On the prevalence and role of epistasis in shaping fitness within and between populations

Abstract

The role of epistasis – inter-dependent contributions of alleles to fitness – in shaping genetic variation within and between populations is an important question in evolutionary biology with significant implications for our understanding of the factors contributing to phenotypic variation. While epistasis has been shown to play an important role in evolutionary processes such as speciation and adaptive evolution, many aspects of this role remains poorly understood. In particular, there is much debate on whether observing prevalent epistasis in evolution can be taken as evidence for functional epistasis that is relevant to selectable variation. Here, we studied the nature of epistasis in protein evolution, and found a high prevalence of epistatic interactions between amino acid sites in the human genome. We showed that these interactions can help improve accuracy of predicting the impact of genetic variation on the protein structure and function. We also showed that hypothesis-driven search for epistasis in natural populations can detect genomic signatures of epistasis in humans.

El papel de la epistasia - contribuciones interdependientes de alelos a la adecuación biológica - en la conformación de la variación genética dentro y entre poblaciones es una cuestión importante en la biología evolutiva con importantes implicaciones para nuestra comprensión de los factores que contribuyen a la variación fenotípica. Mientras la epistasia se ha demostrado que desempeña un papel importante en los procesos evolutivos como la especiación y evolución adaptativa, muchos aspectos de esta función siguen siendo poco conocidos. En particular, hay mucho debate sobre si la observación de epistasia frecuente en la evolución puede ser tomada como evidencia de epistasia funcional que es relevante a la variación heredable. Aquí, se estudió la naturaleza de la epistasia en la evolución de proteínas, y encontramos una alta prevalencia de interacciones epistaticas entre sitios de aminoácidos en el genoma humano. Hemos demostrado que estas interacciones pueden ayudar a mejorar la precisión de predecir el impacto de la variación genética en la estructura y función de las proteínas. También se puso de manifiesto que la búsqueda de investigación basada en hipótesis por epistasia en poblaciones naturales puede detectar firmas genómicas de epistasia en los humanos.