Metabolomics (Council of Medical and Biological Sciences)
50 %
Systems biology (Council of Medical and Biological Sciences)
30 %
Evolutionary ecology and genetics, coevolution (Council of Complex Environmental Sciences)
20 %
Panel
Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology
Department or equivalent
Institute of Biochemistry (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Participants
Mokochinski, Joao Benhur Szappanos, Balázs
Starting date
2018-09-01
Closing date
2023-02-28
Funding (in million HUF)
39.936
FTE (full time equivalent)
5.40
state
running project
Final report
Results in Hungarian
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.
Results in English
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
