The evolution, evolvability and engineering of gene regulatory DNA

可进化性 生物 调节顺序 计算生物学 遗传学 基因调控网络 自然选择 稳健性(进化) 基因 人类进化遗传学 基因表达调控 选择(遗传算法) 基因表达 计算机科学 系统发育学 人工智能
作者
Eeshit Dhaval Vaishnav,Carl G. de Boer,Jennifer Molinet,Moran Yassour,Fan Lin,Xian Adiconis,Dawn Thompson,Joshua Z. Levin,Francisco A. Cubillos,Aviv Regev
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:603 (7901): 455-463 被引量:159
标识
DOI:10.1038/s41586-022-04506-6
摘要

Mutations in non-coding regulatory DNA sequences can alter gene expression, organismal phenotype and fitness1–3. Constructing complete fitness landscapes, in which DNA sequences are mapped to fitness, is a long-standing goal in biology, but has remained elusive because it is challenging to generalize reliably to vast sequence spaces4–6. Here we build sequence-to-expression models that capture fitness landscapes and use them to decipher principles of regulatory evolution. Using millions of randomly sampled promoter DNA sequences and their measured expression levels in the yeast Saccharomyces cerevisiae, we learn deep neural network models that generalize with excellent prediction performance, and enable sequence design for expression engineering. Using our models, we study expression divergence under genetic drift and strong-selection weak-mutation regimes to find that regulatory evolution is rapid and subject to diminishing returns epistasis; that conflicting expression objectives in different environments constrain expression adaptation; and that stabilizing selection on gene expression leads to the moderation of regulatory complexity. We present an approach for using such models to detect signatures of selection on expression from natural variation in regulatory sequences and use it to discover an instance of convergent regulatory evolution. We assess mutational robustness, finding that regulatory mutation effect sizes follow a power law, characterize regulatory evolvability, visualize promoter fitness landscapes, discover evolvability archetypes and illustrate the mutational robustness of natural regulatory sequence populations. Our work provides a general framework for designing regulatory sequences and addressing fundamental questions in regulatory evolution. A framework for studying and engineering gene regulatory DNA sequences, based on deep neural sequence-to-expression models trained on large-scale libraries of random DNA, provides insight into the evolution, evolvability and fitness landscapes of regulatory DNA.
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