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 . El fenómeno surge debido a interacciones, ya sea entre genes (como también se necesitan mutaciones en los reguladores de la expresión genética ) 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 tiene profundas consecuencias para la evolución y 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 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 física, en comparación con un contexto promedio 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 evolutivos han tendido a pensar en la epistasis como una 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 ahora se pueden cuantificar comúnmente analizando la magnitud de un fenotipo (por ejemplo, altura , pigmentación o tasa de crecimiento ) o analizando bioquímicamente la actividad de las proteínas (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 a escala de todo el genoma y sus consecuencias 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 epistasis puede variar entre campos científicos. Los genetistas a menudo se refieren a alelos mutantes y de tipo salvaje 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, establecer explícitamente el efecto de una mutación y utilizar términos como epistasis de signos recíprocos y mutación compensatoria. [16] Además, existen diferencias cuando se observa la epistasis dentro de un solo gen (bioquímica) y la epistasis dentro de un genoma haploide o diploide (genética). En general, epistasis se utiliza para denotar el alejamiento de la "independencia" de los efectos de diferentes loci genéticos. A menudo surge confusión debido a la variada interpretación de la "independencia" entre las diferentes ramas de la biología. [17] Las clasificaciones siguientes intentan cubrir los distintos términos y cómo se relacionan entre sí.
Dos mutaciones se consideran puramente aditivas si el efecto de la doble mutación es la suma de los efectos de las mutaciones simples. Esto ocurre cuando los genes no interactúan entre sí, por ejemplo actuando a través de diferentes vías metabólicas . Simplemente, los rasgos aditivos se estudiaron desde el principio en 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 apto de lo esperado por los efectos de las dos mutaciones simples, se denomina epistasis positiva . La epistasis positiva entre mutaciones beneficiosas genera mayores mejoras en la función de lo esperado. [10] [11] La epistasis positiva entre mutaciones perjudiciales protege contra los efectos negativos para causar una caída de aptitud menos grave. [13]
Por el contrario, cuando dos mutaciones juntas conducen a un fenotipo menos adecuado de lo esperado por sus efectos cuando están solas, se denomina epistasis negativa . [20] [21] La epistasis negativa entre mutaciones beneficiosas causa mejoras de aptitud físicas menores a las esperadas, mientras que la epistasis negativa entre mutaciones perjudiciales causa caídas de aptitud mayores que las aditivas. [12]
Independientemente, cuando el efecto sobre la aptitud de dos mutaciones es más radical de lo esperado por sus efectos cuando están solas, se denomina epistasis sinérgica . La situación opuesta, cuando la diferencia de aptitud del doble mutante respecto del tipo salvaje es menor de lo esperado por los efectos de las dos mutaciones simples, se denomina epistasis antagónica . [15] Por lo tanto, para las mutaciones perjudiciales, la epistasis negativa también es sinérgica, mientras que la epistasis positiva es antagonista; por el contrario, para 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 (deletéreo) tiene un fenotipo más grave 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 en presencia de otra mutación. Esto ocurre cuando una mutación que es perjudicial por sí sola puede potenciar el efecto de una mutación beneficiosa en particular. [17] Por ejemplo, un cerebro grande y complejo es un desperdicio de energía sin una variedad de órganos de los sentidos , pero los órganos de los sentidos se vuelven más útiles gracias a un cerebro grande y complejo que puede procesar mejor la información. Si un paisaje de fitness no tiene epistasis de signos, entonces se llama suave .
En su forma más extrema, la epistasis de signos recíprocos [23] ocurre cuando dos genes nocivos son beneficiosos cuando están juntos. Por ejemplo, producir una toxina por sí sola puede matar una bacteria , y producir un exportador de toxina por sí solo puede desperdiciar energía, pero producir ambas puede mejorar la aptitud al matar organismos competidores . Si un paisaje fitness tiene epistasis de signos pero no epistasis de signos recíprocas, entonces se llama semisuave . [24]
La epistasis de signos recíproca también conduce a la supresión genética por la cual dos mutaciones nocivas son menos dañinas juntas que cada una por sí sola, 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 de las cuales causaba una deficiencia en el nivel de una proteína morfogenética diferente , podían 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 una progenie viral viable, pero la producción de una progenie viable puede restaurarse mediante una segunda mutación (supresora) en otro componente morfogenético que Restaura el equilibrio de los componentes proteicos.
El término supresión genética también puede aplicarse a la epistasis de signos en la que el doble mutante tiene un fenotipo intermedio entre los de los mutantes simples, en cuyo caso el fenotipo del mutante único más grave 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 observa cuando está presente una copia natural del gen supresor (es decir, incluso en un heterocigoto). Para la mayoría de los genes, el fenotipo de la mutación supresora heterocigótica por sí solo sería de tipo salvaje (porque la mayoría de los genes no son haploinsuficientes), de modo que el fenotipo doble mutante (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 solas pero letales en combinación, se denomina letalidad sintética o no complementación no vinculada . [26]
En un organismo haploide con genotipos (en dos loci ) ab , Ab , aB o AB , podemos pensar que diferentes formas de epistasis afectan la magnitud de un fenotipo tras la mutación individualmente (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 , existen 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 medio ambiente 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, por lo que nuevas mejoras en el metabolismo del fósforo tienen un efecto menor o nulo (epistasis negativa). También se ha descubierto que algunos conjuntos de mutaciones dentro de genes son específicamente aditivos. [28] Ahora se considera que la aditividad estricta es la excepción, más que 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 de ellos, 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 , una vía de desarrollo , una vía de señalización o una red de factores de transcripción . Por ejemplo, el gen que codifica la enzima que sintetiza la penicilina no sirve de nada 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 no ser aditivas. En genética, esto a veces se denomina supresión intragénica cuando una mutación perjudicial puede compensarse con una segunda mutación dentro de ese gen. El análisis de los mutantes del bacteriófago T4 que estaban alterados en el cistrón (gen) rIIB 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 cualquiera de los mutantes solos. [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 triplete del código genético se dedujo lógicamente por primera vez en 1961, y también se infirieron otras características clave del código. . [29]
También puede ocurrir supresión intragénica cuando los aminoácidos dentro de una proteína interactúan. Debido a la complejidad del plegamiento y la actividad de las proteínas, las mutaciones aditivas son raras.
Las proteínas se mantienen en su estructura terciaria mediante una red interna distribuida de interacciones cooperativas ( hidrófobas , 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, momento en el cual las dos cisteínas forman un enlace químico que mejora la estabilidad de la proteína. [32] Esto se observaría como una epistasis positiva en la que la variante de doble cisteína tenía una estabilidad mucho mayor que cualquiera de las variantes de cisteína única. Por el contrario, cuando se introducen mutaciones perjudiciales, las proteínas a menudo exhiben robustez mutacional por lo que, a medida que se destruyen las interacciones estabilizadoras, la proteína aún funciona hasta que alcanza cierto umbral de estabilidad, momento en el que mutaciones desestabilizadoras adicionales tienen efectos perjudiciales importantes, ya que la proteína ya no puede plegarse . Esto conduce a una epistasis negativa por la cual las mutaciones que tienen poco efecto por sí solas tienen un efecto grande y nocivo 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 frecuentemente requieren la cooperación de múltiples componentes, la mutación de cualquiera de estos componentes compromete masivamente la actividad y, por lo tanto, la mutación de un segundo componente tiene un efecto relativamente menor sobre la enzima ya inactivada. Por ejemplo, eliminar 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 provocar epistasis. A esto a veces se le llama complementación alélica o complementación interalélica . Puede ser causado 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 trans-empalme de dos moléculas de ARN no funcionales puede producir un único ARN funcional.
De manera similar, a nivel de proteína, las proteínas que funcionan como dímeros pueden formar un heterodímero compuesto de 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 localizaciones del mismo gen pueden sufrir complementación alélica durante una infección mixta. [39] Es decir, cada mutante por sí solo tras la infección no puede producir una progenie viable, pero tras una infección mixta con dos mutantes complementarios, se forman fagos viables. Se demostró la complementación intragénica de 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 epistasis. Esto se debe a que la epistasis de magnitud (positiva y negativa) simplemente afecta qué tan beneficiosas son las mutaciones juntas; sin embargo, la epistasis de signo afecta si las combinaciones de mutaciones son beneficiosas o perjudiciales. [10]
Un paisaje de aptitud es una representación de la aptitud donde todos los genotipos están dispuestos en un espacio 2D y la aptitud de cada genotipo está representada por la altura de una superficie. Se utiliza con frecuencia como metáfora visual para entender la evolución como el proceso de avanzar cuesta arriba de un genotipo al siguiente, más 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 cuesta arriba hasta él mediante la acumulación de mutaciones beneficiosas en cualquier orden . Por el contrario, si las mutaciones interactúan entre sí mediante epistasis, el panorama 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 accidentado de aptitud física 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 queden atrapados en máximos locales en el panorama de aptitud al haber adquirido mutaciones en el orden "incorrecto". [34] [42] Por ejemplo, una variante de la β-lactamasa TEM1 con 5 mutaciones es capaz de escindir la cefotaxima (un antibiótico de tercera generación ). [43] Sin embargo, de las 120 vías posibles hacia 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 tanto, en la forma del paisaje de aptitud) permiten escapar de los máximos locales. [34] En este ejemplo, la selección en ambientes 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, permitiéndoles funcionar mejor en conjunto. Por lo tanto, los entornos o selecciones complejos pueden pasar por alto los máximos locales que se encuentran en los modelos que suponen una selección positiva simple.
La epistasis alta generalmente se considera un factor limitante en 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 trasfondo genético determinado, muy pocas mutaciones serán beneficiosas, aunque es posible que sea necesario que ocurran muchas mutaciones para eventualmente mejorar el rasgo. La falta de un paisaje fluido hace que a la evolución le resulte más difícil alcanzar los picos de aptitud física. En paisajes muy accidentados, los valles de aptitud física bloquean el acceso a algunos genes, e incluso si existen crestas que permiten el acceso, éstas pueden ser raras o prohibitivamente largas. [44] Además, la adaptación puede mover proteínas a regiones más precarias o accidentadas del panorama del fitness. [45] Estos "territorios de aptitud" cambiantes pueden actuar para desacelerar la evolución y podrían representar compensaciones por los rasgos adaptativos.
La frustración de la evolución adaptativa por los paisajes accidentados fue reconocida como una fuerza potencial para la evolución de la capacidad de evolución . Michael Conrad en 1972 fue el primero en proponer un mecanismo para la evolución de la capacidad de evolución al señalar que una mutación que suavizara el panorama de aptitud en otros loci podría facilitar la producción de mutaciones ventajosas y hacer autostop 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 otro modo sería demasiado improbable que se produjera por mutación. [48] [49]
Los paisajes accidentados y epistáticos de fitness 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 tanto, la trayectoria evolutiva seguida depende en gran medida de qué mutaciones tempranas se aceptaron. 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 suave y aditivo. [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 avanzan hacia una epistasis más negativa, o la disminución de la aptitud física por dos alelos que interactúan. Se cree que la epistasis negativa permite que los individuos que portan las mutaciones nocivas que interactúan sean eliminados de las poblaciones de manera eficiente. Esto elimina esos alelos de la población, lo que da como resultado una población general más en forma. Esta hipótesis fue propuesta por Alexey Kondrashov , y a veces se la conoce como hipótesis de mutación determinista [52] y también se ha probado utilizando redes de genes artificiales . [20]
Sin embargo, la evidencia de 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 de genes artificiales, la epistasis negativa solo se encuentra en redes más densamente conectadas, [20] mientras que la evidencia empírica indica que las redes de genes naturales están escasamente conectadas, [54] y la teoría muestra que la selección para la robustez favorecerá redes menos conectadas y mínimamente complejas. [54]
La genética cuantitativa se centra en la variación genética debida a interacciones genéticas. Cualesquiera dos interacciones de locus en una frecuencia genética particular se pueden descomponer en ocho efectos genéticos independientes mediante una regresión ponderada . En esta regresión, los efectos genéticos de dos locus observados se tratan como variables dependientes y los efectos genéticos "puros" se utilizan como variables independientes. Debido a que la regresión está ponderada, la partición entre los componentes de la varianza cambiará en función de la frecuencia genética. Por analogía, es posible expandir este sistema a tres o más loci, o a interacciones citonucleares [55]
Cuando se analiza la epistasis dentro de un gen, se puede utilizar mutagénesis dirigida para generar los diferentes genes y se pueden 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 doble mutante. 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. Se puede utilizar la misma metodología para investigar las interacciones entre conjuntos más grandes de mutaciones, pero todas las combinaciones deben producirse y analizarse. 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 pasar desapercibidos 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 modelos 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 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 los efectos no globales. linealidad en la estructura del mapa genotipo-fenotipo, [65] mientras que otros utilizaron el análisis de supervivencia del paciente para identificar la no linealidad. [66]
