Onze genen (ook bekend als het genotype) bepalen onze kenmerken (ook bekend als het fenotype). Evolutie werkt op veranderingen in het fenotype, die optreden wanneer mutaties het onderliggende genotype veranderen. Maar welke veranderingen in het fenotype door mutaties kunnen worden veroorzaakt, zijn niet onbeperkt - mieren kunnen niet plotseling een stam laten groeien of de grootte van een olifant worden. Onderzoekers van het Institute of Science and Technology Austria (IST Oostenrijk) ontdekten dat in een genregulerend systeem in de bacterie Escherichia coli, hoe meer componenten gemuteerd zijn, hoe vrijer het systeem kan evolueren. Dit is het resultaat van een studie gepubliceerd door een team onder leiding van Calin Guet, Jonathan Bolback, en eerste auteur Mato Lagator in eLife .

De effecten van mutaties bepalen hoe een systeem kan veranderen. Maar in een systeem van verschillende componenten dat genexpressie reguleert, wat gebeurt er als verschillende componenten worden gemuteerd? Heeft het systeem minder wijzigingsmogelijkheden, of meer? De onderzoekers bestudeerden deze vraag in een klein genregulatiesysteem in E. coli dat uit twee componenten bestaat:ten eerste, een transcriptiefactor, dat is een eiwit dat de snelheid van transcriptie van genetische informatie van DNA naar RNA regelt. Tweede, zijn bindingsplaats op het DNA, waar de transcriptiefactor bindt om de transcriptie te starten. In dit onderzoek, de wetenschappers keken naar wat er gebeurt als ze elk onderdeel op zichzelf muteren, en wanneer ze beide componenten tegelijkertijd muteren.

Enigszins contra-intuïtief, ze ontdekten dat de evolutie van het systeem minder beperkt is wanneer meer componenten worden gemuteerd. "In schril contrast met wat ik aannam voordat ik de experimenten uitvoerde, als we verschillende componenten muteren, het systeem kan vrijer evolueren. Dit kwam als een behoorlijke verrassing voor mij!" zegt eerste auteur Mato Lagator. Het team heeft vervolgens gekeken waarom het systeem in meer richtingen kan evolueren in vergelijking met de afzonderlijke componenten.

Ze ontdekten dat het systeem vrijer evolueert omdat mutaties in de twee componenten met elkaar interageren, een fenomeen dat ze 'intermoleculaire epistasie' noemen. Mato Lagator legt de betekenis ervan uit:"Epistasis betekent dat één plus één niet gelijk is aan twee, maar drie of nul. genetisch gesproken, één puntmutatie verandert de transcriptiefactor zodat het fenotype van ons genregulatiesysteem verandert met X, en de andere puntmutatie verandert de bindingsplaats zodat het fenotype verandert met Y. Nu, wanneer beide mutaties samen voorkomen, het fenotype is niet alleen X+Y, het is anders." Dit betekent dat mutaties op elkaar inwerken, waardoor het hele systeem meer vrijheid krijgt om te veranderen en te evolueren.

Tot dusver, ons begrip van epistasie was meestal beschrijvend, maar hoe de bestaande moleculaire mechanismen de patronen van epistasie definiëren, is niet begrepen. In dit onderzoek, de onderzoekers geven een mechanisch inzicht in hoe de mutaties in twee verschillende moleculen op elkaar inwerken, legt Mato Lagator uit. "Het meest opwindende, we laten zien dat - in dit genregulerende systeem - de meeste epistasie voortkomt uit de genetische structuur van het systeem. Deze structuur bepaalt hoe de mutaties met elkaar omgaan."