Allostery is a fundamental biophysical mechanism that underlies cellular sensing, signaling, and metabolism. Quantitative methods to characterize the genotype-phenotype relationships for allosteric proteins would provide data needed to improve engineering of biological systems, to uncover the role of allosteric mis-regulation in disease, and to develop allosterically targeted drugs1. Here we report the large-scale measurement of the genotype-phenotype landscape for an allosteric protein: the lac repressor from Escherichia coli, LacI. Using a method that combines long-read and short-read DNA sequencing, we quantitatively determine the dose-response curves for nearly 105 variants of the LacI sensor. With the resulting data, we train a deep neural network (DNN) capable of predicting the dose-response curves for additional LacI genotypes in silico. We then map the impact of amino acid substitutions on the allosteric function of LacI. Additionally, we demonstrate engineering of allosteric function with unprecedented accuracy by identifying LacI variants from the measured landscape with quantitatively specified dose-response curves. Finally, we discover sensors with previously unreported band-stop dose-response curves. Overall, our results provide the first high-coverage, quantitative view of genotype-phenotype relationships for an allosteric protein, revealing a surprising diversity of phenotypes and showing that each phenotype is accessible via multiple distinct genotypes.

中文翻译：

---

变构蛋白的基​​因型-表型景观

变构是细胞感测，信号传导和代谢基础的基本生物物理机制。表征变构蛋白基因型与表型关系的定量方法将提供改善生物学系统工程，揭示变构异常调节在疾病中的作用以及开发变构靶向药物所需的数据1。在这里，我们报告了一种变构蛋白：来自大肠杆菌LacI的lac阻遏物的基因型-表型景观的大规模测量。使用结合长读和短读DNA测序的方法，我们定量确定了LacI传感器近105个变体的剂量反应曲线。利用所得数据，我们训练了一个深层神经网络（DNN），该网络能够预测计算机中其他LacI基因型的剂量反应曲线。然后，我们绘制了氨基酸取代对LacI的变构功能的影响。此外，我们通过定量确定的剂量反应曲线，从被测景观中鉴定LacI变体，从而以前所未有的精度展示了变构功能的工程设计。最后，我们发现了具有以前未报告的带阻剂量响应曲线的传感器。总的来说，我们的结果为变构蛋白的基​​因型与表型关系提供了第一个高覆盖率的定量视图，揭示了令人惊讶的表型多样性，并表明每种表型都可以通过多种不同的基因型访问。我们通过用定量指定的剂量反应曲线从被测景观中识别LacI变体，以前所未有的精度证明了变构功能的工程设计。最后，我们发现了具有以前未报告的带阻剂量响应曲线的传感器。总的来说，我们的结果为变构蛋白的基​​因型与表型关系提供了第一个高覆盖率的定量视图，揭示了令人惊讶的表型多样性，并表明每种表型都可以通过多种不同的基因型访问。我们通过用定量指定的剂量反应曲线从被测景观中识别LacI变体，以前所未有的精度证明了变构功能的工程设计。最后，我们发现了具有以前未报告的带阻剂量响应曲线的传感器。总的来说，我们的结果为变构蛋白的基​​因型与表型关系提供了第一个高覆盖率的定量视图，揭示了令人惊讶的表型多样性，并表明每种表型都可以通过多种不同的基因型访问。