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Coupled molecular dynamics mediate long- and short-range epistasis between mutations that affect stability and aggregation kinetics

上位性 突变 生物 分子动力学 蛋白质结构 遗传学 理论(学习稳定性) 成对比较 计算生物学 化学 基因 计算化学 生物化学 计算机科学 人工智能 机器学习
作者
Haoran Yu,Paul A. Dalby
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:115 (47): E11043-E11052 被引量:124
标识
DOI:10.1073/pnas.1810324115
摘要

Multiple mutations are typically required to significantly improve protein stability or aggregation kinetics. However, when several substitutions are made in a single protein, the mutations can potentially interact in a nonadditive manner, resulting in epistatic effects, which can hamper protein-engineering strategies to improve thermostability or aggregation kinetics. Here, we have examined the role of protein dynamics in mediating epistasis between pairs of mutations. With Escherichia coli transketolase (TK) as a model, we explored the epistatic interactions between two single variants H192P and A282P, and also between the double-mutant H192P/A282P and two single variants, I365L or G506A. Epistasis was determined for several measures of protein stability, including the following: the free-energy barrier to kinetic inactivation, ∆∆G; thermal transition midpoint temperatures, Tm; and aggregation onset temperatures, Tagg Nonadditive epistasis was observed between neighboring mutations as expected, but also for distant mutations located in the surface and core regions of different domains. Surprisingly, the epistatic behaviors for each measure of stability were often different for any given pairwise recombination, highlighting that kinetic and thermodynamic stabilities do not always depend on the same structural features. Molecular-dynamics simulations and a pairwise cross-correlation analysis revealed that mutations influence the dynamics of their local environment, but also in some cases the dynamics of regions distant in the structure. This effect was found to mediate epistatic interactions between distant mutations and could therefore be exploited in future protein-engineering strategies.
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