La arquitectura genética es la base genética subyacente de un rasgo fenotípico y sus propiedades variacionales. [1] La variación fenotípica para los rasgos cuantitativos es, en el nivel más básico, el resultado de la segregación de alelos en loci de rasgos cuantitativos (QTL) . [2] Los factores ambientales y otras influencias externas también pueden desempeñar un papel en la variación fenotípica. La arquitectura genética es un término amplio que se puede describir para cualquier individuo determinado en función de la información sobre el número de genes y alelos, la distribución de los efectos alélicos y mutacionales y los patrones de pleiotropía , dominancia y epistasis . [1]
Existen diferentes puntos de vista experimentales sobre la arquitectura genética. Algunos investigadores reconocen que la interacción de varios mecanismos genéticos es increíblemente compleja, pero creen que estos mecanismos pueden promediarse y tratarse, más o menos, como ruido estadístico. [3] Otros investigadores sostienen que todas y cada una de las interacciones genéticas son significativas y que es necesario medir y modelar estas influencias sistémicas individuales sobre la genética evolutiva. [1]
La arquitectura genética se puede estudiar y aplicar en muchos niveles diferentes. En el nivel más básico, el individual, la arquitectura genética describe la base genética de las diferencias entre individuos, especies y poblaciones. Esto puede incluir, entre otros detalles, cuántos genes están involucrados en un fenotipo específico y cómo las interacciones de los genes, como la epistasis, influyen en ese fenotipo. [1] Los análisis de cruce de líneas y los análisis de QTL se pueden utilizar para estudiar estas diferencias. [2] Esta es quizás la forma más común de estudiar la arquitectura genética y, aunque es útil para proporcionar información, generalmente no proporciona una imagen completa de la arquitectura genética en su conjunto.
La arquitectura genética también se puede utilizar para analizar la evolución de las poblaciones. [1] Los modelos clásicos de genética cuantitativa, como el desarrollado por RA Fisher , se basan en análisis del fenotipo en términos de las contribuciones de diferentes genes y sus interacciones. [3] La arquitectura genética a veces se estudia utilizando un mapa genotipo-fenotipo , que representa gráficamente la relación entre el genotipo y el fenotipo. [4]
La arquitectura genética es increíblemente importante para comprender la teoría evolutiva porque describe la variación fenotípica en sus términos genéticos subyacentes y, por lo tanto, nos brinda pistas sobre el potencial evolutivo de estas variaciones. Por lo tanto, la arquitectura genética puede ayudarnos a responder preguntas biológicas sobre la especiación, la evolución del sexo y la recombinación, la supervivencia de pequeñas poblaciones, la endogamia, la comprensión de las enfermedades, la cría de animales y plantas, y más. [1]
La capacidad evolutiva se define literalmente como la capacidad de evolucionar. En términos genéticos, la capacidad evolutiva es la capacidad de un sistema genético de producir y mantener variantes genéticas potencialmente adaptativas. Hay varios aspectos de la arquitectura genética que contribuyen en gran medida a la capacidad evolutiva de un sistema, entre ellos la autonomía, la mutabilidad, la coordinación, la epistasis, la pleiotropía, la poligenia y la robustez. [1] [2]
En un estudio publicado en 2006 se utilizó la filogenia para comparar la arquitectura genética de los distintos colores de piel humana. En este estudio, los investigadores pudieron sugerir un marco especulativo para la historia evolutiva que subyace a la variación fenotípica actual en la pigmentación de la piel humana basándose en las similitudes y diferencias que encontraron en el genotipo. [7] La historia evolutiva es una consideración importante para comprender la base genética de cualquier rasgo, y este estudio fue uno de los primeros en utilizar estos conceptos de manera pareada para determinar información sobre la genética subyacente de un rasgo fenotípico.
En 2013, un grupo de investigadores utilizó estudios de asociación de todo el genoma (GWAS) y estudios de interacción de todo el genoma (GWIS) para determinar el riesgo de defectos cardíacos congénitos en pacientes con síndrome de Down . [8] El síndrome de Down es un trastorno genético causado por la trisomía del cromosoma 21 humano. La hipótesis actual con respecto a los fenotipos de defectos cardíacos congénitos en individuos con síndrome de Down es que tres copias de elementos genómicos funcionales en el cromosoma 21 y la variación genética del cromosoma 21 y loci no cromosómicos 21 predisponen a los pacientes a un desarrollo cardíaco anormal. Este estudio identificó varios loci de riesgo de defectos cardíacos congénitos en individuos con síndrome de Down, así como tres regiones de variación del número de copias (CNV) que pueden contribuir a los defectos cardíacos congénitos en individuos con síndrome de Down.
Otro estudio, publicado en 2014, intentó identificar la arquitectura genética de los trastornos psiquiátricos. Los investigadores de este estudio sugirieron que existe una gran cantidad de loci contribuyentes que están relacionados con varios trastornos psiquiátricos. [9] Además, ellos, como muchos otros, sugirieron que el riesgo genético de los trastornos psiquiátricos involucra los efectos combinados de muchas variantes comunes con pequeños efectos; en otras palabras, los pequeños efectos de una gran cantidad de variantes en loci específicos se suman para producir un gran efecto combinado en el fenotipo general del individuo. También reconocieron la presencia de mutaciones grandes pero raras que tienen un gran efecto en el fenotipo. Este estudio muestra la complejidad de la arquitectura genética al proporcionar un ejemplo de muchos SNP y mutaciones diferentes que trabajan juntos, cada uno con un efecto variable, para generar un fenotipo determinado.
Existen muchos y variados estudios sobre la arquitectura genética, pero la mayoría utiliza tipos similares de análisis para proporcionar información específica sobre los loci que intervienen en la producción de un fenotipo. Un estudio sobre el sistema inmunitario humano realizado en 2015 [10] utiliza los mismos conceptos generales para identificar varios loci implicados en el desarrollo del sistema inmunitario, pero, al igual que los otros estudios descritos aquí, no tuvo en cuenta otros aspectos de la arquitectura genética, como las influencias ambientales. Desafortunadamente, muchos otros aspectos de la arquitectura genética siguen siendo difíciles de cuantificar.
Aunque existen algunos estudios que buscan explorar otros aspectos de la arquitectura genética, las tecnologías actuales tienen poca capacidad para vincular todas las piezas y construir un modelo verdaderamente integral de la arquitectura genética. Por ejemplo, en 2003, un estudio de la arquitectura genética y el medio ambiente pudo demostrar una asociación entre el entorno social y la variación del tamaño corporal en Drosophila melanogaster . [11] Sin embargo, este estudio no pudo vincular un vínculo directo con genes específicos involucrados en esta variación.