Повсеместный скрытый эпистаз в молекулярной эволюции

Функциональные эффекты большинства аминокислотных замен, накопленных в ходе молекулярной эволюции, неизвестны, поскольку большинство из них не наблюдается в природе, а число возможных комбинаций слишком велико. Мы создали 168 одиночных мутаций в изопропилмалатдегидрогеназе (IMDH) дикого типа Escherichia coli, соответствующих различиям, обнаруженным в IMDH дикого типа Pseudomonas aeruginosa. Из них 104 мутантных фермента функционировали аналогично IMDH дикого типа E. coli, один обладал повышенной функциональной активностью, а 63 имели сниженную функциональную активность. Переход от IMDH E. coli или предковой формы к функциональной IMDH дикого типа P. aeruginosa требует выраженного эпистаза, смягчающего совокупные эффекты вредных мутаций. Этот результат резко контрастирует с одним из базовых допущений молекулярной филогенетики, согласно которому участки последовательностей эволюционируют независимо друг от друга. Остатки, влияющие на функцию, беспорядочно распределены по всей структуре IMDH. Мы провели скрининг компенсаторных мутаций в трех участках; все они расположены вблизи активного центра и относятся к числу мутантов с наименьшей активностью. В двух участках компенсаторных мутаций обнаружено не было, что указывает на возможность участия одного участка в сложных эпистатических взаимодействиях. Одна полная и три частичные компенсаторные мутации в третьем участке удалены от него и расположены в другом домене. Это демонстрирует, что эпистатические взаимодействия могут происходить между удаленными друг от друга участками (>20 Å). Филогенетический анализ показывает, что несовместимые мутации фиксировались в разных линиях.