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Enregistrement W4414259289 · doi:10.1101/2025.09.05.674464

Free energy perturbations in enzyme kinetic models reveal cryptic epistasis

2025· preprint· en· W4414259289 sur OpenAlexafffund
Karol Buda, Nobuhiko Tokuriki

Notice bibliographique

RevuebioRxiv (Cold Spring Harbor Laboratory) · 2025
Typepreprint
Langueen
DomaineBiochemistry, Genetics and Molecular Biology
ThématiqueProtein Structure and Dynamics
Établissements canadiensCanada's Michael Smith Genome Sciences CentreUniversity of British Columbia
Organismes subventionnairesNatural Sciences and Engineering Research Council of Canada
Mots-clésEpistasisKinetic energyParameterized complexityEnzymeMutant

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Abstract Epistasis—the context-dependence of mutational effects—is a key driver of protein evolution, influencing adaptive pathways and functional diversity. While specific epistasis arises from direct physical interactions between mutations, non-specific epistasis emerges when a non-linear mapping links a protein’s biophysical properties to its function. Enzyme kinetic parameters are assumed to be devoid of non-specific epistasis when measured in vitro , enabling direct connection of epistasis to the enzyme’s structural features. Here, we show that this assumption is incorrect: enzyme catalytic parameters like k cat and K M inherently exhibit non-specific epistasis due to the multi-state nature of the catalytic cycle. Using in silico enzyme models, parameterized by free energies of ground and transition states, we simulated 1000 “mutations” or perturbations to the sub-state free energies within the kinetic ensemble. We then combined these mutations, creating one million double mutants with strictly additive free energy effects. Despite the absence of explicit mutational interactions, we observed substantial epistasis in catalytic parameters; its prevalence and complexity increasing with the number of kinetic states in the mechanism. We derived analytical conditions for the emergence of this form of epistasis in a simple kinetic model, demonstrating that non-specific epistasis depends on the relative values of key microscopic rate constants. Finally, we validated our framework by reanalyzing kinetic data for double mutants in Bacillus cereus β-lactamase I and found that reported specific epistasis in catalytic efficiency was substantially stronger than previously inferred, altering mechanistic interpretations. Our results identify an intrinsic, previously unknown source of epistasis that can distort both the magnitude and sign of mutational effects in enzyme kinetics. We provide theoretical and computational tools for recognizing and correcting for this form of non-specific epistasis, enabling accurate mechanistic inference from kinetic data and improving our understanding of the links between epistasis, structure-function relationships, enzyme evolution, and protein design. Author Summary Enzymes help organisms convert reactants to products through a series of steps; each associated with an energy that dictates how well the enzyme catalyzes a reaction. Enzymes evolve to become more efficient, or catalyze new reactions, through mutations that change the free energies of these steps. Sometimes, the effect of one mutation depends on the presence of another, a phenomenon called epistasis. Epistasis is typically studied by measuring the effect of mutations on standard enzyme parameters under the assumption that changes in these values reflect structural interactions between mutations in the protein. Our study shows that this assumption is misleading. Even when mutations act independently on the energies of steps in an enzyme’s reaction, when combined they can create epistasis. This phenomenon arises from the complex, non-linear relationships between the parameters that define each step in the enzyme reaction and the measurements we obtain during experiments probing enzyme functions. Using computational simulations, we mathematically derive the necessary conditions for this form of epistasis, demonstrate that epistasis increases in prevalence as the enzyme reaction becomes more complex, and apply our model to published experimental data. Our findings urge that researchers should account for these effects before drawing structural conclusions from epistasis.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,003
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: Empirique
Score de désaccord entre enseignants0,005
Score d'incertitude au seuil0,010

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,003
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0010,000
Études des sciences et des technologies0,0000,001
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0000,001
Intégrité de la recherche0,0010,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,009
Tête enseignante GPT0,211
Écart entre enseignants0,202 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations2
Publié2025
Routes d'admission2
Résumé présentoui

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