Как мутационный эпистаз снижает предсказуемость эволюции и дизайна белков

Степень, в которой мутационный эпистаз, то есть зависимость результата мутации от генетического фона, ограничивает эволюционные траектории, широко обсуждается. Непредсказуемость, обусловленная эпистазом вследствие неаддитивности функциональных эффектов, существенно затрудняет применение стратегий, разработанных для дизайна и инженерии белков. Несмотря на то что во многих исследованиях этот вопрос изучался посредством систематической характеристики эволюционных траекторий отдельных ферментов, в данной области отсутствует единая точка зрения. В этой работе мы провели всесторонний анализ эпистаза, исследовав эффекты мутаций в рамках девяти адаптивных траекторий, ведущих к новым ферментативным функциям. Мы количественно оценивали эпистаз, сравнивая эффект мутаций на двух генетических фонах: исходного фермента (например, дикого типа) и промежуточного варианта, в котором мутация возникла в ходе траектории. Мы обнаружили, что большинство траекторий характеризуется положительным эпистазом, при котором эффект мутации оказывается более благоприятным, если она возникает на более позднем этапе эволюционной траектории. Примерно половина (49%) функциональных мутаций была нейтральной или отрицательной на фоне дикого типа, но становилась благоприятной на более позднем этапе траектории, что указывает на невозможность предсказать эти функциональные мутации, исходя из начальной точки. Хотя некоторые случаи сильного эпистаза были связаны с непосредственным взаимодействием между остатками, многие другие были обусловлены дальними косвенными взаимодействиями между мутациями. Наша работа демонстрирует широкую распространённость эпистаза в адаптивной эволюции ферментов, особенно положительного эпистаза, и указывает на необходимость учитывать мутационный эпистаз при инженерии и дизайне белков для создания высокоэффективных катализаторов.