Abstract During adaptive phenotypic evolution, some selectively fixed mutations may be directly causative and others may be purely compensatory. The relative contribution of these two classes of mutation depends on the form and prevalence of mutational pleiotropy. To investigate the nature of adaptive substitutions and their pleiotropic effects, we used a protein engineering approach to characterize the molecular basis of hemoglobin (Hb) adaptation in the bar-headed goose ( Anser indicus ), a hypoxia-tolerant species renowned for its trans-Himalayan migratory flights. We synthesized and tested all possible mutational intermediates in the line of descent connecting the wildtype bar-headed goose genotype with the most recent common ancestor of bar-headed goose and its lowland relatives. Site-directed mutagenesis experiments revealed effect-size distributions of causative mutations and biophysical mechanisms underlying changes in function. Trade-offs between alternative functional properties revealed the importance of compensating deleterious pleiotropic effects in the adaptive evolution of protein function.

Multidomain proteins often interact through several independent binding sites connected by disordered linkers. The architecture of such linkers affect avidity by modulating the effective concentration of intra-molecular binding. The linker dependence of avidity has been estimated theoretically using simple physical models, but such models have not been tested experimentally since the effective concentrations could not be measured directly. We have developed a model system for bivalent protein interactions connected by disordered linkers, where the effective concentration can be measured using a competition experiment. We characterized the bivalent protein interactions kinetically and thermodynamically for a variety of linker lengths and interaction strengths. In total, this allowed us to critically assess the existing theoretical models of avidity in disordered, multivalent interactions. As expected, the onset of avidity occurs when the effective concentration reached the dissociation constant of the weakest interaction. Avidity decreased monotonously with linker length, but only by a third of what is predicted by theoretical models. We suggest that the length dependence of avidity is attenuated by compensating mechanisms such as linker interactions or entanglement. The direct role of linkers in avidity suggest they provide a generic mechanism for allosteric regulation of disordered, multivalent proteins.

Antibodies are secreted proteins that are crucial to recognition of pathogens by the immune system and are also efficient pharmaceuticals. The affinity and specificity of target recognition can increase remarkably through avidity effects, when the antibody can bind a multivalent antigen though more than one epitope simultaneously. A key goal of antibody engineering is thus to optimize avidity, but little is known about the nanoscale spatial dependence of avidity in antibodies. Here, we develop a set of anti-parallel coiled-coils spanning from 7-20 nm and validate their structure using biophysical techniques. We use the coiled-coils to control the spacing between two epitopes, and measure how antigen spacing affects the stability of the bivalent antibody:antigen complex. We find a maximal avidity enhancement at a spacing of 13 nm. In contrast to recent studies, we find the avidity to be relatively insensitive to epitope spacing near the avidity maximum as long as it is within the spatial tolerance of the antibody. We thus only see a ~2-fold variation of avidity in the range from 7-20 nm. The coiled-coil systems developed here may prove a useful protein nanocaliper for profiling the spatial tolerance and avidity profile of bispecific antibodies.