必須遺伝子の突然変異不活性化に対する適応は、アクセス可能な最適以下のフィットネスのピークに収束する

Adaptation to mutational inactivation of an essential gene converges to an accessible suboptimal fitness peak.

• João V Rodrigues
• Eugene I Shakhnovich

抄録

必須遺伝子の不活性化に対する適応のメカニズムは未だ不明である。ここでは、ジヒドロ葉酸還元酵素(DHFR)を不活性化するために、重要な触媒残基にD27G,N,F染色体変異を導入し、その後、自動化されたシリアルトランスファープロトコルを用いて適応させた。部分的な反転G27- > Cは3つの進化の軌跡で発生した。逆に、D27Gの1つの進化軌跡とD27F,Nのすべての進化軌跡において、D27G株は非常に低い代謝サプリメント（folAmix）濃度での生育に適応したが、サプリメント補助栄養から完全に脱出したわけではなかった。メタボロームとプロテオームの大きなグローバルな変化は DHFR の不活性化によって生じたが、適応株では部分的に逆転していた。2 つの遺伝子の機能喪失突然変異、および , は、2-デオキシ-D-リボース-リン酸代謝を解糖から dTMP の合成へと方向転換させることで、低 folAmix への適応を確実なものとした。適応のための複数の進化経路は、最高であるにもかかわらず、最もアクセスしにくいフィットネスピークへの経路を遮断する機能喪失突然変異へのアクセス性が高いため、最適解には至らない状態に収束していた。

The mechanisms of adaptation to inactivation of essential genes remain unknown. Here we inactivate dihydrofolate reductase (DHFR) by introducing D27G,N,F chromosomal mutations in a key catalytic residue with subsequent adaptation by an automated serial transfer protocol. The partial reversal G27- > C occurred in three evolutionary trajectories. Conversely, in one trajectory for D27G and in all trajectories for D27F,N strains adapted to grow at very low metabolic supplement (folAmix) concentrations but did not escape entirely from supplement auxotrophy. Major global shifts in metabolome and proteome occurred upon DHFR inactivation, which were partially reversed in adapted strains. Loss-of-function mutations in two genes, and , ensured adaptation to low folAmix by rerouting the 2-Deoxy-D-ribose-phosphate metabolism from glycolysis towards synthesis of dTMP. Multiple evolutionary pathways of adaptation converged to a suboptimal solution due to the high accessibility to loss-of-function mutations that block the path to the highest, yet least accessible, fitness peak.

© 2019, Rodrigues and Shakhnovich.