Gene duplications have a major role in the evolution of new biological functions. Theoretical studies often assume that a duplication per se is selectively neutral and that, following a duplication, one of the gene copies is freed from purifying (stabilizing) selection, which creates the potential for evolution of a new function. In search of systematic evidence of accelerated evolution after duplication, we used data from 26 bacterial, six archaeal, and seven eukaryotic genomes to compare the mode and strength of selection acting on recently duplicated genes (paralogs) and on similarly diverged, unduplicated orthologous genes in different species. We find that the ratio of nonsynonymous to synonymous substitutions (Kn/Ks) in most paralogous pairs is <<1 and that paralogs typically evolve at similar rates, without significant asymmetry, indicating that both paralogs produced by a duplication are subject to purifying selection. This selection is, however, substantially weaker than the purifying selection affecting unduplicated orthologs that have diverged to the same extent as the analyzed paralogs. Most of the recently duplicated genes appear to be involved in various forms of environmental response; in particular, many of them encode membrane and secreted proteins. The results of this analysis indicate that recently duplicated paralogs evolve faster than orthologs with the same level of divergence and similar functions, but apparently do not experience a phase of neutral evolution. We hypothesize that gene duplications that persist in an evolving lineage are beneficial from the time of their origin, due primarily to a protein dosage effect in response to variable environmental conditions; duplications are likely to give rise to new functions at a later phase of their evolution once a higher level of divergence is reached.

The origins of neural systems remain unresolved. In contrast to other basal metazoans, ctenophores (comb jellies) have both complex nervous and mesoderm-derived muscular systems. These holoplanktonic predators also have sophisticated ciliated locomotion, behaviour and distinct development. Here we present the draft genome of Pleurobrachia bachei, Pacific sea gooseberry, together with ten other ctenophore transcriptomes, and show that they are remarkably distinct from other animal genomes in their content of neurogenic, immune and developmental genes. Our integrative analyses place Ctenophora as the earliest lineage within Metazoa. This hypothesis is supported by comparative analysis of multiple gene families, including the apparent absence of HOX genes, canonical microRNA machinery, and reduced immune complement in ctenophores. Although two distinct nervous systems are well recognized in ctenophores, many bilaterian neuron-specific genes and genes of 'classical' neurotransmitter pathways either are absent or, if present, are not expressed in neurons. Our metabolomic and physiological data are consistent with the hypothesis that ctenophore neural systems, and possibly muscle specification, evolved independently from those in other animals.

Fitness landscapes depict how genotypes manifest at the phenotypic level and form the basis of our understanding of many areas of biology, yet their properties remain elusive. Previous studies have analysed specific genes, often using their function as a proxy for fitness, experimentally assessing the effect on function of single mutations and their combinations in a specific sequence or in different sequences. However, systematic high-throughput studies of the local fitness landscape of an entire protein have not yet been reported. Here we visualize an extensive region of the local fitness landscape of the green fluorescent protein from Aequorea victoria (avGFP) by measuring the native function (fluorescence) of tens of thousands of derivative genotypes of avGFP. We show that the fitness landscape of avGFP is narrow, with 3/4 of the derivatives with a single mutation showing reduced fluorescence and half of the derivatives with four mutations being completely non-fluorescent. The narrowness is enhanced by epistasis, which was detected in up to 30% of genotypes with multiple mutations and mostly occurred through the cumulative effect of slightly deleterious mutations causing a threshold-like decrease in protein stability and a concomitant loss of fluorescence. A model of orthologous sequence divergence spanning hundreds of millions of years predicted the extent of epistasis in our data, indicating congruence between the fitness landscape properties at the local and global scales. The characterization of the local fitness landscape of avGFP has important implications for several fields including molecular evolution, population genetics and protein design.

Transcription is a slow and expensive process: in eukaryotes, approximately 20 nucleotides can be transcribed per second at the expense of at least two ATP molecules per nucleotide. Thus, at least for highly expressed genes, transcription of long introns, which are particularly common in mammals, is costly. Using data on the expression of genes that encode proteins in Caenorhabditis elegans and Homo sapiens, we show that introns in highly expressed genes are substantially shorter than those in genes that are expressed at low levels. This difference is greater in humans, such that introns are, on average, 14 times shorter in highly expressed genes than in genes with low expression, whereas in C. elegans the difference in intron length is only twofold. In contrast, the density of introns in a gene does not strongly depend on the level of gene expression. Thus, natural selection appears to favor short introns in highly expressed genes to minimize the cost of transcription and other molecular processes, such as splicing.

Autoluminescent plants engineered to express a bacterial bioluminescence gene cluster in plastids have not been widely adopted because of low light output. We engineered tobacco plants with a fungal bioluminescence system that converts caffeic acid (present in all plants) into luciferin and report self-sustained luminescence that is visible to the naked eye. Our findings could underpin development of a suite of imaging tools for plants.

Abstract AlphaFold changed the field of structural biology by achieving three-dimensional (3D) structure prediction from protein sequence at experimental quality. The astounding success even led to claims that the protein folding problem is “solved”. However, protein folding problem is more than just structure prediction from sequence. Presently, it is unknown if the AlphaFold-triggered revolution could help to solve other problems related to protein folding. Here we assay the ability of AlphaFold to predict the impact of single mutations on protein stability (ΔΔG) and function. To study the question we extracted metrics from AlphaFold predictions before and after single mutation in a protein and correlated the predicted change with the experimentally known ΔΔG values. Additionally, we correlated the AlphaFold predictions on the impact of a single mutation on structure with a large scale dataset of single mutations in GFP with the experimentally assayed levels of fluorescence. We found a very weak or no correlation between AlphaFold output metrics and change of protein stability or fluorescence. Our results imply that AlphaFold cannot be immediately applied to other problems or applications in protein folding.

ABSTRACT Mutational processes in germline and in somatic cells are vastly different, and it remains unclear how the same genetic background affects somatic and transmissible mutations. Here, we estimate the impact of an inherited pathogenic variant in the exonuclease domain of polymerase delta (Polδ) on somatic and germline mutational processes and cancer development. In germline cells and in non-cancer somatic cells, the POLD1 L474P variant increases the mutation burden only slightly, contributing ∼11.8% and ∼14.7% of mutations respectively, although it strongly distorts the mutational spectra. By contrast, tumors developed by carriers of inherited pathogenic variants in POLD1 harbor a DNA rearrangement that results in a homozygous state of the pathogenic variant, leading to an extremely high mutation rate. Thus, mutations in both alleles of POLD1 gene are required for strong increase in mutation rate suggesting recessiveness of Poldδ proofreading. These results show a similar role of Polδ in germline and somatic replication, and, together with previous findings, illustrate the important differences between Polδ and Polε in the disruption of their replication fidelity.

Studies of protein fitness landscapes reveal biophysical constraints guiding protein evolution and empower prediction of functional proteins. However, generalisation of these findings is limited due to scarceness of systematic data on fitness landscapes of proteins with a defined evolutionary relationship. We characterized the fitness peaks of four orthologous fluorescent proteins with a broad range of sequence divergence. While two of the four studied fitness peaks were sharp, the other two were considerably flatter, being almost entirely free of epistatic interactions. Counterintuitively, mutationally robust proteins, characterized by a flat fitness peak, were not optimal templates for machine-learning-driven protein design – instead, predictions were more accurate for fragile proteins with epistatic landscapes. Our work paves insights for practical application of fitness landscape heterogeneity in protein engineering.