stringtranslate.com

Фенотип

Раковины особей двустворчатых моллюсков вида Donax variabilis демонстрируют разнообразную окраску и узоры в своих фенотипах.
Здесь проиллюстрирована связь между генотипом и фенотипом с использованием решётки Паннета для характеристики цвета лепестков у растений гороха. Буквы B и b представляют гены цвета, а рисунки показывают полученные фенотипы. Это показывает, как несколько генотипов (BB и Bb) могут давать один и тот же фенотип (фиолетовые лепестки).

В генетике фенотип (от др.-греч. φαίνω ( phaínō ) «  появляться, показывать» и τύπος ( túpos )  «отметка, тип») — это набор наблюдаемых характеристик или черт организма . [1] [2] Термин охватывает морфологию организма (физическую форму и структуру), процессы его развития , его биохимические и физиологические свойства, его поведение и продукты поведения. Фенотип организма является результатом двух основных факторов: выражения генетического кода организма (его генотипа ) и влияния факторов окружающей среды. Оба фактора могут взаимодействовать, дополнительно влияя на фенотип. Когда в одной и той же популяции вида существуют два или более явно различных фенотипа, вид называется полиморфным . Хорошо документированным примером полиморфизма является окраска лабрадора-ретривера ; Хотя цвет шерсти зависит от многих генов, в окружающей среде он четко виден как желтый, черный и коричневый. Ричард Докинз в 1978 году [3] , а затем снова в своей книге 1982 года «Расширенный фенотип» предположил, что можно рассматривать птичьи гнезда и другие построенные структуры, такие как личинки ручейников и плотины бобров, как «расширенные фенотипы».

Вильгельм Иогансен предложил различие генотипа и фенотипа в 1911 году, чтобы прояснить разницу между наследственным материалом организма и тем, что этот наследственный материал производит. [4] [5] Различие напоминает то, что предложил Август Вейсман (1834–1914), который различал зародышевую плазму (наследственность) и соматические клетки (тело). Совсем недавно, в «Эгоистичном гене» (1976), Докинз разделил эти концепции на репликаторы и носители.

Определение

Несмотря на кажущуюся простоту определения, концепция фенотипа имеет скрытые тонкости. Может показаться, что все, что зависит от генотипа , является фенотипом, включая такие молекулы , как РНК и белки . Большинство молекул и структур, кодируемых генетическим материалом, не видны во внешнем виде организма, однако их можно наблюдать (например, с помощью вестерн-блоттинга ) и, таким образом, они являются частью фенотипа; примером являются группы крови человека . Может показаться, что это выходит за рамки первоначальных намерений концепции с ее фокусом на (живом) организме как таковом. В любом случае, термин фенотип включает в себя врожденные черты или характеристики, которые можно наблюдать, или черты, которые можно сделать видимыми с помощью некоторой технической процедуры. [ необходима цитата ]

Группы крови по системе АВО определяются с помощью решетчатого уравнения Пеннета и отображают фенотипы и генотипы.

Термин «фенотип» иногда неправильно использовался как сокращение для фенотипического различия между мутантом и его диким типом , что приводило к ложному утверждению, что «мутация не имеет фенотипа». [6]

Поведение и его последствия также являются фенотипами, поскольку поведение является наблюдаемыми характеристиками. Поведенческие фенотипы включают когнитивные, личностные и поведенческие модели. Некоторые поведенческие фенотипы могут характеризовать психиатрические расстройства [7] или синдромы. [8] [9]

Феном — это набор всех признаков, выраженных клеткой , тканью , органом , организмом или видом . Этот термин впервые был использован Дэвисом в 1949 году: «Мы предлагаем здесь название феном для совокупности экстрагенных, неавторепродуктивных частей клетки, будь то цитоплазматических или ядерных. Феном будет материальной основой фенотипа, так же как геном является материальной основой генотипа » . [10]

Хотя термин «феном» используется уже много лет, различие между использованием терминов «феном» и «фенотип» проблематично. Предложенное определение обоих терминов как «физическая совокупность всех признаков организма или одной из его подсистем» было выдвинуто Мэнером и Кари в 1997 году, которые утверждают, что хотя ученые склонны интуитивно использовать эти и связанные с ними термины таким образом, чтобы это не мешало исследованиям, эти термины недостаточно четко определены, а их использование непоследовательно. [11]

Некоторые использования термина предполагают, что феном данного организма лучше всего понимать как своего рода матрицу данных, представляющую физическое проявление фенотипа. Например, обсуждения, проведенные А. Варки среди тех, кто использовал этот термин до 2003 года, предложили следующее определение: «Совокупность информации, описывающей фенотипы организма под влиянием генетических и экологических факторов». [12] Другая группа исследователей характеризует «человеческий феном [как] многомерное поисковое пространство с несколькими нейробиологическими уровнями, охватывающее протеом, клеточные системы (например, сигнальные пути), нейронные системы и когнитивные и поведенческие фенотипы». [13]

Биологи растений начали изучать этот феномен в рамках изучения физиологии растений. [14]

В 2009 году исследовательская группа продемонстрировала возможность определения ассоциаций генотипа и фенотипа с использованием электронных медицинских карт (EHR), связанных с биобанками ДНК . Они назвали этот метод исследованием ассоциаций по всему феному (PheWAS). [15]

Изучение взаимосвязей между фенотипом, генотипом и окружающей средой на разных уровнях [16]

Вдохновленная эволюцией от генотипа к геному и пангеному , в 2023 году была предложена концепция изучения взаимосвязи между панфеномом, пангеномом и пансредой . [16]

Biston betularia morpha typica , стандартная светлоокрашенная пяденица березовая
B.betularia morpha carbonaria , меланическая форма, иллюстрирующая прерывистую изменчивость

Фенотипическая изменчивость

Фенотипическая изменчивость (из-за базовой наследуемой генетической изменчивости ) является фундаментальной предпосылкой для эволюции путем естественного отбора . Живой организм в целом вносит (или не вносит) вклад в следующее поколение, поэтому естественный отбор влияет на генетическую структуру популяции косвенно через вклад фенотипов. Без фенотипической изменчивости не было бы никакой эволюции путем естественного отбора. [17]

Взаимодействие между генотипом и фенотипом часто концептуализируется с помощью следующего соотношения:

генотип (G) + среда (E) → фенотип (P)

Более детальная версия взаимосвязи выглядит так:

генотип (G) + среда (E) + взаимодействие генотипа и среды (GE) → фенотип (P)

Генотипы часто обладают большой гибкостью в модификации и выражении фенотипов; у многих организмов эти фенотипы сильно различаются в различных условиях окружающей среды. Растение Hieracium umbellatum встречается в двух различных местообитаниях в Швеции. Одно местообитание — скалистые прибрежные скалы , где растения кустистые, с широкими листьями и расширенными соцветиями ; другое местообитание — среди песчаных дюн , где растения растут стелющимися, с узкими листьями и компактными соцветиями. Эти местообитания чередуются вдоль побережья Швеции, и местообитание, в котором приземляются семена Hieracium umbellatum , определяет вырастающий фенотип. [18]

Примером случайной изменчивости у мух -дрозофил является количество омматидиев , которое может варьироваться (случайным образом) между левым и правым глазом у одной особи так же, как и между различными генотипами в целом или между клонами, выращенными в разных условиях. [ необходима ссылка ]

Понятие фенотипа может быть расширено до вариаций ниже уровня гена , которые влияют на приспособленность организма. Например, молчаливые мутации , которые не изменяют соответствующую аминокислотную последовательность гена, могут изменить частоту пар оснований гуанин - цитозин ( содержание GC ). Эти пары оснований имеют более высокую термическую стабильность ( температуру плавления ), чем аденин - тимин , свойство, которое может передавать среди организмов, живущих в высокотемпературных средах, селективное преимущество вариантам, обогащенным содержанием GC. [ необходима цитата ]

Расширенный фенотип

Ричард Докинз описал фенотип, который включал все эффекты, которые ген оказывает на свое окружение, включая другие организмы, как расширенный фенотип, утверждая, что «поведение животного имеет тенденцию максимизировать выживание генов „для“ этого поведения, независимо от того, находятся ли эти гены в теле конкретного животного, выполняющего его». [3] Например, такой организм, как бобр, изменяет свою среду, строя плотину бобра ; это можно считать выражением его генов , так же как его резцы — которые он использует для изменения своей среды. Аналогично, когда птица кормит выводкового паразита , такого как кукушка , она невольно расширяет свой фенотип; и когда гены в орхидее влияют на поведение орхидейной пчелы , чтобы увеличить опыление, или когда гены в павлине влияют на копулятивные решения пав, снова фенотип расширяется. Гены, по мнению Докинза, отбираются по их фенотипическим эффектам. [19]

Другие биологи в целом согласны с тем, что концепция расширенного фенотипа актуальна, но считают, что ее роль в основном объяснительная, а не помощь в разработке экспериментальных тестов. [20]

Гены и фенотипы

Фенотип организма определяется суммой его генетического материала вместе с влиянием его окружающей среды. Это опосредовано рядом биологических механизмов: либо прямой активностью генных продуктов, либо их последующими эффектами. [21]

Фенотипы определяются взаимодействием генов и окружающей среды, но механизм для каждого гена и фенотипа различен. Например, фенотип альбиноса может быть вызван мутацией в гене, кодирующем тирозиназу, которая является ключевым ферментом в образовании меланина . Однако воздействие УФ-излучения может увеличить выработку меланина, поэтому окружающая среда также играет роль в этом фенотипе. Для большинства сложных фенотипов точный генетический механизм остается неизвестным. Например, в значительной степени неясно, как гены определяют форму костей или человеческого уха. [ необходима цитата ]

Экспрессия генов играет решающую роль в определении фенотипов организмов. Уровень экспрессии генов может влиять на фенотип организма. Например, если ген, который кодирует определенный фермент, экспрессируется на высоком уровне, организм может производить больше этого фермента и в результате проявлять определенный признак. С другой стороны, если ген экспрессируется на низком уровне, организм может производить меньше фермента и проявлять другой признак. [22]

Экспрессия генов регулируется на разных уровнях, и поэтому каждый уровень может влиять на определенные фенотипы, включая транскрипционную и посттранскрипционную регуляцию. [ необходима цитата ]

черепаховый кот
Пятнистая окраска черепаховой кошки является результатом разного уровня экспрессии генов пигментации на разных участках кожи.

Изменения в уровнях экспрессии генов могут зависеть от множества факторов, таких как условия окружающей среды, генетические вариации и эпигенетические модификации. На эти модификации могут влиять факторы окружающей среды, такие как диета, стресс и воздействие токсинов, и они могут оказывать значительное влияние на фенотип индивидуума. Некоторые фенотипы могут быть результатом изменений в экспрессии генов из-за этих факторов, а не изменений в генотипе. Эксперимент с использованием методов машинного обучения , использующих экспрессию генов, измеренную с помощью секвенирования РНК, показал, что они могут содержать достаточно сигнала для разделения индивидуумов в контексте прогнозирования фенотипа. [23]

Феном и феномика

Хотя фенотип — это совокупность наблюдаемых характеристик, демонстрируемых организмом, слово феном иногда используется для обозначения совокупности признаков, в то время как одновременное изучение такой совокупности называется феномикой . [24] [25] Феномика — важная область исследований, поскольку ее можно использовать для выяснения того, какие геномные варианты влияют на фенотипы, которые затем можно использовать для объяснения таких вещей, как здоровье, болезни и эволюционная приспособленность. [26] Феномика составляет большую часть проекта «Геном человека» . [27]

Феномика имеет применение в сельском хозяйстве. Например, геномные вариации, такие как устойчивость к засухе и жаре, могут быть идентифицированы с помощью феномики для создания более долговечных ГМО. [28] [14]

Феномика может стать ступенькой к персонализированной медицине , в частности, лекарственной терапии . [29] После того, как феномическая база данных накопит достаточно данных, феномическая информация о человеке может быть использована для выбора конкретных лекарств, адаптированных под конкретного человека. [29]

Масштабное фенотипирование и генетические скрининги

Крупномасштабные генетические скрининги могут идентифицировать гены или мутации , которые влияют на фенотип организма. Анализ фенотипов мутантных генов также может помочь в определении функции гена. [30] Большинство генетических скринингов использовали микроорганизмы, в которых гены могут быть легко удалены. Например, почти все гены были удалены в E. coli [31] и многих других бактериях , а также в нескольких модельных эукариотических организмах, таких как пекарские дрожжи [32] и делящиеся дрожжи . [33] Среди других открытий такие исследования выявили списки основных генов.

Совсем недавно широкомасштабные фенотипические скрининги также использовались на животных, например, для изучения менее изученных фенотипов, таких как поведение . В одном скрининге роль мутаций у мышей изучалась в таких областях, как обучение и память , циркадная ритмичность , зрение, реакция на стресс и реакция на психостимуляторы .

В этом эксперименте участвовало потомство мышей, обработанных ENU , или N-этил-N-нитрозомочевиной, которая является мощным мутагеном, вызывающим точечные мутации . Мыши были фенотипически проверены на предмет изменений в различных поведенческих доменах, чтобы найти количество предполагаемых мутантов (подробности см. в таблице). Затем предполагаемые мутанты проверяются на наследуемость, чтобы помочь определить схему наследования, а также картировать мутации. После того, как они были картированы, клонированы и идентифицированы, можно определить, представляет ли мутация новый ген или нет.

Эти эксперименты показали, что мутации в гене родопсина влияют на зрение и даже могут вызывать дегенерацию сетчатки у мышей. [34] Та же замена аминокислот вызывает наследственную слепоту у людей , показывая, как фенотипирование у животных может информировать о медицинской диагностике и, возможно, терапии.

Эволюционное происхождение фенотипа

Мир РНК — это предполагаемая доклеточная стадия в эволюционной истории жизни на Земле, на которой самореплицирующиеся молекулы РНК размножались до эволюции ДНК и белков. [35] Сложенная трехмерная физическая структура первой молекулы РНК, которая обладала активностью рибозима, способствующей репликации, избегая при этом разрушения, была бы первым фенотипом, а нуклеотидная последовательность первой самореплицирующейся молекулы РНК была бы исходным генотипом. [35]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Прилагательное фенотипа – Определение, изображения, произношение и примечания по использованию". Oxford Advanced Learner's Dictionary на OxfordLearnersDictionaries.com . Получено 29.04.2020 . набор наблюдаемых характеристик индивидуума, возникающих в результате взаимодействия его генотипа с окружающей средой.
  2. ^ "Генотип против фенотипа". Понимание эволюции . Получено 2020-04-29 . Генотип организма — это набор генов, которые он несет. Фенотип организма — это все его наблюдаемые характеристики, на которые влияют как его генотип, так и окружающая среда.
  3. ^ аб Докинз Р. (май 1978 г.). «Выбор репликатора и расширенный фенотип». Zeitschrift für Tierpsychologie . 47 (1): 61–76. doi :10.1111/j.1439-0310.1978.tb01823.x. ПМИД  696023.
  4. ^ Черчилль ФБ (1974). «Уильям Йохансен и концепция генотипа». Журнал истории биологии . 7 (1): 5–30. doi :10.1007/BF00179291. PMID  11610096. S2CID  38649212.
  5. ^ Йохансен В. (август 2014 г.). «Концепция генотипа наследственности. 1911». Международный журнал эпидемиологии . 43 (4): 989–1000. doi : 10.1086/279202. JSTOR  2455747. PMC 4258772. PMID  24691957. 
  6. ^ Crusio WE (май 2002 г.). «У моей мыши нет фенотипа». Гены, мозг и поведение . 1 (2): 71. doi : 10.1034/j.1601-183X.2002.10201.x . PMID  12884976. S2CID  35382304.
  7. ^ Кэссиди СБ, Моррис КА (2002-01-01). «Поведенческие фенотипы при генетических синдромах: генетические ключи к поведению человека». Advances in Pediatrics . 49 : 59–86. PMID  12214780.
  8. ^ O'Brien G, Yule W, ред. (1995). Поведенческий фенотип . Клиники медицины развития № 138. Лондон: Mac Keith Press. ISBN 978-1-898683-06-3.
  9. ^ О'Брайен Г., ред. (2002). Поведенческие фенотипы в клинической практике. Лондон: Mac Keith Press. ISBN 978-1-898683-27-8. Получено 27 сентября 2010 г.
  10. ^ Davis BD (январь 1949). «Выделение биохимически дефицитных мутантов бактерий с помощью пенициллина». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 35 (1): 1–10. Bibcode :1949PNAS...35....1D. doi : 10.1073/pnas.35.1.1 . PMC 1062948 . PMID  16588845. 
  11. ^ Loeffler M, Bratke T, Paulus U, Li YQ, Potten CS (май 1997). «Клональность и жизненные циклы кишечных крипт, объясненные зависимой от состояния стохастической моделью организации эпителиальных стволовых клеток». Журнал теоретической биологии . 186 (1): 41–54. Bibcode : 1997JThBi.186...41L. doi : 10.1006/jtbi.1996.0340. PMID  9176636.
  12. ^ Varki A, Altheide TK (декабрь 2005 г.). «Сравнение геномов человека и шимпанзе: поиск иголок в стоге сена». Genome Research . 15 (12): 1746–58. doi : 10.1101/gr.3737405 . PMID  16339373.
  13. ^ Siebner HR, Callicott JH, Sommer T, Mattay VS (ноябрь 2009 г.). «От генома к феномену и обратно: связывание генов с функцией и структурой человеческого мозга с использованием генетически информированной нейровизуализации». Neuroscience . 164 (1): 1–6. doi :10.1016/j.neuroscience.2009.09.009. PMC 3013363 . PMID  19751805. 
  14. ^ ab Furbank, Robert T.; Tester, Mark (декабрь 2011 г.). «Феномика — технологии устранения узкого места в фенотипировании». Trends in Plant Science . 16 (12): 635–644. doi :10.1016/j.tplants.2011.09.005. ISSN  1878-4372. PMID  22074787.
  15. ^ Денни, Джошуа К.; Ричи, Мэрилин Д.; Басфорд, Мелисса А.; Пулли, Джилл М.; Бастараче, Лиза; Браун-Джентри, Кристин; Ванг, Дид; Масис, Дэн Р.; Роден, Дэн М.; Кроуфорд, Дана К. (2010-05-01). "PheWAS: демонстрация возможности сканирования всего фенома для обнаружения ассоциаций генов и заболеваний". Биоинформатика . 26 (9): 1205–1210. doi :10.1093/bioinformatics/btq126. ISSN  1367-4811. PMC 2859132. PMID 20335276  . 
  16. ^ ab Guo, Tingting; Li, Xianran (2023). «Машинное обучение для прогнозирования фенотипа по генотипу и окружающей среде». Current Opinion in Biotechnology . 79 : 102853. doi : 10.1016/j.copbio.2022.102853 . PMID  36463837. S2CID  254211407.
  17. ^ Lewontin RC (ноябрь 1970 г.). «Единицы отбора» (PDF) . Annual Review of Ecology and Systematics . 1 : 1–18. doi :10.1146/annurev.es.01.110170.000245. JSTOR  2096764. S2CID  84684420.
  18. ^ von Sengbusch P. "Phenotypic and Genetic Variation; Ecotypes". Botany online: Evolution: The Modern Synthesis - Phenotypic and Genetic Variation; Ecotypes . Архивировано из оригинала 2009-06-18 . Получено 2009-12-29 .
  19. ^ Докинз Р. (1982). Расширенный фенотип. Оксфордский университет. стр. 4. ISBN 978-0-19-288051-2.
  20. ^ Хантер П. (март 2009 г.). «Расширенный фенотип redux. Насколько далеко может простираться область действия генов при манипулировании средой организма?». EMBO Reports . 10 (3): 212–215. doi :10.1038/embor.2009.18. PMC 2658563. PMID  19255576 . 
  21. ^ Pakay, Julian; Duivenvoorden, Hendrika; Shafee, Thomas; Clarke, Kaitlin (2023). Пороговые концепции в биохимии . La Trobe eBureau. doi :10.26826/1017. ISBN 978-0-6484681-9-6. S2CID  258899183.
  22. ^ Oellrich, A.; Проект генетики мышей Sanger; Smedley, D. (2014). "Связывание тканей с фенотипами с использованием профилей экспрессии генов". База данных . 2014 : bau017. doi :10.1093/database/bau017. PMC 3982582. PMID  24634472 . 
  23. ^ Нуссинов, Рут; Цай, Чунг-Джунг; Джанг, Хёнбум (2019). «Белковые ансамбли связывают генотип с фенотипом». PLOS Computational Biology . 15 (6): e1006648. Bibcode : 2019PLSCB..15E6648N. doi : 10.1371/journal.pcbi.1006648 . PMC 6586255. PMID  31220071 . 
  24. ^ Mahner M, Kary M (май 1997). «Что такое геномы, генотипы и фенотипы? А что насчет феномов?». Журнал теоретической биологии . 186 (1): 55–63. Bibcode : 1997JThBi.186...55M. doi : 10.1006/jtbi.1996.0335 . PMID  9176637.
  25. ^ Varki A, Wills C, Perlmutter D, Woodruff D, Gage F, Moore J, et al. (октябрь 1998 г.). "Проект феномена большой обезьяны?". Science . 282 (5387): 239–240. Bibcode :1998Sci...282..239V. doi :10.1126/science.282.5387.239d. PMID  9841385. S2CID  5837659.
  26. ^ Houle D, Govindaraju DR, Omholt S (декабрь 2010 г.). «Феномика: следующий вызов». Nature Reviews Genetics . 11 (12): 855–866. doi :10.1038/nrg2897. PMID  21085204. S2CID  14752610.
  27. ^ Фреймер Н., Сабатти С (май 2003 г.). «Проект человеческого феномена». Природная генетика . 34 (1): 15–21. дои : 10.1038/ng0503-15. PMID  12721547. S2CID  31510391.
  28. ^ Рахман Х, Раманатан В, Джагадишселвам Н, Рамасами С, Раджендран С, Рамачандран М и др. (2015-01-01). «Феномика: технологии и применение в растениеводстве и сельском хозяйстве». В Барх Д, Хан М.С., Дэвис Э. (ред.). Плантомика: Омика науки о растениях . Нью-Дели: Springer. стр. 385–411. doi :10.1007/978-81-322-2172-2_13. ISBN 9788132221715.
  29. ^ ab Monte AA, Brocker C, Nebert DW , Gonzalez FJ, Thompson DC, Vasiliou V (сентябрь 2014 г.). «Улучшенная лекарственная терапия: триангуляция феномики с геномикой и метаболомикой». Human Genomics . 8 (1): 16. doi : 10.1186/s40246-014-0016-9 . PMC 4445687. PMID  25181945 . 
  30. ^ Amsterdam A, Burgess S, Golling G, Chen W, Sun Z, Townsend K и др. (октябрь 1999 г.). «Крупномасштабный скрининг инсерционного мутагенеза у данио-рерио». Genes & Development . 13 (20): 2713–2724. doi :10.1101/gad.13.20.2713. PMC 317115 . PMID  10541557. 
  31. ^ Баба Т, Ара Т, Хасегава М, Такай И, Окумура И, Баба М и др. (январь 2006 г.). «Конструирование мутантов Escherichia coli K-12 в рамке считывания с нокаутом одного гена: коллекция Кейо». Молекулярная системная биология . 2 (1): 2006.0008. doi :10.1038/msb4100050. PMC 1681482. PMID  16738554 . 
  32. ^ Nislow C, Wong LH, Lee AH, Giaever G (сентябрь 2016 г.). «Функциональная геномика с использованием коллекций делеций дрожжей Saccharomyces cerevisiae ». Cold Spring Harbor Protocols . 2016 (9): pdb.top080945. doi :10.1101/pdb.top080945. PMID  27587784.
  33. ^ Ким ДУ, Хейлс Дж, Ким Д, Вуд В, Парк ХО, Вон М и др. (июнь 2010 г.). «Анализ набора генных делеций по всему геному у делящихся дрожжей Schizosaccharomyces pombe». Nature Biotechnology . 28 (6): 617–623. doi :10.1038/nbt.1628. PMC 3962850 . PMID  20473289. 
  34. ^ Vitaterna MH, Pinto LH, Takahashi JS (апрель 2006 г.). «Масштабный мутагенез и фенотипические скрининги нервной системы и поведения мышей». Trends in Neurosciences . 29 (4): 233–240. doi :10.1016/j.tins.2006.02.006. PMC 3761413. PMID  16519954 . 
  35. ^ ab Michod RE (февраль 1983 г.). «Популяционная биология первых репликаторов: о происхождении генотипа, фенотипа и организма». American Zoologist . 23 (1): 5–14. doi : 10.1093/icb/23.1.5 .

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Фенотипы» .
Найдите понятие «фенотип» в Викисловаре, бесплатном словаре.