфический эпистаз сильнее влияет на скорость и результаты эволюции, поскольку налагает более строгие ограничения и более существенно регулирует эволюционный потенциал; поэтому он делает эволюцию более зависимой от исторических событий с низкой вероятностью и оставляет более выраженные следы в последовательностях, структурах и функциях семейств белков.