Профили экспрессии выявляют параллельную эволюцию эпистатических взаимодействий с участием регулона CRP у Escherichia coli

Масштаб и природа эпистатических взаимодействий между мутациями имеют фундаментальное значение для эволюционной биологии. Однако такие взаимодействия трудно изучать, и их влияние на адаптацию остается недостаточно понятным. В настоящей работе мы использовали системный подход для изучения эпистатических взаимодействий, возникших в ходе эволюции Escherichia coli в заданной среде. С помощью экспрессионных матриц мы сравнили влияние делеции центрального регуляторного гена crp на глобальные профили экспрессии генов. Эффекты измеряли в двух линиях, независимо эволюционировавших на протяжении 20 000 поколений, и у их общего предка. Мы обнаружили, что делеция crp оказывала значительно более выраженное влияние на профили экспрессии двух эволюционировавших линий, чем на профиль предка. Поскольку последовательность гена crp в ходе эволюции не изменилась, эти различия указывают на эпистатические взаимодействия между crp и мутациями в других локусах, накопившимися в процессе эволюции. Кроме того, между двумя независимо эволюционировавшими линиями наблюдалась поразительная степень параллелизма: 115 генов, не зависевших от crp у предка, стали зависимыми от crp в обеих эволюционировавших линиях. Анализ изменений зависимости от crp у хорошо охарактеризованных регулонов позволил выявить ряд регуляторных генов-кандидатов, в которых могли возникнуть полезные мутации, обусловившие эти параллельные изменения экспрессии. Ранее в трех из этих генов были обнаружены мутации, и было показано, что они способствуют повышению приспособленности. В целом полученные результаты свидетельствуют о важной роли эпистаза в адаптивной эволюции этих линий и дают новое представление о типах генетических изменений, посредством которых может эволюционировать эпистаз. В более общем плане мы показываем, что профили экспрессии могут эффективно использоваться для изучения эпистатических взаимодействий.