Изучение закономерностей эпистаза, связывающих генотип и фенотип белка

Понимание закономерностей эпистаза — неаддитивного взаимодействия мутаций — имеет решающее значение для установления взаимосвязи между генотипом и фенотипом. Однако комбинаторная сложность потенциальных эпистатических взаимодействий существенно ограничивала анализ этой проблемы. Используя новые мутационные подходы, мы представляем комплексное экспериментальное исследование всех 2^13 мутантов, связывающих два фенотипически различных варианта флуоресцентного белка Entacmaea quadricolor, что позволяет изучать эпистаз вплоть до 13-го порядка. Данные свидетельствуют о существовании множества эпистатических взаимодействий высокого порядка между мутациями, но также выявляют их чрезвычайную разреженность, открывая возможности для разработки новых экспериментальных и вычислительных стратегий выявления значимых эпистатических взаимодействий. Мы демонстрируем, что полученную таким образом информацию можно использовать для точного прогнозирования фенотипов в практических ситуациях, когда число измерений ограничено. Наконец, мы показываем, как наблюдаемый эпистаз формирует пространство решений для траекторий, состоящих из одиночных мутаций и соединяющих родительские флуоресцентные белки; это дает представление об эволюционном потенциале белка. Данная работа предлагает концептуальные и экспериментальные стратегии для глубокого изучения эпистаза в белке, имеющие значение как для естественной, так и для лабораторной эволюции.