适应度景观中进化轨迹的可预测性

关于酶进化的实验研究表明，只有所有可能的突变轨迹中的一小部分对进化是可及的。然而，这些实验仅针对单个酶，并探索了适应度景观的一小部分。我们报告了对基于非晶格蛋白质折叠模型构建的适应度景观的详尽分析，其中适应度等同于对错误折叠的鲁棒性。该模型模拟了氨基酸相互作用的基本特征，与蛋白质折叠的关键范式一致，并重现了直系同源蛋白间进化速率的普遍分布。我们引入平均路径发散作为定量度量，用于衡量适应度景观中起点和终点在多大程度上决定了进化路径。景观粗糙度的全局度量是所有研究景观中路径发散的良好预测因子：平滑景观中的平均路径发散大于粗糙景观。模型推导和实验景观显著比随机景观更平滑，类似于受中等量噪声扰动的加性景观；因此，这些景观对突变具有实质性的鲁棒性。与具有相似整体粗糙度的噪声加性景观相比，模型景观甚至显示出次优峰值的不足。我们认为，蛋白质进化适应度景观的平滑性和峰值的实质性不足是蛋白质折叠物理学的根本后果。