Metabolomika (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
50 %
Rendszerbiológia (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
30 %
Evolúciós ökológia és genetika, koevolúció (Komplex Környezettudományi Kollégium)
20 %
zsűri
Genetika, Genomika, Bioinformatika és Rendszerbiológia
Kutatóhely
Biokémiai Intézet (HUN-REN Szegedi Biológiai Kutatóközpont)
résztvevők
Mokochinski Joao Benhur Szappanos Balázs
projekt kezdete
2018-09-01
projekt vége
2023-02-28
aktuális összeg (MFt)
39.936
FTE (kutatóév egyenérték)
5.40
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Az örökítőanyagban folyamatosan megjelenő káros hatású mutációk erős szelekciós nyomást gyakorolnak az élőlényekre. Ezen káros hatásokat a genom egyéb területén megjelenő kompenzáló mutációk képesek tompítani, mely a káros mutációk populációk közötti evolúciós divergenciában betöltött szerepére utalhat. Valóban számos példa bizonyítja a kompenzáló mutációk szerepét a fajok között RNS molekulák és fehérjék szintjén megjelenő divergenciában. A kompenzáló mutációk összetett biológiai hálózatok divergenciájára gyakorolt hatásairól azonban kevés információ áll rendelkezésünkre. Ez egy jelentős hiányosság a tudásunkban, tekintettel arra, hogy a hagyományos elképzelés szerint a molekuláris hálózatok fajok közötti különbségei előnyös vagy neutrális mutációk felhalmozásának eredménye. Munkánk alapfelvetése, hogy a biológiai hálózatok evolúciójában fontos szerepe van kompenzáló alkalmazkodási folyamatoknak. Jelen kutatás a kompenzáló evolúció anyagcsereállapotokra gyakorolt hatásait vizsgálja, melyhez a legkorszerűbb metabolomikai és molekuláris biológiai technikákat alkalmazzuk laboratóriumban evolváltatott géndeléciós E. coli törzseken. Eredményeink teljeskörű áttekintés biztosítanak majd a metabolitszintek változásáról és az azok hátterében meghúzódó genetikai folyamatokról, így segítenek megérteni a génvesztéshez történő alkalmazkodás során kialakuló anyagcsereállapot-divergencia folyamatát. Eredményeink kiemelt biotechnológiai jelentőséggel bírnak, tekintettel arra, hogy az ipari törzsszelekciós eljárások során nem ritkák a káros mellékhatások sem, melyek mindemellett újabb utakat nyitnak meg a kompenzációs alkalmazkodási folyamatoknak.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A hagyományos elképzelés szerint a molekuláris hálózatok fajok közötti különbségei előnyös vagy neutrális mutációk felhalmozásának eredménye. Munkánk alapfelvetése, hogy a biológiai hálózatok evolúciójában fontos szerepe van kompenzáló alkalmazkodási folyamatoknak. Korábbi eredmények alapján tudjuk, hogy kompenzáló evolúció során a növekedési ráta emelkedésével párhuzamosan új anyagcsereállapotok is elérhetők, ez pedig a jelenség anyagcsereállapot-divergenciában betöltött fontos szerepére utalhat. Vizsgálatunkban a anyagcsereállapotok átrendeződésének módját vizsgáljuk a molekuláris biológia és a metabolomika eszközeit laboratórium evolúciós E. coli vonalakon ötvözve. 1. Létrejöhetnek-e új anyagcsere-megoldások kompenzáló evolúció következtében? 2. Létrejöhetnek-e alternatív anyagcsere-megoldások a párhuzamos evolúciós utakon (egy adott géndeléciós háttérről induló párhuzamos evolúciós vonalakban)? 3. Helyi vagy rendszerszintű anyagcsereállapot változásokat idéz elő a kompenzáló evolúció? Ha rendszerszintű átrendeződést tapasztalunk, az az egyes deléciós törzsek között átfedő metabolikus válaszok azonosítását is lehetővé teszi. 4. Melyek az anyagcsereállapot-divergenciát okozó mutációk? 5. Mi a kapcsolat a génkifejeződésbeli változások és a anyagcsereállapot-divergencia között? 6. A kompenzáló evolúció alatt létrejött metabolikus újítások jelentenek-e előny új környezethez való alkalmazkodás során?
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Munkánk alapfelvetése, hogy a biológiai hálózatok evolúciójában fontos szerepe van kompenzáló alkalmazkodási folyamatoknak. Fontos kiemelni, hogy ezt a témát rendszerszinten a legújabb módszereket ötvözve kutatócsoportunk vizsgálja először a világon. A kutatás bonyolult kísérletek elvégzését igényli, melyre nemzetközi szinten is kevés laboratórium alkalmas, a laboratóriumunk azonban rendelkezik mindazokkal a feltételekkel, melyek a kitűzött célok sikeres végrehajtásához szükségesek. Az általunk elért eredmények több tudományterületre is jelentős hatást gyakorolhatnak: 1. Eredményeink igazolhatják, hogy az anyagcsereállapotok állandó környezeti feltételek mellett is divergálódhatnak. Ez a megállapítás pedig azt a feltevést igazolja, hogy az erősen káros mutációk mintegy evolúciós „ugródeszkaként” működve egyébként megközelíthetetlen fitnesz csúcsok elérését teszik lehetővé. Azt is tapasztalhatjuk, hogy a kompenzáló evolúció legtöbbször a vad típusú anyagcsereállapotba vezet vissza. Ha így van, akkor ez azt jelenti, hogy egy magas fitneszű állapothoz csak egy anyagcsereállapot (optimum) tartozhat (vagy legalábbis elérhető távolságban egy ilyen állapot található). 2. Megvizsgáljuk, hogy a fitnesz növekményt biztosító mutációk miképp befolyásolják az anyagcserehálózat átrendeződését. Ezen eredményeink a genommérnökség segítségével felhasználhatóak lesznek célzott anyagcsereutak hatékonyságának növeléséhez. 3. Feltárjuk, hogy a génkifejeződésbeli változások milyen mértékben játszanak szerepet az anyagcsereállapotok divergenciájában. Megfigyelhetünk majd olyan eseteket, ahol jelentős metabolikus változások következnek be a génszabályozás különösebb megváltozása nélkül. 4. Választ keresünk arra, hogy vajon a metabolikus újítások csak a kompenzációs alkalmazkodás melléktermékeként jöttek-e létre. Vizsgálatainkkal egy teljesen új evolúciós megoldás ( „elő-alkalmazkodás”) létét bizonyíthatjuk, és igazolhatjuk az erősen káros mutációk új környetethez való alkalamazkodásban betöltött szerepét. 5. A káros mutációk hatásai a genom egyéb területén megjelenő kompenzáló mutációkal tompíthatók, így a kompenzáló evolúció egy hasznos eszköz humán genetikai betegségek elleni terápiás megoldások kifejlesztésében.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Az élőlények életképességét befolyásolja, hogy káros genetikai változások (mutációk) folyamatosan keletkeznek a genetikai állományban. Léteznek azonban olyan folyamatok, melyek során ezek a káros hatások az örökítőanyag más pontjain megjelenő újabb mutációkkal (kompenzáló mutációk) mérsékelhetők. Ismert, hogy kompenzáló mutációk azzal, hogy változásokat idéznek elő RNS molekulákban és fehérjékben, a molekulák sokféleségének kialakításához járulnak hozzá. Azonban az kevésbé ismert, hogy milyen hatással vannak ezek a mutációk a bonyolult biológiai hálózatok változatosságára. Jelen kutatás a kompenzáló evolúciót teljesen új nézőpontból, az anyagcserehálózatra gyakorolt hatásain keresztül vizsgálja. A kompenzáló evolúció anyagcserehálózatra gyakorolt hatásainak és általános törvényszerűségeinek felderítéséhez a legújabb módszerek segítségével olyan baktérium törzseket vizsgálunk, melyek laboratóriumi körülmények között leküzdötték növekedésbeli hátrányukat. Eredményeink mind az anyagcsereállapotok megváltozásának módjáról, mind pedig annak genetikai hátteréről információt fognak szolgáltatni. Kutatásunknak fontos ipari vonatkozásai is vannak; hatékonyabbá tehetik az ipari alapanyagokat termelő mikroorganizmusok nemesítési eljárásait.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Deleterious mutations are continuously generated in the genome, thus exerting a strong selection pressure on the given organism. The harmful effect of such mutations can often be suppressed by compensatory genetic changes elsewhere in the genome, raising the possibility that harmful mutations contribute to evolutionary divergence between lineages. Indeed, several instances showed the role of compensatory genetic changes in the between-species divergence of single RNA or protein molecules. However, little is known about the effect of compensatory evolution on the divergence of complex molecular networks. This is an important gap in our knowledge, because traditionally between-species differences in molecular networks are assumed to arise through the accumulation of beneficial or neutral mutations. Here we propose that compensatory adaptation is a key evolutionary force with a profound impact on cellular networks. The present project aims to investigate the impact of compensatory adaptation on the evolution of metabolic networks. Specifically, we will apply advanced metabolomics and molecular biology techniques on a set of laboratory-evolved single-gene knockout E. coli strains to reveal the general principles of how compensatory mutations contribute to metabolic divergence. Our findings have relevance for biotechnology, as genetic modifications introduced towards a desired industrial phenotype may often induce detrimental side effects and thereby create ample opportunity for compensatory adaptation.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. Traditionally between-species differences in molecular networks are assumed to arise through the accumulation of beneficial or neutral mutations. We propose that compensatory adaptation is a key evolutionary force with a profound impact on cellular networks, including metabolic networks. A previous case study showed that the harmful effect of a deleterious mutation can be recovered via new metabolic states during compensatory evolution, however, the question has not been systematically addressed. The present project combines the tools of molecular biology and metabolomics approaches to address several open questions about the existence, frequency and general principles of metabolic rewiring in compensatory evolved E. coli lines carrying single gene disruptions.
1. Can alternative metabolic configurations emerge during compensatory evolution? 2. Are alternative metabolic configurations accessible via parallel evolution (i.e. independent evolutionary lineages starting from the same knockout genotype)? 3. Do metabolic changes upon compensatory evolution act on a local or a global scale? We might identify instances of global rewiring, allowing us to examine whether overlapping metabolites / pathways are involved in these evolutionary responses. 4. Which are the specific compensatory mutations underlying metabolic divergence? 5. What are the links between gene expression changes and metabolic divergence? 6. Can compensatory evolution play a role in adaptation to novel environments as a byproduct?
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. We propose that compensatory adaptation is a key evolutionary force with a profound impact on metabolic networks. It is noteworthy, that we are the first worldwide to investigate this issue in a systematic manner by combining state-of-the art methodologies. Due to the combination of expertise required (i.e. systems biology, evolutionary biology and functional genomics), these experiments can only be conducted in very few laboratories internationally. The host laboratory provides excellent research conditions to accomplish the proposed goals. The lessons from our findings could be relevant for various areas of evolutionary and systems biology: 1. The identification of novel metabolome patterns will indicate that metabolic states can diverge in a constant environment through accumulation of compensatory mutations. This will support the hypothesis on the role of a strongly deleterious mutations serving as evolutionary stepping stones to reach otherwise inaccessible fitness peaks. Alternatively, we may identify strong restoration of the metabolome. If so, it would indicate that alternative high-fitness metabolome states (optima) are either non-existent or are far away in the genotype space. 2. We will decipher how different types of fitness-recovering mutations contribute to metabolic rewiring. This might have a profound impact on metabolic engineering to increase biosynthetic capacity of certain metabolic pathways. 3. We will infer the relationship between transcriptomic and metabolic rewiring. We might find cases with considerable changes in metabolic profiles, but with no signs of transcriptomic changes. These findings will indicate that evolutionary rewiring of metabolism doesn’t necessarily require large transcriptional changes. 4. We ask, whether metabolic innovations can arise as byproducts of compensatory adaptation. This would present a radically new evolutionary scenario as it works through pre-adaptation in a constant environment. 5. As deleterious mutations might be rescued by secondary mutations during evolution, compensatory evolution can be used as an effective tool to identify genetic solutions leading to therapeutic agents, therefore has relevance in human medicine.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Deleterious mutations are continuously generated in the genome which influence the viability of the given organism. The harmful effect of such mutations can often be compensated by accumulating compensatory mutations elsewhere in the genome. It has been shown, that compensatory mutations can increase the diversity at molecular level, as secondary mutations compensate the effect of deleterious mutations, which leads to changes in proteins or in single RNA molecules. However, little is known about how compensatory evolution can lead to evolutionary changes in molecular networks. The present project represents a novel perspective; we will explore the impact of compensatory evolution on the behaviour of metabolic networks. We will investigate this process in the laboratory using a large set of single gene deletion E. coli strains that underwent compensatory evolution to recover their growth defect. By combining advanced laboratory techniques, we will reveal the general principles of how compensatory mutations contribute to the evolution of metabolic behaviour. Our findings have relevance for biotechnology, as genetic modifications introduced towards a desired industrial phenotype may often have deleterious side effects and thereby create several opportunities for compensatory adaptation.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
A géndeléciók káros hatásait a genom más területein megjelenő kompenzáló mutációk képesek tompítani. Feltételezéseink szerint a kompenzáló evolúció jelentős változásokat eredményezhet molekuláris és fenotípusos tulajdonságokban anélkül, hogy ezek közvetlen szelekciós nyomás alatt állnának. Fenomikai és transzkriptomikai adatok segítségével két külön projektben vizsgáltuk a kompenzáló evolúció mikrobiális evolúcióban betöltött újító szerepét; i) a kompenzáló evolúció új morfológiák megjelenésére gyakorolt hatását vizsgáltuk Saccharomyces cerevisiae-ben, ii) Escherichia coli törzseken vizsgáltuk, hogy az anyagcsere gének elvesztését követő kompenzáló evolúció hogyan vezethet egyúttal új szénforráshoz való alkalmazkodáshoz. Fitneszkompenzált élesztőtörzsek vizsgálatával bemutattuk, hogy géndelécióval rendelkező élesztők hajlamosak új, akár többsejtű morfológiák kialakítására is. Laboratóriumban evolváltatott géndeléciós Escherichia coli törzseket vizsgálva kimutattuk, hogy a anyagcsere gének deléciója és az azt követő kompenzáló mutációk mellékhatásként a génszabályozási hálózat átrendezésével képesek új környezetekben az anyagcsere hatékonyságának növelésére. Projektünk fontos bizonyítékokkal támasztja alá a hipotézist, mely szerint a génvesztés és az azt követő kompenzáló mutációk a fenotípusos innováció mozgatórugói. Ennek eredményeként felfedezésünk megkérdőjelezi azt az általánosan elterjedt nézetet, hogy a funkcióvesztéses mutációknak nincs jelentősége az adaptív evolúcióban.
kutatási eredmények (angolul)
Deleterious mutations can be suppressed by compensatory genetic changes elsewhere in the genome, resulting in evolutionary divergence between lineages. We propose that compensatory evolution following the fixation of deleterious loss-of-function mutations initiates major changes in molecular and phenotypic traits without direct selection on them. By collecting phenomic and transcriptomic data we studied the constructive role of compensatory evolution in microbial evolution in two separate research projects; i) we studied the effect of compensatory evolution on the emergence of new morphologies by focusing on S. cerevisiae, ii) we studied how compensatory evolution-driven metabolic alterations contribute to preadaptation of E. coli strains to new nutrient environments. Our analysis of a collection of fitness-compensated yeast strains revealed that yeasts with gene losses tend to evolve new morphologies, even multicellular ones. By screening a set of laboratory-evolved single-gene knockout E. coli strains we demonstrated that enzyme loss and subsequent compensatory mutations can improve metabolic efficiency in novel environments through regulatory rewiring without direct selection on them.
In this project, we provided evidence to support the hypothesis that gene loss and compensatory mutations are driving forces of phenotypic innovation. As a result, our discovery challenges the commonly held belief that loss-of-function mutations have no relevance to adaptive evolution.
Kovács Károly, Farkas Zoltán, Bajić Djordje, Kalapis Dorottya, Daraba Andreea, Almási Karola, Kintses Bálint, Bódi Zoltán, Notebaart Richard A, Poyatos Juan F, Kemmeren Patrick, Holstege Frank C P, Pál Csaba, Papp Balázs: Suboptimal global transcriptional response increases the harmful effects of loss-of-function mutations, MOLECULAR BIOLOGY AND EVOLUTION 38: (3) pp. 1137-1150., 2021
Farkas Zoltán, Kovács Károly, Sarkadi Zsuzsa, Kalapis Dorottya, Fekete Gergely, Birtyik Fanni, Ayaydin Ferhan, Molnár Csaba, Horváth Péter, Pál Csaba, Papp Balázs: Gene loss and compensatory evolution promotes the emergence of morphological novelties in budding yeast, NATURE ECOLOGY & EVOLUTION 6: (6) pp. 763-773., 2022
