Epistasi

In genetica, l'epistasi è una forma di interazione fra geni, in cui una mutazione genetica dipende dalla presenza o dall'assenza di mutazioni in uno o più altri geni, chiamati "geni modificatori". L'effetto della mutazione è pertanto dipendente dal background genetico in cui si manifesta.[1] Le mutazioni epistatiche producono effetti diversi quando si sovrappongono.

Originariamente il termine epistasi indicava che l'effetto di un gene variante veniva mascherato dalla presenza di un gene differente.[2] Il concetto di "epistasi" fu introdotto nel 1907 nel campo della genetica da William Bateson e dalle sue collaboratrici Florence Durham e Muriel Wheldale Onslow,[3] ma viene attualmente utilizzato anche in biochimica, biologia computazionale, bioinformatica e biologia evolutiva.

Quantificazione

Gli effetti dei geni vengono attualmente quantificati valutando l'ampiezza del fenotipo (altezza, pigmentazione, tasso di crescita) o valutando per via biochimica l'attività proteica (legami proteici o catalisi enzimatica). Modelli di biologia computazionale o evolutiva mirano a descrivere gli effetti dell'epistasi su scala genomica e le conseguenze sull'evoluzione.[4][5][6]

L'identificazione delle coppie epistatiche è notevolmente impegnativa sia dal punto di vista computazionale che statistico; per questo motivo alcuni studi danno la priorità alle coppie epistatiche.[7][8]

Classificazione

Il fenomeno si verifica quando una coppia di alleli copre l'espressione fenotipica di un'altra coppia di alleli. Le caratteristiche fenotipiche dell'individuo saranno pertanto date dalla risultante di questa interazione; il gene che maschera l'espressione di un altro gene viene definito epistatico, il gene la cui espressione viene mascherata viene definito ipostatico [9]. Ad esempio se il gene Y è epistatico sul gene X; il gene X è detto ipostatico rispetto al gene Y.

Più precisamente, nell'epistasi dominante, la presenza di un singolo allele epistatico A ha l'effetto di impedire il passaggio dal fenotipo 1 al fenotipo 2, passaggio che però è controllato anche da un'altra coppia allelica, i cui alleli possono essere B o b; si dice allora che A è epistatico su B e b perché, per la presenza di una copia di A, dal fenotipo 1 non si capisce se il secondo gene ha almeno un allele dominante o entrambi gli alleli recessivi.

Nell'epistasi recessiva, l'assenza di un allele A, ossia la presenza di una coppia allelica epistatica a/a, ha l'effetto di impedire (quindi l'allele A lo coadiuverebbe) il passaggio dal fenotipo 1 al fenotipo 2, passaggio che però è controllato anche da un'altra coppia allelica, i cui alleli possono essere B o b; si dice allora che a/a è epistatico su B e b perché, a causa della presenza di una coppia allelica a/a, non si può ricavare dal fenotipo 1 se il secondo gene ha almeno un allele dominante o entrambi gli alleli recessivi. Questi due tipi di epistasi, naturalmente, possono essere combinati fra loro in modo più o meno complesso, dando luogo a rapporti fenotipici della progenie di un incrocio diversi a seconda del numero dei geni in rapporto epi-/ipo-statico considerati e a seconda delle relazioni di epistasi intercorrenti fra ciascuna delle due coppie alleliche.

Esempi

Un esempio di epistasi recessiva è l'albinismo, in cui la presenza di una coppia allelica recessiva (a/a), che altera la produzione di melanina, va a coprire qualsiasi altra coppia di alleli non strettamente dominante (quindi b/b oppure b/B) che vada ad influenzare il colore della pelle, degli occhi o dei capelli.

Un altro esempio di epistasi recessiva si ha nella colorazione del pelo dei cani di razza Labrador, nei quali un gene (comunemente chiamato "e") sopravanza sull'espressione del gene B (dominante, che dà colore nero, a differenza del gene "b" che da colore marrone), determinandone così il colore chiaro del mantello.

Il fenotipo di Bombay, a livello del gruppo sanguigno di tipo O, è un ulteriore chiaro esempio di epistasi recessiva, in cui difetti dei geni FUT1 e FUT2 possono 'nascondere' l'espressione fenotipica di eventuali alleli determinanti gli antigeni A,B.[10]

Un esempio di epistasi dominante è dato dal colore grigio del mantello del cavallo (Boco). Quando il gene del grigio è presente allo stato dominante, fa sì che non si manifestino altre colorazioni (rapporto fenotipico alla F2 12:3:1).

Note

  1. ^ Gros PA, Le Nagard H, Tenaillon O, The Evolution of Epistasis and its Links with Genetic Robustness, Complexity and Drift in a Phenotypic Model of Adaptation, in Genetics, vol. 182, n. 1, maggio 2009, pp. 277–93, DOI:10.1534/genetics.108.099127, PMC 2674823, PMID 19279327.
  2. ^ Rieger R, Michaelis A, Green MM, A Glossary of Genetics and Cytogenetics: Classical and Molecular, New York, Springer-Verlag, 1968, ISBN 9780387076683.
  3. ^ Marsha L. Richmond, Women in the Early History of Genetics: William Bateson and the Newnham College Mendelians, 1900–1910, in Isis, vol. 92, n. 1, The History of Science Society, 2001, pp. 55–90, DOI:10.1086/385040, JSTOR 237327, PMID 11441497.
  4. ^ Ivan G Szendro, Schenkm Martijn F, Jasper Franke, Joachim Krug, J de Visser e G M Arjan, Quantitative analyses of empirical fitness landscapes, in Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment, vol. 2013, n. 1, 16 gennaio 2013, pp. P01005, Bibcode:2013JSMTE..01..005S, DOI:10.1088/1742-5468/2013/01/P01005, arXiv:1202.4378.
  5. ^ Edlund JA, Adami C, Evolution of robustness in digital organisms, in Artificial Life, vol. 10, n. 2, Spring 2004, pp. 167–79, DOI:10.1162/106454604773563595, PMID 15107229.
  6. ^ Chattopadhyay S, Genome-wide interaction and pathway-based identification of key regulators in multiple myeloma, in Communications Biology, vol. 4, n. 2, Spring 2019, pp. 89–96, DOI:10.1038/s42003-019-0329-2, PMC 6399257, PMID 30854481.
  7. ^ Marzieh Ayati e Mehmet Koyutürk, Prioritization of genomic locus pairs for testing epistasis, in Proceedings of the 5th ACM Conference on Bioinformatics, Computational Biology, and Health Informatics, 2014, pp. 240–248, DOI:10.1145/2649387.2649449, ISBN 978-1-4503-2894-4.
  8. ^ Piriyapongsa J, Ngamphiw C, Intarapanich A, Kulawonganunchai S, Assawamakin A, Bootchai C, Shaw PJ, Tongsima S, iLOCi: a SNP interaction prioritization technique for detecting epistasis in genome-wide association studies, in BMC Genomics, 13 Suppl 7, Suppl 7, 13 dicembre 2012, pp. S2, DOI:10.1186/1471-2164-13-S7-S2, PMC 3521387, PMID 23281813.
  9. ^ Russell Peter J., Genetica, Edises, 1998, ISBN 88-7959-154-1.
  10. ^ Sreeram V. Ramagopalan, MA and George C. Ebers, Epistasis Multiple sclerosis and the major histocompatibility complex, su ncbi.nlm.nih.gov.

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