Våra gener (aka. Genotypen) bestämmer våra egenskaper (aka. Fenotypen). Evolutionen påverkar förändringar i fenotypen, som uppstår när mutationer förändrar den underliggande genotypen. Men vilka förändringar av fenotypen som kan produceras av mutationer är inte gränslösa - myror kan inte plötsligt odla stammar eller bli stor som en elefant. Forskare vid Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) fann att i ett genregleringssystem i bakterien Escherichia coli, ju fler komponenter som är muterade, ju mer fritt systemet kan utvecklas. Detta är resultatet av en studie publicerad av ett team under ledning av Calin Guet, Jonathan Bollback, och första författare Mato Lagator i eLife .

Effekterna av mutationer definierar hur ett system kan förändras. Men i ett system med flera komponenter som reglerar genuttryck, vad händer när flera komponenter muteras? Har systemet färre ändringsalternativ, eller mer? Forskarna studerade denna fråga i ett litet genregleringssystem i E. coli som består av två komponenter:först, en transkriptionsfaktor, vilket är ett protein som styr hastigheten för transkription av genetisk information från DNA till RNA. Andra, dess bindningsställe på DNA:t, där transkriptionsfaktorn binder för att starta transkription. I den här studien, forskarna tittade på vad som händer när de muterar varje komponent för sig, och när de muterar båda komponenterna samtidigt.

Något kontraintuitivt, de fann att systemets utveckling är mindre begränsad när fler komponenter muteras. "I stark kontrast till vad jag antog innan jag utförde experimenten, om vi muterar flera komponenter, systemet kan utvecklas mer fritt. Detta kom som en överraskning för mig! "Säger författaren Mato Lagator. Teamet tittade sedan på varför systemet kan utvecklas i fler riktningar jämfört med dess enskilda komponenter.

De fann att systemet utvecklas mer fritt eftersom mutationer i de två komponenterna interagerar med varandra, ett fenomen som de kallar "intermolekylär epistas". Mato Lagator förklarar dess betydelse:"Epistasis betyder att ett plus ett inte är två, men tre eller noll. Genetiskt sett en punktmutation ändrar transkriptionsfaktorn så att fenotypen i vårt genregleringssystem ändras med X, och den andra punktmutationen ändrar bindningsstället så att fenotypen ändras med Y. Nu, när båda mutationerna inträffar tillsammans, fenotypen är inte bara X+Y, det är annorlunda. "Detta betyder att mutationer interagerar, ger hela systemet mer frihet att förändras och utvecklas.

Än så länge, vår förståelse av epistas har mest varit beskrivande, men hur de befintliga molekylära mekanismerna definierar epistasens mönster har inte förståtts. I den här studien, forskarna ger en mekanistisk förståelse för hur mutationerna i två olika molekyler interagerar, förklarar Mato Lagator. "Mest spännande, vi visar att - i detta genregleringssystem - det mesta av epistasen kommer från systemets genetiska struktur. Denna struktur avgör hur mutationerna interagerar med varandra. "