Epistasis

La epistasis es un fenómeno en genética en el que el efecto de una mutación genética depende de la presencia o ausencia de mutaciones en uno o más genes, respectivamente denominados genes modificadores . En otras palabras, el efecto de la mutación depende del trasfondo genético en el que aparece. [2] Por lo tanto, las mutaciones epistáticas tienen efectos diferentes por sí solas que cuando ocurren juntas. Originalmente, el término epistasis significaba específicamente que el efecto de una variante genética está enmascarado por el de un gen diferente. [3]

El concepto de epistasis se originó en genética en 1907 [4] pero ahora se utiliza en bioquímica , biología computacional y biología evolutiva . Surge debido a interacciones, ya sea entre genes (como las mutaciones que también se necesitan en los reguladores de la expresión génica ) o dentro de ellos (se necesitan múltiples mutaciones antes de que el gen pierda su función), lo que lleva a efectos no lineales. La epistasis tiene una gran influencia en la forma de los paisajes evolutivos , lo que conduce a profundas consecuencias para la evolución y para la capacidad de evolución de los rasgos fenotípicos .

La comprensión de la epistasis ha cambiado considerablemente a lo largo de la historia de la genética y también lo ha hecho el uso del término. El término fue utilizado por primera vez por William Bateson y sus colaboradores Florence Durham y Muriel Wheldale Onslow . [4] En los primeros modelos de selección natural ideados a principios del siglo XX, se consideraba que cada gen hacía su propia contribución característica a la aptitud, frente a un fondo medio de otros genes. Algunos cursos introductorios todavía enseñan genética de poblaciones de esta manera. Debido a la forma en que se desarrolló la ciencia de la genética de poblaciones , los genetistas evolutivoshan tendido a pensar en la epistasis como la excepción. Sin embargo, en general, la expresión de cualquier alelo depende de manera complicada de muchos otros alelos.

En la genética clásica , si los genes A y B están mutados, y cada mutación por sí misma produce un fenotipo único, pero las dos mutaciones juntas muestran el mismo fenotipo que la mutación del gen A, entonces el gen A es epistático y el gen B es hipostático . Por ejemplo, el gen de la calvicie total es epistático del gen del cabello castaño . En este sentido, la epistasis se puede contrastar con la dominancia genética , que es una interacción entre alelos en el mismo locus génico . A medida que se desarrolló el estudio de la genética y con el advenimiento de la biología molecular , la epistasis comenzó a estudiarse en relación con los loci de rasgos cuantitativos.(QTL) y herencia poligénica .

Los efectos de los genes ahora son comúnmente cuantificables ensayando la magnitud de un fenotipo (por ejemplo , altura , pigmentación o tasa de crecimiento ) o ensayando bioquímicamente la actividad de la proteína (por ejemplo, unión o catálisis ). Los modelos de biología evolutiva y computacional cada vez más sofisticados tienen como objetivo describir los efectos de la epistasis en una escala de todo el genoma y las consecuencias de esto para la evolución . [5] [6] [7]Dado que la identificación de pares epistáticos es un desafío tanto computacional como estadísticamente, algunos estudios intentan priorizar los pares epistáticos. [8] [9]

La terminología sobre la epistasis puede variar entre campos científicos. Los genetistas a menudo se refieren a alelos de tipo salvaje y mutantes donde la mutación es implícitamente perjudicial y pueden hablar en términos de mejora genética, letalidad sintética y supresores genéticos. Por el contrario, un bioquímico puede centrarse con mayor frecuencia en mutaciones beneficiosas y, por lo tanto, declarar explícitamente el efecto de una mutación y utilizar términos como epistasis de signos recíprocos y mutación compensadora. [16] Además, existen diferencias al observar la epistasis dentro de un solo gen (bioquímica) y la epistasis dentro de un haploide o diploidegenoma (genética). En general, la epistasis se utiliza para denotar la desviación de la "independencia" de los efectos de diferentes loci genéticos. La confusión surge a menudo debido a la interpretación variada de "independencia" entre las diferentes ramas de la biología. [17] Las clasificaciones a continuación intentan cubrir los diversos términos y cómo se relacionan entre sí.

Un ejemplo de epistasis es la interacción entre el color del cabello y la calvicie. Un gen para la calvicie total sería epistático a uno para el cabello rubio o pelirrojo . Los genes del color del cabello son hipostáticos con el gen de la calvicie. El fenotipo de la calvicie reemplaza a los genes del color del cabello, por lo que los efectos no son aditivos. [ cita requerida ]
Ejemplo de epistasis en la genética del color del pelaje: si no se pueden producir pigmentos, los otros genes del color del pelaje no tienen efecto sobre el fenotipo, sin importar si son dominantes o si el individuo es homocigoto. Aquí, el genotipo "c c" para la ausencia de pigmentación es epistático sobre los otros genes. [1]
Valores de rasgos cuantitativos después de dos mutaciones, ya sea solas (Ab y aB) o en combinación (AB). Las barras contenidas en el cuadro gris indican el valor del rasgo combinado en diferentes circunstancias de epistasis. El panel superior indica epistasis entre mutaciones beneficiosas (azul). [10] [11] El panel inferior indica epistasis entre mutaciones deletéreas (rojo). [12] [13]
Dado que, en promedio, las mutaciones son perjudiciales, las mutaciones aleatorias en un organismo provocan una disminución de la aptitud. Si todas las mutaciones son aditivas, la aptitud caerá proporcionalmente al número de mutación (línea negra). Cuando las mutaciones deletéreas muestran epistasis negativa (sinérgica), son más perjudiciales en combinación que individualmente y, por lo tanto, la aptitud disminuye con el número de mutaciones a un ritmo creciente (superior, línea roja). Cuando las mutaciones muestran epistasis positiva (antagonista), los efectos de las mutaciones son menos graves en combinación que individualmente y, por lo tanto, la aptitud disminuye a un ritmo decreciente (línea azul inferior). [12] [13] [14] [15]
La fila superior indica interacciones entre dos genes que muestran ( a ) efectos aditivos, ( b ) epistasis positiva o ( c ) epistasis de signo recíproco. A continuación se muestran paisajes de fitness que muestran niveles cada vez mayores de epistasis global entre un gran número de genes. Las interacciones puramente aditivas conducen a un solo pico suave ( d ); a medida que un número creciente de genes exhibe epistasis, el paisaje se vuelve más accidentado ( e ), y cuando todos los genes interactúan epistáticamente, el paisaje se vuelve tan accidentado que las mutaciones tienen efectos aparentemente aleatorios ( f ).