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Dasmeh P, Zheng J, Erdoğan AN, Tokuriki N, Wagner A. Rapid evolutionary change in trait correlations of single proteins. Nat Commun 2024; 15:3327. [PMID: 38637501 PMCID: PMC11026499 DOI: 10.1038/s41467-024-46658-1] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Grants] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 05/12/2022] [Accepted: 03/06/2024] [Indexed: 04/20/2024] Open
Abstract
Many organismal traits are genetically determined and covary in evolving populations. The resulting trait correlations can either help or hinder evolvability - the ability to bring forth new and adaptive phenotypes. The evolution of evolvability requires that trait correlations themselves must be able to evolve, but we know little about this ability. To learn more about it, we here study two evolvable systems, a yellow fluorescent protein and the antibiotic resistance protein VIM-2 metallo beta-lactamase. We consider two traits in the fluorescent protein, namely the ability to emit yellow and green light, and three traits in our enzyme, namely the resistance against ampicillin, cefotaxime, and meropenem. We show that correlations between these traits can evolve rapidly through both mutation and selection on short evolutionary time scales. In addition, we show that these correlations are driven by a protein's ability to fold, because single mutations that alter foldability can dramatically change trait correlations. Since foldability is important for most proteins and their traits, mutations affecting protein folding may alter trait correlations mediated by many other proteins. Thus, mutations that affect protein foldability may also help shape the correlations of complex traits that are affected by hundreds of proteins.
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Affiliation(s)
- Pouria Dasmeh
- Center for Human Genetics, Marburg University, Marburg, 35043, Germany.
- Institute for Evolutionary Biology and Environmental Studies, University of Zurich, Zurich, 8057, Switzerland.
- Swiss Institute of Bioinformatics (SIB), Lausanne, 1015, Switzerland.
| | - Jia Zheng
- Zhejiang Key Laboratory of Structural Biology, School of Life Sciences, Westlake University, Hangzhou, 310030, China
- Westlake Laboratory of Life Sciences and Biomedicine, 310030, Hangzhou, China
- Institute of Biology, Westlake Institute for Advanced Study, 310030, Hangzhou, China
| | - Ayşe Nisan Erdoğan
- Michael Smith Laboratories, University of British Columbia, Vancouver, BC, V6T 1Z4, Canada
| | - Nobuhiko Tokuriki
- Michael Smith Laboratories, University of British Columbia, Vancouver, BC, V6T 1Z4, Canada
| | - Andreas Wagner
- Institute for Evolutionary Biology and Environmental Studies, University of Zurich, Zurich, 8057, Switzerland.
- Swiss Institute of Bioinformatics (SIB), Lausanne, 1015, Switzerland.
- The Santa Fe Institute, Santa Fe, New Mexico, 87501, US.
- Stellenbosch Institute for Advanced Study (STIAS), Wallenberg Research Centre at Stellenbosch University, Stellenbosch, 7600, South Africa.
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Buda K, Miton CM, Fan XC, Tokuriki N. Molecular determinants of protein evolvability. Trends Biochem Sci 2023; 48:751-760. [PMID: 37330341 DOI: 10.1016/j.tibs.2023.05.009] [Citation(s) in RCA: 3] [Impact Index Per Article: 3.0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 03/27/2023] [Revised: 05/18/2023] [Accepted: 05/23/2023] [Indexed: 06/19/2023]
Abstract
The plethora of biological functions that sustain life is rooted in the remarkable evolvability of proteins. An emerging view highlights the importance of a protein's initial state in dictating evolutionary success. A deeper comprehension of the mechanisms that govern the evolvability of these initial states can provide invaluable insights into protein evolution. In this review, we describe several molecular determinants of protein evolvability, unveiled by experimental evolution and ancestral sequence reconstruction studies. We further discuss how genetic variation and epistasis can promote or constrain functional innovation and suggest putative underlying mechanisms. By establishing a clear framework for these determinants, we provide potential indicators enabling the forecast of suitable evolutionary starting points and delineate molecular mechanisms in need of deeper exploration.
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Affiliation(s)
- Karol Buda
- Michael Smith Laboratories, University of British Columbia, Vancouver, Canada
| | - Charlotte M Miton
- Michael Smith Laboratories, University of British Columbia, Vancouver, Canada
| | - Xingyu Cara Fan
- Michael Smith Laboratories, University of British Columbia, Vancouver, Canada
| | - Nobuhiko Tokuriki
- Michael Smith Laboratories, University of British Columbia, Vancouver, Canada.
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Cisneros AF, Gagnon-Arsenault I, Dubé AK, Després PC, Kumar P, Lafontaine K, Pelletier JN, Landry CR. Epistasis between promoter activity and coding mutations shapes gene evolvability. SCIENCE ADVANCES 2023; 9:eadd9109. [PMID: 36735790 PMCID: PMC9897669 DOI: 10.1126/sciadv.add9109] [Citation(s) in RCA: 8] [Impact Index Per Article: 8.0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [MESH Headings] [Grants] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 07/12/2022] [Accepted: 12/22/2022] [Indexed: 06/01/2023]
Abstract
The evolution of protein-coding genes proceeds as mutations act on two main dimensions: regulation of transcription level and the coding sequence. The extent and impact of the connection between these two dimensions are largely unknown because they have generally been studied independently. By measuring the fitness effects of all possible mutations on a protein complex at various levels of promoter activity, we show that promoter activity at the optimal level for the wild-type protein masks the effects of both deleterious and beneficial coding mutations. Mutations that are deleterious at low activity but masked at optimal activity are slightly destabilizing for individual subunits and binding interfaces. Coding mutations that increase protein abundance are beneficial at low expression but could potentially incur a cost at high promoter activity. We thereby demonstrate that promoter activity in interaction with protein properties can dictate which coding mutations are beneficial, neutral, or deleterious.
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Affiliation(s)
- Angel F. Cisneros
- Département de biochimie, de microbiologie et de bio-informatique, Faculté des sciences et de génie, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Institut de biologie intégrative et des systèmes, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Centre de recherche sur les données massives, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
| | - Isabelle Gagnon-Arsenault
- Département de biochimie, de microbiologie et de bio-informatique, Faculté des sciences et de génie, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Institut de biologie intégrative et des systèmes, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Centre de recherche sur les données massives, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Département de biologie, Faculté des sciences et de génie, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
| | - Alexandre K. Dubé
- Département de biochimie, de microbiologie et de bio-informatique, Faculté des sciences et de génie, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Institut de biologie intégrative et des systèmes, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Centre de recherche sur les données massives, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Département de biologie, Faculté des sciences et de génie, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
| | - Philippe C. Després
- Département de biochimie, de microbiologie et de bio-informatique, Faculté des sciences et de génie, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Institut de biologie intégrative et des systèmes, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Centre de recherche sur les données massives, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
| | - Pradum Kumar
- Département de biochimie, de microbiologie et de bio-informatique, Faculté des sciences et de génie, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Department of Biosciences and Bioengineering, Indian Institute of Technology Roorkee, Roorkee, 247667, India
| | - Kiana Lafontaine
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Département de biochimie et de médecine moléculaire, Faculté de médecine, Université de Montréal, H3C 3J7, Montréal, Canada
| | - Joelle N. Pelletier
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Département de biochimie et de médecine moléculaire, Faculté de médecine, Université de Montréal, H3C 3J7, Montréal, Canada
- Département de chimie, Faculté des arts et des sciences, Université de Montréal, H3C 3J7, Montréal, Canada
| | - Christian R. Landry
- Département de biochimie, de microbiologie et de bio-informatique, Faculté des sciences et de génie, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Institut de biologie intégrative et des systèmes, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Centre de recherche sur les données massives, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Département de biologie, Faculté des sciences et de génie, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
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Bédard C, Cisneros AF, Jordan D, Landry CR. Correlation between protein abundance and sequence conservation: what do recent experiments say? Curr Opin Genet Dev 2022; 77:101984. [PMID: 36162152 DOI: 10.1016/j.gde.2022.101984] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [MESH Headings] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 06/23/2022] [Revised: 08/23/2022] [Accepted: 08/26/2022] [Indexed: 01/27/2023]
Abstract
Cells evolve in a space of parameter values set by physical and chemical forces. These constraints create associations among cellular properties. A particularly strong association is the negative correlation between the rate of evolution of proteins and their abundance in the cell. Highly expressed proteins evolve slower than lowly expressed ones. Multiple hypotheses have been put forward to explain this relationship, including, for instance, the requirement for higher mRNA stability, misfolding avoidance, and misinteraction avoidance for highly expressed proteins. Here, we review some of these hypotheses, their predictions, and how they are supported to finally discuss recent experiments that have been performed to test these predictions.
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Affiliation(s)
- Camille Bédard
- Département de Biologie, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada; Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, G1V 0A6, Canada; PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Canada; Centre de Recherche sur les Données Massives, Université Laval, G1V 0A6, Canada. https://twitter.com/@CamilleBed17
| | - Angel F Cisneros
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, G1V 0A6, Canada; PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Canada; Centre de Recherche sur les Données Massives, Université Laval, G1V 0A6, Canada; Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada. https://twitter.com/@AngelFCC119
| | - David Jordan
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, G1V 0A6, Canada; PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Canada; Centre de Recherche sur les Données Massives, Université Laval, G1V 0A6, Canada; Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada. https://twitter.com/@DavidJordan1997
| | - Christian R Landry
- Département de Biologie, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada; Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, G1V 0A6, Canada; PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Canada; Centre de Recherche sur les Données Massives, Université Laval, G1V 0A6, Canada; Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada.
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