Эпистатические взаимодействия делают эффект мутаций все менее предсказуемым

Предсказание влияния новых мутаций на структуру и функции белка на основе данных об известных мутациях — это одна из ключевых задач генетики. Как правило, при ее решении считают, что эффект современных мутаций можно напрямую распространить на те, которые возникали в том же гене ранее или могут возникнуть в будущем. Однако, согласно опубликованной в Science статье исследователей из Чикагского университета, в большинстве случаев это не так.

Дело в том, что предсказание эффекта мутаций значительно осложняют эпистатические взаимодействия. Авторы подчеркивают как интерес современных генетиков к эпистазу, так и целый ряд нерешенных задач, в том числе касающихся эволюционного аспекта проблемы. Чтобы восполнить этот пробел, они использовали глубокое мутационное сканирование (deep mutational scanning, DMS) и экспериментально оценили влияние всех возможных аминокислотных замен в последовательности белка на его работу.

Объектами исследования стали ДНК-связывающие домены семейства рецепторов стероидных гормонов, которые регулируют работу половой системы, онтогенез, иммунитет, а также развитие множества болезней, включая рак. Такие рецепторы были обнаружены почти у всех представителей животного царства — предполагают, что первый из них возник примерно 700 миллионов лет назад. Ученые рассмотрели в общей сложности девять последовательностей: глюкокортикоидного рецептора человека, стероидного рецептора кольчатого червя Capitella teleta и семи реконструированных предковых белков. На их основе была получена белковая библиотека, в которой представлены все возможные замены — в каждое из 76 положений поочередно вводили 19 аминокислот, всего получили более 25 000 мутаций.

Ученые получили штамм дрожжей, экспрессирующий в качестве репортера зеленый флуоресцентный белок (GFP). Все воссозданные на основе филогенетической реконструкции предковые рецепторы связывались с этим репортером и вызывали флуоресцентный сигнал, причем его интенсивность была пропорциональна аффинности связывания. Эффект мутации оценивали по разности в флуоресценции между вариантами, которые отличались на одну аминокислоту. В работе была использована методика флуоресцентного клеточного сортинга, дополнительно учитывающего последовательность ДНК (Sort-seq), которая позволила оценить активность каждого из мутантных вариантов рецептора.

Для того, чтобы оценить изменения эпистатических взаимодействий в ходе эволюции, ученые модифицировали стандартный подход к реконструкции филогенетических изменений признаков. В 60% случаев эффект мутаций в девяти ДНК-связывающих доменах значительно различался, а в 22% эффект менялся на противоположный. Лишь 5% мутаций (если не считать деструктивные, то есть прекращающие работу белка) вызывали близкий эффект у различных белков.

В итоге авторы сделали вывод, что эффект большинства мутаций на функцию белка является случайной величиной, которая по мере эволюционных изменений меняется с постоянной и характерной скоростью. Ученые назвали это явление «эпистатический дрейф» (epistatic drift).

«Нас удивило постоянство эпистатического дрейфа, как и его постепенный и стабильный характер, — говорит первый автор статьи Ёну Парк. — В то же время эпизодические скачки оказались редкостью. Дрейф одних мутаций происходит быстро, других — помедленнее, но все они постепенно «забывают» тот эффект, который исходно оказали на белок-предок, а в будущем наверняка не сохранят память и об эффекте, который имеют сейчас».

Новая публикация имеет и важное практическое значение, поскольку может быть полезна для прогнозирования эффекта мутаций в эксперименте. Авторы считают, что это актуально в том числе для исследований быстро мутирующего SARS-CoV-2.

Park Y., et al. Epistatic drift causes gradual decay of predictability in protein evolution // Science 376, 823–830 (2022), published online 20 May 2022. DOI: 10.1126/science.abn6895