Structural and evolutionary constraints of organophosphate resistance in dipteran carboxylesterases

生物 有机磷 突变 遗传学 共同进化 机制(生物学) 上位性 实验进化 进化动力学 定向进化 适应(眼睛) 计算生物学 氧阴离子孔 对氧磷 生物化学 突变体 抗性(生态学) 分子进化 昆虫 戒毒(替代医学) 进化生物学 基因 序列(生物学) 抗药性 序列比对 转基因
作者
Rebecca L. Frkic,Alex Giang,Sacha B. Pulsford,Jian-Wei Liu,Mojtaba Esmaeily,Paul D. Carr,Nicholas J. Fraser,Davis H. Hopkins,John G. Oakeshott,Philip J. Batterham,Peter D. Mabbitt,Colin J. Jackson
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:123 (9): e2517957123-e2517957123
标识
DOI:10.1073/pnas.2517957123
摘要

Enzymatic detoxification of organophosphate (OP) insecticides can confer resistance in some insects, yet the precise molecular basis of this trait, and how it has evolved, remains poorly understood. In certain dipteran species, a G→D mutation in the oxyanion hole of α-carboxylesterases (CBEs) enhances OP hydrolysis, yet this adaptation is not widespread despite the presence of orthologous CBEs in other insect species that are also exposed to OPs. The extent, and molecular basis, of evolutionary contingency and epistasis in this catalytic OP resistance has not been explored, and how further mutations might optimize OP detoxification in the future is not clear. Here, we systematically compare OP hydrolysis and analyze structures of CBE orthologs across several dipteran species, revealing that the success of the G137D mutation is sequence context-dependent. We employed laboratory-directed evolution to enhance OP turnover over 1,000-fold vs. the wildtype enzyme and tested these variants in transgenic Drosophila melanogaster, demonstrating that improved catalytic rates do not directly translate to increased resistance. By highlighting the trade-off between organophosphate affinity and turnover, this work further clarifies the complex evolutionary trajectories determining why a particular resistance mechanism may evolve in some species but not others.
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