В генетике фенотип (от древнегреческого φαίνω ( phaínō ) «появляться, показывать» и τύπος ( túpos ) « отметить , тип») — совокупность наблюдаемых характеристик или черт организма . [1] [2] Этот 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 разных фенотипа, вид называется полиморфным . Хорошо документированный пример полиморфизма — окрас лабрадора-ретривера ; хотя цвет шерсти зависит от многих генов, в окружающей среде он отчетливо 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 конструкции, такие как корпуса личинок ручейников и бобровые плотины, как «расширенные фенотипы».
Вильгельм Йохансен предложил различие генотипа и фенотипа в 1911 году, чтобы прояснить разницу между наследственным материалом организма и тем, что этот наследственный материал производит. [4] [5] Это различие напоминает различие, предложенное Августом Вейсманом (1834–1914), который различал зародышевую плазму (наследственность) и соматические клетки (тело). Совсем недавно, в книге «Эгоистичный ген» (1976), Докинз выделил эти понятия как репликаторы и носители.
Несмотря на кажущееся простое определение, понятие 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, но их можно наблюдать (например, с помощью вестерн-блоттинга ) и, таким образом, они являются частью фенотипа; Группы крови человека являются примером. Может показаться, что это выходит за рамки первоначальных намерений концепции, ориентированной на (живой) организм сам по себе. В любом случае, термин «фенотип» включает в себя присущие черты или характеристики, которые можно наблюдать, или черты, которые можно сделать видимыми с помощью некоторой технической процедуры.
Термин «фенотип» иногда неправильно использовался как сокращение для фенотипического различия между мутантом и его диким типом , что могло привести к ложному утверждению, что «мутация не имеет фенотипа». [6]
Поведение и его последствия также являются фенотипами, поскольку поведение является наблюдаемой характеристикой. Поведенческие фенотипы включают когнитивные, личностные и поведенческие модели. Некоторые поведенческие фенотипы могут характеризовать психические расстройства [7] или синдромы. [8] [9]
Феном – это совокупность всех признаков, выраженных клеткой , тканью , органом , организмом или видом . Этот термин впервые был использован Дэвисом в 1949 году: «Здесь мы предлагаем называть феноменом совокупность экстрагенных, неауторепродуктивных частей клетки, цитоплазматической или ядерной. Феном будет материальной основой фенотипа, точно так же, как геном является материальной основой генотипа » . [10]
Хотя феномен используется уже много лет, различие между использованием фенома и фенотипа проблематично. Предложенное определение обоих терминов как «физической совокупности всех черт организма или одной из его подсистем» было предложено Манером и Кэри в 1997 году, которые утверждают, что, хотя ученые склонны интуитивно использовать эти и родственные термины таким образом, это не мешает исследованиям, термины нечетко определены и их использование непоследовательно. [11]
Некоторые варианты использования этого термина предполагают, что феномен данного организма лучше всего понимать как своего рода матрицу данных, представляющую физическое проявление фенотипа. Например, в ходе дискуссий под руководством А. Варки среди тех, кто использовал этот термин до 2003 г., было предложено следующее определение: «Совокупность информации, описывающей фенотипы организма под воздействием генетических факторов и факторов окружающей среды». [12] Другая группа исследователей характеризует «феном человека [как] многомерное пространство поиска с несколькими нейробиологическими уровнями, охватывающими протеом, клеточные системы (например, сигнальные пути), нервные системы, а также когнитивные и поведенческие фенотипы». [13]
Биологи растений начали изучать этот феномен при изучении физиологии растений. [14]
В 2009 году исследовательская группа продемонстрировала возможность выявления ассоциаций генотип-фенотип с использованием электронных медицинских записей (ЭМК), связанных с биобанками ДНК . Они назвали этот метод «феноменальным ассоциативным исследованием» (PheWAS). [15]
Вдохновленная эволюцией от генотипа к геному и пангеному , в 2023 году была предложена концепция изучения взаимоотношений между панфеномом, пангеномом и пан- средой . [16]
Фенотипическая изменчивость (из-за лежащей в ее основе наследственной генетической изменчивости ) является фундаментальной предпосылкой эволюции путем естественного отбора . Именно живой организм в целом вносит (или нет) вклад в следующее поколение, поэтому естественный отбор влияет на генетическую структуру популяции косвенно через вклад фенотипов. Без фенотипической изменчивости не было бы эволюции путем естественного отбора. [17]
Взаимодействие между генотипом и фенотипом часто концептуализируется следующими отношениями:
Более тонкая версия отношений:
Генотипы часто обладают большой гибкостью в модификации и выражении фенотипов; у многих организмов эти фенотипы сильно различаются в зависимости от условий окружающей среды. Растение Hieracium umbellatum встречается в двух разных местах обитания в Швеции. Одна среда обитания — скалистые прибрежные скалы , где растения густые, с широкими листьями и расширенными соцветиями ; другой находится среди песчаных дюн , где растения растут распростертыми, с узкими листьями и компактными соцветиями. Эти среды обитания чередуются вдоль побережья Швеции, и среда обитания, в которой приземляются семена Hieracium umbellatum , определяет фенотип, который растет. [18]
Примером случайных изменений у мух -дрозофил является количество омматидий , которое может варьироваться (случайным образом) между левым и правым глазом у одной особи так же, как и между разными генотипами в целом или между клонами, выращенными в разных средах. [ нужна цитата ]
Понятие фенотипа можно распространить на вариации ниже уровня гена , влияющие на приспособленность организма. Например, молчащие мутации , не меняющие соответствующую аминокислотную последовательность гена, могут изменить частоту пар оснований гуанин - цитозин ( содержание GC ). Эти пары оснований имеют более высокую термическую стабильность ( точку плавления ), чем аденин - тимин , свойство, которое может обеспечить среди организмов, живущих в высокотемпературной среде, селективное преимущество над вариантами, обогащенными содержанием GC. [ нужна цитата ]
Ричард Докинз описал фенотип, включающий все эффекты, которые ген оказывает на окружающую среду, включая другие организмы, как расширенный фенотип, утверждая, что «поведение животного имеет тенденцию максимизировать выживание генов, «определяющих» это поведение, независимо от того, являются ли они гены оказались в теле конкретного животного, выполняющего это». [3] Например, такой организм, как бобр , изменяет окружающую среду, строя бобровую плотину ; это можно рассматривать как проявление его генов , как и его резцы , которые он использует для изменения окружающей среды. Точно так же, когда птица кормит выводкового паразита , такого как кукушка , она невольно расширяет свой фенотип; и когда гены орхидеи влияют на поведение орхидейных пчел, увеличивая опыление, или когда гены павлина влияют на копулятивные решения павлинов, опять же, фенотип расширяется. Гены, по мнению Докинза, отбираются на основе их фенотипических эффектов. [19]
Другие биологи в целом согласны с тем, что концепция расширенного фенотипа актуальна, но считают, что ее роль в основном носит объяснительный характер, а не помогает в разработке экспериментальных тестов. [20]
Фенотипы определяются взаимодействием генов и окружающей среды, но механизм для каждого гена и фенотипа различен. Например, фенотип альбиноса может быть вызван мутацией гена, кодирующего 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, до сих пор неясно, как гены определяют форму костей или человеческого уха. [ нужна цитата ]
Экспрессия генов играет решающую роль в определении фенотипов организмов. Уровень экспрессии генов может влиять на фенотип организма. Например, если ген, кодирующий 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.
На изменения уровней экспрессии генов могут влиять различные факторы, такие 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 человека. Некоторые фенотипы могут быть результатом изменений экспрессии генов, вызванных этими факторами, а не изменений генотипа. Эксперимент с использованием методов машинного обучения , использующих экспрессию генов, измеренную с помощью секвенирования РНК, может содержать достаточно сигнала, чтобы разделить людей в контексте предсказания фенотипа. [23]
Хотя фенотип представляет собой совокупность наблюдаемых характеристик, проявляемых организмом, слово « феном» иногда используется для обозначения совокупности признаков, а одновременное изучение такой совокупности называется феномикой . [24] [25] Феномика является важной областью 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, с помощью феномики можно выявить геномные вариации, такие как устойчивость к засухе и жаре, для создания более долговечных ГМО. [28] [29]
Феномика может стать ступенькой на пути к персонализированной медицине , особенно медикаментозной терапии . [30] Как только феномная база данных соберет больше данных, феномную информацию о человеке можно будет использовать для выбора конкретных лекарств, адаптированных к конкретному человеку. [30]
Крупномасштабные генетические скрининги могут выявить гены или мутации , влияющие на фенотип организма. Анализ фенотипов мутантных генов также может помочь в определении функции гена. [31] В большинстве генетических скринингов используются микроорганизмы, гены которых можно легко удалить. Например, почти все гены были удалены в E. coli [32] и многих других бактериях , а также в некоторых модельных эукариотических организмах, таких как пекарские дрожжи [33] и делящиеся дрожжи . [34] Среди других открытий, такие исследования выявили списки основных генов.
Совсем недавно крупномасштабный фенотипический скрининг также стал использоваться у животных, например, для изучения менее изученных фенотипов, таких как поведение . На одном скрининге роль мутаций у мышей изучалась в таких областях, как обучение и память , циркадная ритмика , 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 точковые мутации . Мышей подвергали фенотипическому скринингу на наличие изменений в различных поведенческих доменах, чтобы определить количество предполагаемых мутантов (подробности см. в таблице). Затем предполагаемые мутанты проверяются на наследственность, чтобы определить характер наследования, а также составить карту мутаций. После того, как они были нанесены на карту, 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 вызвать дегенерацию сетчатки у мышей. [35] То же изменение аминокислоты вызывает у человека семейную слепоту , показывая, как фенотипирование у животных может помочь в медицинской диагностике и, возможно, терапии.
Мир РНК — это гипотетическая доклеточная стадия эволюционной истории жизни на Земле, на которой самовоспроизводящиеся молекулы РНК размножались до эволюции ДНК и белков. [36] Складчатая трехмерная физическая структура первой молекулы РНК, которая обладала рибозимной активностью, способствующей репликации, избегая разрушения, должна была быть первым фенотипом, а нуклеотидная последовательность первой самореплицирующейся молекулы РНК была бы исходным генотипом. [36]
совокупность наблюдаемых характеристик особи, возникающая в результате взаимодействия ее генотипа с окружающей средой.
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.