Картирование ландшафта приспособленности экспрессии генов выявляет причины антагонизма и эпистаза со сменой знака между адаптивными мутациями

Как адаптирующиеся популяции преодолевают противоречие между издержками экспрессии генов и преимуществами, обеспечиваемыми продуктами этих генов, чтобы одновременно оптимизировать уровни экспрессии множества генов? В этой работе мы объединили независимо возникшие благоприятные мутации, изменявшие уровни ферментов центрального метаболизма Methylobacterium extorquens, чтобы выявить ландшафт приспособленности, определяемый уровнями экспрессии генов. Мы обнаружили сильный антагонизм и эпистаз со сменой знака между этими благоприятными мутациями. Мутации с наибольшим индивидуальным преимуществом наиболее антагонистично взаимодействовали с другими мутациями; аналогичную закономерность мы выявили при анализе наборов данных по другим модельным системам. Однако на уровне экспрессии ферментов эти благоприятные мутации взаимодействовали мультипликативно, то есть без эпистаза. Создав модель, предсказывающую приспособленность по уровням ферментов, мы смогли объяснить наблюдаемый эпистаз со сменой знака превышением оптимума, определяемого балансом между преимуществами ферментативного катализа и издержками для приспособленности. Изучение фенотипического ландшафта также показало, что, хотя пик приспособленности был фенотипически далёк от предкового состояния, генетически он находился недалеко от него. Отдельные благоприятные мутации сразу приближали систему к глобальному оптимуму, а не ограничивали изменение фенотипов экспрессии коррелированным образом, ожидаемым исходя из генетической архитектуры. Поскольку адаптация в природе часто происходит посредством оптимизации экспрессии генов, эти выводы могут быть широко применимы к другим организмам и условиям отбора. Неблагоприятные взаимодействия между по отдельности благоприятными аллелями, влияющими на экспрессию генов, могут тем самым уменьшать преимущество полового размножения в ходе адаптации и способствовать генетической дифференциации.