Начальные мутации направляют альтернативные пути эволюции белка

Остается неясным, является ли эволюция непредсказуемой вследствие случайных исторических обстоятельств или же определенные ограничения вновь и вновь направляют ее по сходным путям. Эпистаз (то есть неаддитивное взаимодействие между мутациями, влияющими на приспособленность) представляет собой механизм, способный обусловливать оба сценария. Эпистаз может ограничивать тип и порядок отбираемых мутаций, но также может делать адаптивные траектории зависимыми от первой случайной замены. Этот эффект особенно выражен при эпистазе знака, когда знак влияния мутации на приспособленность зависит от ее генетического фона. В настоящем исследовании мы изучаем, каким образом эпистатические взаимодействия между мутациями определяют альтернативные эволюционные пути, используя направленную in vitro эволюцию фермента устойчивости к антибиотикам TEM-1 β-лактамазы. Сначала мы описываем разнообразие адаптивных путей в параллельных линиях при эволюции устойчивости к новому антибиотику цефотаксиму. В соответствии с предсказанием, основанным на эпистатических ограничениях, большинство линий повышали устойчивость, приобретая три мутации в фиксированном порядке. Однако несколько линий отклонялись от этой закономерности. Затем, чтобы проверить, обусловлено ли это расхождение отрицательными взаимодействиями между альтернативными начальными заменами, аллели, содержащие начальные замены из отклоняющихся линий, эволюционировали в идентичных условиях. Действительно, эти альтернативные начальные замены неизменно приводили к достижению более низких адаптивных пиков, включавших большее число других замен, чем наблюдалось в общем пути. Мы установили, что сочетание снижения ферментативной активности и уменьшения кооперативности укладки лежит в основе отрицательного эпистаза знака при конфликте между ключевыми мутациями в общей и отклоняющихся линиях — Gly238Ser и Arg164Ser соответственно. Наши результаты демонстрируют, что эпистаз способствует контингентности эволюции белков, усиливая селективные последствия случайных мутаций.