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挿入/欠失突然変異誘発による有向酵素進化における配列空間の未踏領域へのアクセス
Accessing unexplored regions of sequence space in directed enzyme evolution via insertion/deletion mutagenesis.
PMID: 32651386 PMCID: PMC7351745. DOI: 10.1038/s41467-020-17061-3.
抄録
挿入欠失(InDels)は自然進化において頻繁に観察されるが、実験室での進化においてはその可能性はまだ開拓されていない。ここでは、トランスポゾンを用いた突然変異誘発法（TRIAD）を導入し、短いインフレームInDelsを持つランダムな変異体のライブラリを生成し、ホスホトリエステラーゼのアリレスターゼ活性をプロミスキュラーに進化させるためにTRIADライブラリをスクリーニングした。進化は、以前の点突然変異誘発キャンペーンとは異なる特徴を示しています：TRIADバリアントの平均活性がより損なわれている間、より多くの割合が活性にうまく適応しています。異なった機能プロファイルが出現した。(i)活性間の強いトレードオフと弱いトレードオフの両方が観察され、(ii)トレードオフはより深刻であり（アリールエステラーゼのk/Kは20～35倍に増加し、ホスホトリエステラーゼ活性は60～400倍に減少する）、(iii)Kだけではなくkにも改善が見られ、適応的な解決策を示唆している。これらの特徴により、TRIADは広く用いられている点突然変異誘発法に代わるものとなり、機能的イノベーションにアクセスし、未踏のフィットネスランドスケープ領域を横断することができる。
Insertions and deletions (InDels) are frequently observed in natural protein evolution, yet their potential remains untapped in laboratory evolution. Here we introduce a transposon-based mutagenesis approach (TRIAD) to generate libraries of random variants with short in-frame InDels, and screen TRIAD libraries to evolve a promiscuous arylesterase activity in a phosphotriesterase. The evolution exhibits features that differ from previous point mutagenesis campaigns: while the average activity of TRIAD variants is more compromised, a larger proportion has successfully adapted for the activity. Different functional profiles emerge: (i) both strong and weak trade-off between activities are observed; (ii) trade-off is more severe (20- to 35-fold increased k/K in arylesterase with 60-400-fold decreases in phosphotriesterase activity) and (iii) improvements are present in k rather than just in K, suggesting adaptive solutions. These distinct features make TRIAD an alternative to widely used point mutagenesis, accessing functional innovations and traversing unexplored fitness landscape regions.