La epistasis es un fenómeno genético en el que el efecto de una mutación genética depende de la presencia o ausencia de mutaciones en uno o más genes, denominados genes modificadores respectivamente . En otras palabras, el efecto de la mutación depende del contexto genético en el que aparece. [2] Por lo tanto, las mutaciones epistáticas tienen efectos diferentes por sí solas que cuando se producen 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 . El fenómeno 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 (múltiples mutaciones que se necesitan antes de que el gen pierda la 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 , al igual que 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, en comparación con un fondo promedio de otros genes. Algunos cursos introductorios aún enseñan genética de poblaciones de esta manera. Debido a la forma en que se desarrolló la ciencia de la genética de poblaciones , los genetistas evolutivos han 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 genética clásica , si los genes A y B están mutados, y cada mutación por sí sola 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 con respecto al gen del cabello castaño . En este sentido, la epistasis puede contrastarse con la dominancia genética , que es una interacción entre alelos en el mismo locus genético . 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 la herencia poligénica .
Los efectos de los genes son ahora comúnmente cuantificables mediante el análisis de la magnitud de un fenotipo (por ejemplo, altura , pigmentación o tasa de crecimiento ) o mediante el análisis bioquímico de la actividad proteica (por ejemplo, unión o catálisis ). Los modelos computacionales y de biología evolutiva cada vez más sofisticados apuntan a describir los efectos de la epistasis a escala del 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 estadístico, algunos estudios intentan priorizar los pares epistáticos. [8] [9]
La terminología sobre la epistasis puede variar entre los 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 más frecuencia en mutaciones beneficiosas y, por lo tanto, indicar explícitamente el efecto de una mutación y utilizar términos como epistasis de signo recíproco y mutación compensatoria. [16] Además, existen diferencias cuando se analiza la epistasis dentro de un solo gen (bioquímica) y la epistasis dentro de un genoma haploide o diploide (genética). En general, la epistasis se utiliza para denotar la desviación de la "independencia" de los efectos de diferentes loci genéticos. A menudo surge confusión debido a la variada interpretación 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.
Se considera que dos mutaciones son puramente aditivas si el efecto de la doble mutación es la suma de los efectos de las mutaciones individuales. Esto ocurre cuando los genes no interactúan entre sí, por ejemplo, actuando a través de diferentes vías metabólicas . En términos simples, los rasgos aditivos se estudiaron al principio de la historia de la genética , sin embargo, son relativamente raros, y la mayoría de los genes exhiben al menos algún nivel de interacción epistática. [18] [19]
Cuando la doble mutación tiene un fenotipo más adecuado que el esperado a partir de los efectos de las dos mutaciones simples, se habla de epistasis positiva . La epistasis positiva entre mutaciones beneficiosas genera mayores mejoras en la función que las esperadas. [10] [11] La epistasis positiva entre mutaciones perjudiciales protege contra los efectos negativos y provoca una caída menos grave de la aptitud. [13]
Por el contrario, cuando dos mutaciones juntas dan lugar a un fenotipo menos adecuado que el esperado a partir de sus efectos cuando están solas, se denomina epistasis negativa . [20] [21] La epistasis negativa entre mutaciones beneficiosas provoca mejoras de aptitud más pequeñas que las esperadas, mientras que la epistasis negativa entre mutaciones perjudiciales provoca caídas de aptitud mayores que las aditivas. [12]
Independientemente, cuando el efecto sobre la aptitud de dos mutaciones es más radical de lo esperado a partir de sus efectos cuando están solas, se denomina epistasis sinérgica . La situación opuesta, cuando la diferencia de aptitud del mutante doble del tipo salvaje es menor de lo esperado a partir de los efectos de las dos mutaciones individuales, se denomina epistasis antagónica . [15] Por lo tanto, para las mutaciones deletéreas, la epistasis negativa también es sinérgica, mientras que la epistasis positiva es antagónica; por el contrario, para las mutaciones ventajosas, la epistasis positiva es sinérgica, mientras que la epistasis negativa es antagónica.
El término mejora genética se utiliza a veces cuando un mutante doble (perjudicial) tiene un fenotipo más severo que los efectos aditivos de los mutantes simples. Los creacionistas a veces se refieren a la epistasis positiva fuerte como complejidad irreducible (aunque la mayoría de los ejemplos están mal identificados ).
La epistasis de signos [22] ocurre cuando una mutación tiene el efecto opuesto cuando está en presencia de otra mutación. Esto ocurre cuando una mutación que es perjudicial por sí misma puede mejorar el efecto de una mutación beneficiosa particular. [17] Por ejemplo, un cerebro grande y complejo es un desperdicio de energía sin una variedad de órganos sensoriales , pero los órganos sensoriales se vuelven más útiles con un cerebro grande y complejo que puede procesar mejor la información. Si un paisaje de aptitud no tiene epistasis de signos, entonces se llama liso .
En su forma más extrema, la epistasis de signos recíproca [23] ocurre cuando dos genes deletéreos son beneficiosos cuando están juntos. Por ejemplo, producir una toxina por sí sola puede matar una bacteria , y producir un exportador de toxinas por sí solo puede desperdiciar energía, pero producir ambos puede mejorar la aptitud al matar organismos en competencia . Si un paisaje de aptitud tiene epistasis de signos pero no epistasis de signos recíproca, entonces se llama semiliso . [24]
La epistasis de signos recíprocos también conduce a la supresión genética por la cual dos mutaciones deletéreas son menos dañinas juntas que cada una por separado, es decir, una compensa a la otra. Un claro ejemplo de supresión genética fue la demostración de que en el ensamblaje del bacteriófago T4 dos mutaciones deletéreas , cada una causando una deficiencia en el nivel de una proteína morfogenética diferente , podrían interactuar positivamente. [25] Si una mutación causa una reducción en un componente estructural particular, esto puede provocar un desequilibrio en la morfogénesis y la pérdida de progenie viable del virus, pero la producción de progenie viable puede restaurarse mediante una segunda mutación (supresora) en otro componente morfogenético que restablezca el equilibrio de los componentes proteicos.
El término supresión genética también puede aplicarse a la epistasis de signos en la que el mutante doble tiene un fenotipo intermedio entre los de los mutantes simples, en cuyo caso el fenotipo más grave del mutante simple es suprimido por la otra mutación o condición genética. Por ejemplo, en un organismo diploide , un fenotipo mutante hipomórfico (o con pérdida parcial de función) puede suprimirse eliminando una copia de un gen que actúa de manera opuesta en la misma vía. En este caso, el segundo gen se describe como un "supresor dominante" del mutante hipomórfico; "dominante" porque el efecto se ve cuando está presente una copia de tipo salvaje del gen supresor (es decir, incluso en un heterocigoto). Para la mayoría de los genes, el fenotipo de la mutación supresora heterocigótica por sí mismo sería de tipo salvaje (porque la mayoría de los genes no son haploinsuficientes), de modo que el fenotipo del mutante doble (suprimido) es intermedio entre los de los mutantes simples.
En la epistasis de signos no recíprocos, la aptitud del mutante se encuentra en el medio de la de los efectos extremos observados en la epistasis de signos recíprocos.
Cuando dos mutaciones son viables por sí solas pero letales en combinación, se denomina letalidad sintética o no complementación no ligada . [26]
En un organismo haploide con genotipos (en dos loci ) ab , Ab , aB o AB , podemos pensar en diferentes formas de epistasis que afectan la magnitud de un fenotipo tras una mutación de forma individual (Ab y aB) o en combinación (AB).
La epistasis en organismos diploides se complica aún más por la presencia de dos copias de cada gen. La epistasis puede ocurrir entre loci, pero además, pueden ocurrir interacciones entre las dos copias de cada locus en heterocigotos . Para un sistema de dos locus y dos alelos , hay ocho tipos independientes de interacción genética. [27]
Este puede ser el caso cuando múltiples genes actúan en paralelo para lograr el mismo efecto. Por ejemplo, cuando un organismo necesita fósforo , múltiples enzimas que descomponen diferentes componentes fosforilados del entorno pueden actuar de forma aditiva para aumentar la cantidad de fósforo disponible para el organismo. Sin embargo, inevitablemente llega un punto en el que el fósforo ya no es el factor limitante para el crecimiento y la reproducción y, por lo tanto, las mejoras adicionales en el metabolismo del fósforo tienen un efecto menor o nulo (epistasia negativa). También se ha descubierto específicamente que algunos conjuntos de mutaciones dentro de los genes son aditivos. [28] Ahora se considera que la aditividad estricta es la excepción, en lugar de la regla, ya que la mayoría de los genes interactúan con cientos o miles de otros genes. [18] [19]
La epistasis dentro de los genomas de los organismos se produce debido a interacciones entre los genes dentro del genoma. Esta interacción puede ser directa si los genes codifican proteínas que, por ejemplo, son componentes separados de una proteína multicomponente (como el ribosoma ), inhiben la actividad de cada uno, o si la proteína codificada por un gen modifica al otro (como por fosforilación ). Alternativamente, la interacción puede ser indirecta, donde los genes codifican componentes de una vía o red metabólica , vía de desarrollo , vía de señalización o red de factores de transcripción . Por ejemplo, el gen que codifica la enzima que sintetiza la penicilina no es de ninguna utilidad para un hongo sin las enzimas que sintetizan los precursores necesarios en la vía metabólica.
Así como las mutaciones en dos genes separados pueden ser no aditivas si esos genes interactúan, las mutaciones en dos codones dentro de un gen pueden ser no aditivas. En genética, esto a veces se llama supresión intragénica cuando una mutación deletérea puede ser compensada por una segunda mutación dentro de ese gen. El análisis de mutantes del bacteriófago T4 que fueron alterados en el cistrón rIIB (gen) reveló que ciertas combinaciones de mutaciones por pares podían suprimirse mutuamente; es decir, los mutantes dobles tenían un fenotipo más cercano al tipo salvaje que cada mutante por separado. [29] El orden del mapa lineal de los mutantes se estableció utilizando datos de recombinación genética . A partir de estas fuentes de información, la naturaleza triple del código genético se dedujo lógicamente por primera vez en 1961, y también se infirieron otras características clave del código. [29]
También puede producirse supresión intragénica cuando los aminoácidos de una proteína interactúan. Debido a la complejidad del plegamiento y la actividad de las proteínas, las mutaciones aditivas son poco frecuentes.
Las proteínas se mantienen en su estructura terciaria mediante una red interna distribuida de interacciones cooperativas ( hidrofóbicas , polares y covalentes ). [30] Las interacciones epistáticas ocurren siempre que una mutación altera el entorno local de otro residuo (ya sea contactándolo directamente o induciendo cambios en la estructura de la proteína). [31] Por ejemplo, en un puente disulfuro , una sola cisteína no tiene efecto sobre la estabilidad de la proteína hasta que una segunda está presente en la ubicación correcta, en cuyo punto las dos cisteínas forman un enlace químico que mejora la estabilidad de la proteína. [32] Esto se observaría como epistasis positiva donde la variante de doble cisteína tenía una estabilidad mucho mayor que cualquiera de las variantes de cisteína simple. Por el contrario, cuando se introducen mutaciones deletéreas, las proteínas a menudo muestran robustez mutacional por lo que a medida que se destruyen las interacciones estabilizadoras, la proteína sigue funcionando hasta que alcanza un umbral de estabilidad, en cuyo punto otras mutaciones desestabilizadoras tienen efectos grandes y perjudiciales, ya que la proteína ya no puede plegarse . Esto conduce a una epistasis negativa, en la que mutaciones que tienen poco efecto por sí solas tienen un efecto grande y perjudicial en conjunto. [33] [34]
En las enzimas , la estructura de la proteína orienta unos pocos aminoácidos clave en geometrías precisas para formar un sitio activo para realizar la química . [35] Dado que estas redes de sitios activos con frecuencia requieren la cooperación de múltiples componentes, la mutación de cualquiera de estos componentes compromete masivamente la actividad, por lo que la mutación de un segundo componente tiene un efecto relativamente menor en la enzima ya inactivada. Por ejemplo, la eliminación de cualquier miembro de la tríada catalítica de muchas enzimas reducirá la actividad a niveles lo suficientemente bajos como para que el organismo ya no sea viable. [36] [37] [38]
Los organismos diploides contienen dos copias de cada gen. Si son diferentes ( heterocigotos /heteroalélicos), las dos copias diferentes del alelo pueden interactuar entre sí para causar epistasis. Esto a veces se llama complementación alélica o complementación interalélica . Puede ser causada por varios mecanismos, por ejemplo, la transvección , donde un potenciador de un alelo actúa en trans para activar la transcripción del promotor del segundo alelo. Alternativamente, el empalme en trans de dos moléculas de ARN no funcionales puede producir un único ARN funcional.
De manera similar, a nivel proteico, las proteínas que funcionan como dímeros pueden formar un heterodímero compuesto por una proteína de cada gen alternativo y pueden mostrar propiedades diferentes al homodímero de una o ambas variantes. Dos mutantes del bacteriófago T4 defectuosos en diferentes lugares del mismo gen pueden experimentar complementación alélica durante una infección mixta. [39] Es decir, cada mutante por sí solo al infectarse no puede producir progenie viable, pero al infectarse de manera mixta con dos mutantes que se complementan, se forman fagos viables. Se demostró la complementación intragénica para varios genes que codifican proteínas estructurales del bacteriófago [39], lo que indica que dichas proteínas funcionan como dímeros o incluso como multímeros de orden superior. [40]
En genética evolutiva , el signo de la epistasis suele ser más significativo que la magnitud de la misma. Esto se debe a que la magnitud de la epistasis (positiva y negativa) simplemente afecta a qué tan beneficiosas son juntas las mutaciones, sin embargo, la epistasis del signo afecta si las combinaciones de mutaciones son beneficiosas o perjudiciales. [10]
Un paisaje de aptitud es una representación de la aptitud en la que todos los genotipos están dispuestos en un espacio 2D y la aptitud de cada genotipo está representada por la altura en una superficie. Se utiliza con frecuencia como metáfora visual para entender la evolución como el proceso de movimiento ascendente de un genotipo al siguiente genotipo cercano y más apto. [18]
Si todas las mutaciones son aditivas, pueden adquirirse en cualquier orden y aun así dar una trayectoria ascendente continua. El paisaje es perfectamente liso, con un solo pico ( máximo global ) y todas las secuencias pueden evolucionar ascendentemente hasta él mediante la acumulación de mutaciones beneficiosas en cualquier orden . Por el contrario, si las mutaciones interactúan entre sí por epistasis, el paisaje de aptitud se vuelve accidentado ya que el efecto de una mutación depende del trasfondo genético de otras mutaciones. [41] En su forma más extrema, las interacciones son tan complejas que la aptitud no está "correlacionada" con la secuencia genética y la topología del paisaje es aleatoria. Esto se conoce como un paisaje de aptitud accidentado y tiene profundas implicaciones para la optimización evolutiva de los organismos. Si las mutaciones son perjudiciales en una combinación pero beneficiosas en otra, solo se puede acceder a los genotipos más aptos acumulando mutaciones en un orden específico . Esto hace que sea más probable que los organismos se queden estancados en máximos locales en el paisaje de aptitud habiendo adquirido mutaciones en el orden "incorrecto". [34] [42] Por ejemplo, una variante de la β-lactamasa TEM1 con 5 mutaciones es capaz de escindir cefotaxima (un antibiótico de tercera generación ). [43] Sin embargo, de las 120 vías posibles para esta variante de 5 mutantes, solo el 7% son accesibles a la evolución, ya que el resto pasó por valles de aptitud donde la combinación de mutaciones reduce la actividad. Por el contrario, se ha demostrado que los cambios en el entorno (y, por lo tanto, la forma del paisaje de aptitud) proporcionan un escape de los máximos locales. [34] En este ejemplo, la selección en entornos antibióticos cambiantes resultó en una "mutación de entrada" que interactuó epistáticamente de manera positiva con otras mutaciones a lo largo de una vía evolutiva, cruzando efectivamente un valle de aptitud. Esta mutación de entrada alivió las interacciones epistáticas negativas de otras mutaciones individualmente beneficiosas, lo que les permitió funcionar mejor en conjunto. Por lo tanto, los entornos complejos o las selecciones pueden pasar por alto los máximos locales encontrados en los modelos que suponen una selección positiva simple.
La epistasis alta suele considerarse un factor limitante de la evolución, y se considera que las mejoras en un rasgo altamente epistático tienen una menor capacidad de evolución . Esto se debe a que, en cualquier contexto genético dado, muy pocas mutaciones serán beneficiosas, aunque pueden ser necesarias muchas mutaciones para mejorar eventualmente el rasgo. La falta de un paisaje liso dificulta que la evolución acceda a los picos de aptitud. En paisajes muy accidentados, los valles de aptitud bloquean el acceso a algunos genes, e incluso si existen crestas que permiten el acceso, estas pueden ser raras o prohibitivamente largas. [44] Además, la adaptación puede mover proteínas a regiones más precarias o accidentadas del paisaje de aptitud. [45] Estos "territorios de aptitud" cambiantes pueden actuar para desacelerar la evolución y podrían representar compensaciones para los rasgos adaptativos.
La frustración de la evolución adaptativa por paisajes de aptitud accidentados fue reconocida como una fuerza potencial para la evolución de la capacidad evolutiva . Michael Conrad en 1972 fue el primero en proponer un mecanismo para la evolución de la capacidad evolutiva al notar que una mutación que suavizara el paisaje de aptitud en otros loci podría facilitar la producción de mutaciones ventajosas y viajar junto con ellas. [46] [47] Rupert Riedl en 1975 propuso que nuevos genes que produjeran los mismos efectos fenotípicos con una sola mutación que otros loci con epistasis de signos recíprocos serían un nuevo medio para alcanzar un fenotipo que de otra manera sería demasiado improbable que ocurriera por mutación. [48] [49]
Los paisajes de aptitud epistática accidentados también afectan las trayectorias de la evolución. Cuando una mutación tiene una gran cantidad de efectos epistáticos, cada mutación acumulada cambia drásticamente el conjunto de mutaciones beneficiosas disponibles . Por lo tanto, la trayectoria evolutiva seguida depende en gran medida de qué mutaciones tempranas fueron aceptadas. Por lo tanto, las repeticiones de la evolución desde el mismo punto de partida tienden a divergir hacia diferentes máximos locales en lugar de converger en un único máximo global como lo harían en un paisaje aditivo uniforme. [50] [51]
Se cree que la epistasis negativa y el sexo están íntimamente correlacionados. Experimentalmente, esta idea se ha probado utilizando simulaciones digitales de poblaciones asexuales y sexuales. Con el tiempo, las poblaciones sexuales tienden hacia una epistasis más negativa, o la reducción de la aptitud por dos alelos que interactúan. Se cree que la epistasis negativa permite que los individuos portadores de las mutaciones deletéreas que interactúan sean eliminados de las poblaciones de manera eficiente. Esto elimina esos alelos de la población, lo que da como resultado una población en general más apta. Esta hipótesis fue propuesta por Alexey Kondrashov , y a veces se conoce como la hipótesis de la mutación determinista [52] y también se ha probado utilizando redes de genes artificiales . [20]
Sin embargo, la evidencia para esta hipótesis no siempre ha sido sencilla y el modelo propuesto por Kondrashov ha sido criticado por asumir parámetros de mutación alejados de las observaciones del mundo real. [53] Además, en aquellas pruebas que utilizaron redes genéticas artificiales, la epistasis negativa solo se encuentra en redes más densamente conectadas, [20] mientras que la evidencia empírica indica que las redes genéticas naturales están escasamente conectadas, [54] y la teoría muestra que la selección para la robustez favorecerá a las redes menos conectadas y mínimamente complejas. [54]
La genética cuantitativa se centra en la varianza genética debida a las interacciones genéticas. Cualquier interacción de dos locus en una frecuencia genética particular se puede descomponer en ocho efectos genéticos independientes utilizando una regresión ponderada . En esta regresión, los dos efectos genéticos de locus observados se tratan como variables dependientes y los efectos genéticos "puros" se utilizan como variables independientes. Debido a que la regresión es ponderada, la partición entre los componentes de la varianza cambiará en función de la frecuencia genética. Por analogía, es posible ampliar este sistema a tres o más loci, o a interacciones citonucleares [55].
Al analizar la epistasis dentro de un gen, se puede utilizar la mutagénesis dirigida para generar los diferentes genes y analizar sus productos proteicos (por ejemplo, para determinar su estabilidad o actividad catalítica). Esto a veces se denomina ciclo de doble mutante e implica producir y analizar la proteína de tipo salvaje, los dos mutantes simples y el mutante doble. La epistasis se mide como la diferencia entre los efectos de las mutaciones juntas versus la suma de sus efectos individuales. [ 56] Esto se puede expresar como una energía libre de interacción. La misma metodología se puede utilizar para investigar las interacciones entre conjuntos más grandes de mutaciones, pero se deben producir y analizar todas las combinaciones. Por ejemplo, hay 120 combinaciones diferentes de 5 mutaciones, algunas o todas las cuales pueden mostrar epistasis...
Se han desarrollado numerosos métodos computacionales para la detección y caracterización de la epistasis. Muchos de ellos se basan en el aprendizaje automático para detectar efectos no aditivos que podrían pasarse por alto con enfoques estadísticos como la regresión lineal. [57] Por ejemplo, la reducción de dimensionalidad multifactorial (MDR) se diseñó específicamente para la detección no paramétrica y sin modelo de combinaciones de variantes genéticas que predicen un fenotipo como el estado de la enfermedad en poblaciones humanas . [58] [59] Varios de estos enfoques han sido ampliamente revisados en la literatura. [60] Incluso más recientemente, se demostró que los métodos que utilizan conocimientos de la ciencia informática teórica (la transformada de Hadamard [61] y la detección comprimida [62] [63] ) o la inferencia de máxima verosimilitud [64] distinguen los efectos epistáticos de la no linealidad general en la estructura del mapa genotipo-fenotipo, [65] mientras que otros utilizaron el análisis de supervivencia del paciente para identificar la no linealidad. [66]
