I nostri geni (alias il genotipo) determinano le nostre caratteristiche (alias il fenotipo). L'evoluzione agisce sui cambiamenti nel fenotipo, che si verificano quando le mutazioni modificano il genotipo sottostante. Ma i cambiamenti del fenotipo che possono essere prodotti dalle mutazioni non sono senza limiti:le formiche non possono crescere improvvisamente in proboscide o diventare delle dimensioni di un elefante. I ricercatori dell'Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) hanno scoperto che in un sistema di regolazione genica nel batterio Escherichia coli, più componenti sono mutati, più liberamente il sistema può evolvere. Questo è il risultato di uno studio pubblicato da un team guidato da Calin Guet, Jonathan Bollback, e primo autore Mato Lagator in eLife .

Gli effetti delle mutazioni definiscono come un sistema può cambiare. Ma in un sistema di più componenti che regola l'espressione genica, cosa succede quando più componenti vengono mutati? Il sistema ha meno opzioni per il cambiamento, o più? I ricercatori hanno studiato questa domanda in un piccolo sistema di regolazione genica in E. coli che consiste di due componenti:primo, un fattore di trascrizione, che è una proteina che controlla la velocità di trascrizione dell'informazione genetica dal DNA all'RNA. Secondo, il suo sito di legame sul DNA, dove il fattore di trascrizione si lega per iniziare la trascrizione. In questo studio, gli scienziati hanno osservato cosa succede quando mutano ogni componente da solo, e quando mutano entrambi i componenti contemporaneamente.

Un po' controintuitivamente, hanno scoperto che l'evoluzione del sistema è meno limitata quando vengono mutati più componenti. "In netto contrasto con quanto pensavo prima di condurre gli esperimenti, se mutiamo più componenti, il sistema può evolvere più liberamente. Questa è stata una vera sorpresa per me!", afferma il primo autore Mato Lagator. Il team ha quindi esaminato il motivo per cui il sistema può evolvere in più direzioni rispetto ai suoi singoli componenti.

Hanno scoperto che il sistema si evolve più liberamente perché le mutazioni nei due componenti interagiscono tra loro, un fenomeno che chiamano "epistasi intermolecolare". Mato Lagator ne spiega il significato:"Epistasi significa che uno più uno non fa due, ma tre o zero. Geneticamente parlando, una mutazione puntiforme cambia il fattore di trascrizione in modo che il fenotipo del nostro sistema di regolazione genica cambi di X, e l'altra mutazione puntiforme cambia il sito di legame in modo che il fenotipo cambi di Y. Ora, quando entrambe le mutazioni si verificano insieme, il fenotipo non è semplicemente X+Y, è diverso." Ciò significa che le mutazioni interagiscono, dando all'intero sistema più libertà di cambiare ed evolversi.

Finora, la nostra comprensione dell'epistasi è stata per lo più descrittiva, ma non è stato compreso come i meccanismi molecolari esistenti definiscano i modelli di epistasi. In questo studio, i ricercatori forniscono una comprensione meccanicistica di come interagiscono le mutazioni in due diverse molecole, spiega Mato Lagator. "La cosa più emozionante, mostriamo che, in questo sistema di regolazione genica, la maggior parte dell'epistasi deriva dalla struttura genetica del sistema. Questa struttura determina come le mutazioni interagiscono tra loro".