Генотип и фенотип

Здравствуйте, уважаемые читатели блога репетитора  биологии по Скайпу  biorepet-ufa.ru.

Вот такая получается «петрушка», если не сказать хуже. Очередной раз сталкиваюсь с тем, что основополагающие понятия генетики в учебниках преподносятся так, что разобраться в них бывает трудно.

Эту статью меня так и подмывало назвать сначала «Фенотип и генотип». Понятно, что фенотип вторичен от генотипа. Но если сам термин «генотип» учащиеся чаще всего могут истолковать правильно, то относительно понятия «фенотипа»,  как выясняется, нет четкого представления.

Да откуда же ему быть «четкому», если определения фенотипа в учебной литературе носят такой расплывчатый характер.

«Фенотип — совокупность всех внешних признаков организма, определяемых генотипом и условиями окружающей среды». Или «Фенотип — совокупность всех внешних и внутренних признаков и свойств организма, зависящих от генотипа и условий внешней среды».

А если действительно  и «внешних», и «внутренних»,  а это на самом деле так, то  в чем тогда отличие фенотипа от генотипа?

Всё же придется начинать  не с «хвоста», а с «головы». Уверен, пройдет пара минут и вы, несколько уточнив для себя, что такое «генотип организма», сможете получить более четкое представление и о «фенотипе».

Часто  термины  «признак»  и «ген» мы  используем как синонимы

Говорят, «генотип — совокупность всех признаков организма». И вот тут то важно понять самое главное  — именно к определению генотипа такое определение вносит дополнительную путаницу. Да, действительно, информация о любом признаке закодирована в каком-либо гене (или совокупности генов) организма.

Но всех генов очень много, весь генотип организма   огромен, а в течение жизни данной особи или отдельной клетки реализуется (то есть служит образованию каких-либо определенных признаков) лишь незначительная часть генотипа.

Поэтому правильным будет запомнить, что  «генотип — совокупность всех генов организма». А уж какие из этих генов реализуются в течение жизни организма в его фенотипе , то есть послужат образованию каких-либо  признаков  — это зависит как от взаимодействия множества этих генов, так и от конкретных условий окружающей среды.

Таким образом, если  правильно понимать, что собой представляет генотип, то не остается и лазейки для путаницы  в терминах, обозначающих, что такое  «генотип»,  а что такое  «фенотип».

Понятно, что «фенотип — это совокупность всех реализовавшихся  в течение жизни организма   генов, послуживших образованию конкретных признаков данного организма   в определенных условиях среды».

Поэтому на протяжении жизни организма, под действием меняющихся условий среды,   фенотип может изменяться,  хотя он и базируется  на том же самом неизменном генотипе. А в каких границах может меняться фенотип?

                                             Норма реакции

Эти границы для фенотипа четко очерчены генотипом и носят название «нормы реакции». В фенотипе ведь не может проявиться ничего того, чего бы не было уже «записано» ранее в генотипе.

Чтобы лучше понять, что вкладывается в понятие «нормы реакции»,  разберем на конкретных примерах возможного проявления «широкой» или «узкой» нормы реакции.

Вес (масса) коровы и удойность коровы, какой признак имеет более широкую, а какой более узкую норму реакции?

Понятно, что вес взрослой коровы определенной породы как ее хорошо ни корми не может превысить, к примеру, 900 кг, а при плохом содержании — не может быть  меньше 600 кг.

А удойность? При оптимальном содержании и кормлении удойность может меняться от каких-то максимально возможных для данной породы  величин,  она может упасть до 0, при неблагоприятных условиях содержания. Значит масса коровы имеет довольно узкую норму реакции,  а удойность — очень широкую.

Пример с картофелем.  Любому очевидно, что «вершки» имеют довольно узкую норму реакции, а масса клубней  — очень широкую.

Думаю, теперь всё «устаканилось». Генотип — множество всех  генов организма, это весь его потенциал на что он может быть способен в жизни. А фенотип — лишь проявление небольшой части этого потенциала, реализация лишь части генов организма  в ряд конкретных признаков в течение его жизни.

Наглядным примером реализации в течение жизни организма части его генотипа в фенотип, являются однояйцевые близнецы. Имея абсолютно одинаковый генотип, в первые годы жизни они почти неотличимы друг от друга фенотипически. Но взрослея, имея сначала незначительные отличия в поведении, в каких-то привязанностях, отдавая предпочтение тому или иному роду деятельности, эти близнецы становятся довольно отличимыми и фенотипически:  по выражению лица, строению тела.  

В конце этой заметки, я бы хотел вот на что ещё обратить ваше внимание. Слово генотип для изучающих основы генетики имеет как бы два смысла. Выше мы  разобрали значение «генотипа» в широком его понимании.

Но для уяснения законов генетики, при решении генетических задач, под  словом генотип подразумевают лишь сочетание  каких-то конкретных отдельных  аллелей одной (моногибридное скрещивание) или двух (дигибридное скрещивание) пар определенных генов,  контролирующих проявление конкретного одного или двух признаков.

То есть, и фенотип то у нас при этом какой-то усеченный, говорим «фенотип организма», а сами изучили механизм наследования  лишь одного,  двух его признаков. В широком же смысле термин «фенотип» относится к любым морфологическим, биохимическим, физиологическим и поведенческим характеристикам организмов.

P.S. В связи с характеристиками понятий «генотип» и «фенотип», уместным было бы здесь разобрать вопрос о наследственной и ненаследственной  формах изменчивости организмов. Ну да ладно, об этом как раз и поговорим в следующей статье.

                                          ***************************************************************

У кого есть вопросы по статье  к

репетитору биологии по Скайпу, замечания, пожелания — прошу в писать  комментарии.

Генотип и фенотип, их изменчивость

Генотип — это совокупность всех генов организма, являющихся его наследственной основой.

Фенотип — совокупность всех признаков и свойств организма, которые выявляются в процессе индивидуального развития в данных условиях и являются результатом взаимодействия генотипа с комплексом факторов внутренней и внешней среды.

Каждый биологический вид имеет свойственный только ему фенотип. Он формируется в соответствии с наследственной информацией, заложенной в генах. Однако в зависимости от изменений внешней среды состояние признаков варьирует от организма к организму, в результате чего возникают индивидуальные различия — изменчивость.

На основе изменчивости организмов появляется генетическое разнообразие форм. Различают изменчивость модификационную, или фенотипическую, и генетическую, или мутационную.

Модификационная изменчивость не вызывает изменений генотипа, она связана с реакцией данного, одного и того же генотипа на изменение внешней среды: в оптимальных условиях выявляется максимум возможностей, присущих данному генотипу. Модификационная изменчивость проявляется в количественных и качественных отклонениях от исходной нормы, которые не передаются по наследству, а носят лишь приспособительный характер, например, усиление пигментации кожи человека под действием ультрафиолетовых лучей или развития мышечной системы под действием физических упражнений и т. д.

Степень варьирования признака у организма, то есть пределы модификационной изменчивости называются нормой реакции. Таким образом, фенотип формируется в результате взаимодействия генотипа и факторов среды, Фенотипические признаки не передаются от родителей к потомкам, наследуется лишь норма реакции, то есть характер реагирования на изменение окружающих условий.

Генетическая изменчивость бывает комбинативной и мутационной.

Комбинативная изменчивость возникает в результате обмена гомологичными участками гомологичных хромосом в процессе мейоза, что приводит к образованию новых объединений генов в генотипе. Возникает в результате трех процессов: 1) независимого расхождения хромосом в процессе мейоза; 2) случайного соединения их при оплодотворении; 3) обмена участками гомологичных хромосом или конъюгации. .

Мутационная изменчивость (мутации). Мутациями называют скачкообразные и устойчивые изменения единиц наследственности — генов, влекущие за собой изменения наследственных признаков. Они обязательно вызывают изменения генотипа, которые наследуются потомством и не связаны со скрещиванием и рекомбинацией генов.

Существуют хромосомные и генные мутации. Хромосомные мутации связаны с изменением структуры хромосом. Это может быть изменение числа хромосом кратное или не кратное гаплоидному набору (у растений — полиплоидия, у человека — гетероплоидия). Примером гетероплоидии у человека может быть синдром Дауна (одна лишняя хромосома и в кариотипе 47 хромосом), синдром Шерешевского — Тернера (отсутствует одна Х-хромосома, 45). Такие отклонения в кариотипе человека сопровождаются расстройством здоровья, нарушение психики и телосложения, снижением жизнеспособности и др.

Генные мутации — затрагивают структуру самого гена и влекут за собой изменение свойств организма (гемофилия, дальтонизм, альбинизм и др.). Генные мутации возникают как в соматических, так и в половых клетках.

Мутации, возникающие в половых клетках, передаются по наследству. Их называют генеративными мутациями. Изменения в соматических клетках вызывают соматические мутации, распространяющиеся на ту часть тела, которая развивается из изменившейся клетки. Для видов, размножающихся половым путем, они не имеют существенного значения, для вегетативного размножения растений они важны.

Чем отличается генотип от фенотипа

Генотип и фенотип –  понятия, с которыми школьники знакомятся в старших классах школы в курсе «Общей биологии». Из-за тождественности звучания потенциальные выпускники очень часто путают два базовых биологических термина.

Генотип – это тот набор генов, который живой организм получил при рождении. Иными словами, это —  полный комплект генетической информации, которой обладает конкретный биологический индивидуум. Под юрисдикцию термина вошли не только группы генов или аллели, а и виды сцеплений между собой в хромосоме этих носителей наследственной информации.

Набор и комбинация генов прямо влияет на развитие, внутреннее и внешнее строение, особенности процессов жизнедеятельности конкретного организма. Для определения генотипа следует провести генетический анализ или экспертизу. В растениеводстве и племенном животноводстве для выделения нужного гена пользуются  анализирующим скрещиванием.

Одинаковый генотип фиксируется у однояйцевых близнецов. Например, два живых существа – котенка, ребенка, мышонка одного пола, которые образовались из одной оплодотворенной яйцеклетки. Если биологический вид размножается вегетативным путем (делением, размножением спорами, почкованием) или количество организмов увеличивается за счет клонирования, то пока не происходит мутация, особи имеют аналогичный генетический комплект.

Термин был введен в «эксплуатацию» господином Иогансеном в 1909 году при публикации результатов изучения наследственности. Значительная часть наличествующих в организме генов проявляются в фенотипе организма.

Фенотип – это внутренние и внешние параметры организма, которые появились у него в результате онтогенеза, то есть во время его индивидуального развития. В основе фенотипа лежит генотип – набор генов, возможные мутации и факторы внешней среды. Например – температура, уровень радиации, концентрация соли в воде. У организмов, обладающих диплоидным или двойным набором хромосом, в фенотипе проявляются лишь доминантные гены. Рецессивные аллели чаще всего не проявляются в фенотипе, но они сохраняются в генотипе и могут быть переданы организмом по наследству.

Чем выше уровень организации организма и его чувствительность к внешним фактором, тем больше существует возможностей для вариаций фенотипа.

Термин фенотип был введен в эксплуатацию вышеназванным датчанином Иогансеном одновременно с понятием «генотип» для разграничения  конкретной наследственности и того, как конкретный организм реализовал свою генетическую программу.

Идеальным примером для демонстрации возможностей фенотипа может стать история про двух однояйцевых близнецов, которые имеют одинаковый генный набор априори. Поместив их на начальной стадии развития в различные жизненные условия – климатические, социальные, вы получите организмы, которые весьма отличаются по ряду внешних и качеству внутренних параметров. Но не стоит забывать, что есть такие черты, которые определяются лишь генотипом. Например – цвет глаз или группа крови.

Выводы TheDifference.ru

1. Генотип живой организм получает от родителей, в результате слияния двух носителей наследственной информации. Фенотип формируется на основе генотипа, на него влияет ряд внешних факторов и неизбежные мутации.
2. Генотип можно определить после анализа ДНК, фенотип видно невооруженным взглядом, уже при анализе параметров внешнего вида живого организма.
3. Набор генов индивидуум передает своему потомству, фенотип формируется в процессе индивидуального развития живого существа.

Фенотип — все статьи и новости

Фенотип — совокупность всех характеристик организма, причем не только внешних. Группа крови или скорость биохимических реакций — это тоже элементы фенотипа.

Все признаки, сформировавшиеся у взрослого организма, определены генетически. Но как, например, объяснить, что у растения стрелолиста форма листьев зависит от того, где именно они окажутся: под или над водой? Или что на открытом пространстве сосна вырастает раскидистой, а в лесу — нет? Или зависимость окраски шерсти гималайского кролика от температуры среды?

На самом деле фенотип определяется не только генотипом, свой вклад вносит и окружающая среда (как и взаимодействия генов и мутации). В большинстве случаев такие изменения адаптивны и позволяют максимально приспособиться к условиям среды. В этом случае их называют модификациями, а способность организма изменять свой фенотип — модификационной изменчивостью. Правда, любой признак имеет некоторое ограничение своего проявления — норму реакции, за пределы которой он не может выйти.

Генотип (совокупность генов) как раз и определяет норму реакции, то есть все возможные варианты проявления признака. Наблюдаемые модификации генетически обусловлены, просто разнообразно проявляются при разных условиях среды. Однако важно отметить, что конкретные модификации не наследуются, наследуется именно норма реакции.

Увеличение количества эритроцитов при подъеме в горы и появление загара — это тоже модификации, они помогают адаптироваться. Но существуют и другие виды изменения фенотипа, нейтральные или даже вредные для организма. Это морфозы (к ним можно отнести шрамы или более серьезные повреждения организма) и фенокопии, по проявлениям схожие с генетическими заболеваниями, но ими не являющиеся и не передающимися по наследству. Так, например, после инсультов могут ухудшаться интеллектуальные способности (проявляться сосудистая деменция), что по признакам напоминает болезнь Альцгеймера.

Фото: Skitterphoto/Pixabay

Генотип и фенотип. | Биология

Генотип – совокупность наследственных признаков и свойств, полученных особью от родителей. А также новых свойств, появившихся в результате мутаций генов, которых не было у родителей. Генотип складывается при взаимодействии двух геномов (яйцеклетки и сперматозоида) и представляет собой наследственную программу развития, являясь целостной системой, а не простой суммой отдельных генов. Целостность генотипа – результат эволюционного развития, в ходе которого все гены находились в тесном взаимодействии друг с другом и способствовали сохранению вида, действуя в пользу стабилизирующего отбора. Так, генотип человека определяет (детерминирует) рождение ребенка, у зайца – беляка потомство будет представлено зайчатами, из семян подсолнечника вырастет только подсолнечник.

Генотип – это не просто сумма генов. Возможность и форма проявления гена зависят от условий среды. В понятие среды входят не только условия, окружающие клетку, но и присутствие других генов. Гены взаимодействуют друг с другом и, оказавшись в одном генотипе, могут сильно влиять на проявление действия соседних генов.

Фенотип – совокупность всех признаков и свойств организма, сложившихся в процессе индивидуального развития генотипа. Сюда относятся не только внешние признаки (цвет кожи, волос, форма уха или нома, окраска цветков), но и внутренние: анатомические (строение тела и взаимное расположение органов), физиологические (форма и размеры клеток, строение тканей и органов), биохимические (структура белка, активность фермента, концентрация гормонов в крови). Каждая особь имеет свои особенности внешнего вида, внутреннего строения, характера обмена веществ, функционирования органов, т.е. свой фенотип, который сформировался в определенных условиях среды.

Если рассмотреть результаты самоопыления гибридов F2, можно обнаружить, что растения, выросшие из желтых семян, будучи внешне сходными, имеющие одинаковый фенотип, обладают различной комбинацией генов, т.е. разный генотип.

Понятия генотип и фенотип – очень важные в генетике. Фенотип формируется под влиянием генотипа и условий внешней среды.

Известно, что генотип отражается в фенотипе, а фенотип наиболее полно проявляется в определенных условиях среды. Таким образом, проявление генофонда породы (сорта) зависит от окружающей среды, т.е. условий содержания (климатические факторы, уход). Часто сорта, созданные в одних районах, мало пригодны к разведению в других.

Генотип — все статьи и новости

Генотип — совокупность генов организма и их отношений между собой, в том числе аллели и сцепление генов в хромосоме. В самом узком смысле это понятие может подразумевать все аллели гена или группы генов, контролирующих какой-либо признак организма, а в более широком — совокупность всех наследственных признаков организма, записанных в его ДНК (включая некодирующие последовательности), которые определяют его фенотип — внешний вид и внутреннее строение.

Сам термин «генотип» вместе с терминами «ген» и «фенотип» ввел немецкий генетик Вильгельм Людвиг Иогансен в 1909 году в своей работе «Элементы точного учения наследственности». Генотип не следует путать с геномом: в первом случае речь идет о наследственной информации конкретного организма, во втором — о наборе признаков, свойственном целому виду.

На ранних этапах изучения генотипа считалось, что все гены в нем действуют отдельно и каждый из них соответствует одному белку, выполняющему определенную функцию в организме и проявляющемуся как конкретный признак, который может быть качественным или количественным (например, рост, умение E.coli расщеплять какое-то питательное вещество, цвет лепестков ночной красавицы или гладкость или морщинистость горошины в опытах Менделя). Еще в первой половине XX века этот принцип — «один ген — один фермент» — считался передовым. Благодаря ему у ученых появилась сама возможность заняться расшифровкой генетического кода. Однако в дальнейшем было доказано, что генотип — это единая система элементов, которые взаимодействуют на разных уровнях. Например, один ген может кодировать более одного белка, не вся ДНК состоит из кодирующих последовательностей (экзонов), не все некодирующие последовательности бесполезны. Тот же рост контролируется вовсе не одним геном. Кроме того, гены влияют друг на друга, в результате чего несколько генотипов могут давать один и тот же фенотип или же действие нескольких аллелей или разных генов суммируется и дает один признак. Среди этих механизмов: неполное доминирование, как у ночной красавицы, когда при скрещивании пурпурного и белого цветка мы получаем «среднее арифметическое» — розовые цветки у потомства; эпистаз, когда один ген подавляет другой; кодоминирование, определяющее наследование агглютининов и агглютиногенов, на основании которых впервые было выделено четыре группы крови человека.

Также у особей с одинаковым генотипом в ходе индивидуального развития организма могут проявиться разные фенотипы, так как некоторые гены проявляются только в определенных условиях. Кроме того, если у двух организмов одинаковый фенотип, это не значит, что у них идентичные генотипы (при полном доминировании мы получаем доминантный фенотип и у гетерозигот, и у доминантных гомозигот). При этом фенотип может меняться на протяжении жизни организма, а генотип в целом остается неизменным (не считая ошибок при копировании ДНК и других мутаций).

Изображение: OpenClipart-Vectors/Pixabay

понятие, примеры, признаки и связь с генотипом

Автор Карина ПанченкоВремя чтения 3 мин.Просмотры 939Опубликовано 2017-07-31Обновлено 2020-03-16

Определение: фенотип — выраженные физические черты организма, определенные генотипом, доминирующими генами, случайной генетической вариацией и воздействием окружающей среды.

Примеры: такие черты, как цвет, высота, размер, форма и поведение.

Взаимосвязь фенотипа и генотипа

Генотип организма определяет его фенотип. Все живые организмы имеют ДНК, которая дает инструкции для производства молекул, клеток, тканей и органов. ДНК содержит генетический код, который также отвечает за направление всех клеточных функций, включая митоз, репликацию ДНК, синтез белка и перенос молекул.

Фенотип организма (физические черты и поведение) определяются их унаследованными генами. Гены представляют собой определенные участки ДНК, которые кодируют структуру белков и определяют различные признаки. Каждый ген расположен на хромосоме и может существовать в более чем одной форме. Эти различные формы называются аллелями, которые располагаются в определенных местах на определенных хромосомах. Аллели передаются от родителей к потомству через половое размножение.

Диплоидные организмы наследуют два аллеля для каждого гена; один аллель от каждого родителя. Взаимодействие между аллелями определяют фенотип организма. Если организм наследует два одинаковых аллеля для определенного признака, он гомозиготный по этому признаку. Гомозиготные особи выражают один фенотип для данного признака. Если организм наследует два разных аллеля для определенного признака, он является гетерозиготным по этому признаку. Гетерозиготные особи могут выражать более одного фенотипа для данного признака.

Полное, неполное и кодоминирование

Черты могут быть доминирующими или рецессивными. В схемах наследования полного доминирования фенотип доминирующей черты полностью маскирует фенотип рецессивного признака. Имеются также случаи, когда отношения между разными аллелями не проявляют полного доминирования. При неполном доминировании доминирующая аллель полностью не маскирует другую аллель. Это приводит к фенотипу, который представляет собой смесь фенотипов, наблюдаемых в обеих аллелях. При кодоминировании оба аллеля полностью выражены. Это приводит к фенотипу, в котором оба признака наблюдаются независимо друг от друга.

Вид доминирования	Черта	Аллели	Генотип	Фенотип
Полное доминирование	Цвет	R-красный, r-белый	Rr	красный цвет
Неполное доминирование	Цвет	R-красный, r-белый	Rr	розовый цвет
Кодоминирование	Цвет	R-красный, r-белый	Rr	красно-белый цвет

Фенотип и генетическое разнообразие

Генетическое разнообразие может влиять на фенотипы. Оно описывает изменения генов организмов в популяции. Эти изменения могут быть результатом мутаций ДНК. Мутации являются изменениями последовательностей генов в ДНК.

Любое изменение последовательности генов может изменить фенотип, выраженный в унаследованных аллелях. Поток генов также способствует генетическому разнообразию. Когда новые организмы попадают в популяцию, вводятся новые гены. Введение новых аллелей в генофонд делает возможными новые комбинации генов и различные фенотипы.

Во время мейоза образуются различные комбинации генов. В мейозе гомологичные хромосомы случайным образом разделяются на разные клетки. Передача гена может происходить между гомологичными хромосомами через процесс пересечения. Эта рекомбинация генов может создавать новые фенотипы в популяции.

Мне нравитсяНе нравится

Не все нашли? Используйте поиск по сайту ↓

Генотип против фенотипа: примеры и определения

Любой организм — это побочный продукт своей генетической структуры и окружающей среды. Чтобы понять это в деталях, мы должны сначала оценить некоторые основные генетические термины и концепции. Здесь мы даем определения терминов генотип и фенотип , обсуждаем их взаимосвязь и рассматриваем, почему и как мы могли бы их изучить.

Что такое определение генотипа?

В биологии ген — это часть ДНК, которая кодирует признак.Точное расположение нуклеотидов (каждый состоит из фосфатной группы, сахара и основания) в гене может различаться в разных копиях одного и того же гена. Следовательно, ген может существовать в разных формах у разных организмов. Эти разные формы известны как аллели. Точное фиксированное положение на хромосоме, содержащее конкретный ген, называется локусом.

Диплоидный организм наследует либо две копии одного и того же аллеля, либо одну копию двух разных аллелей от своих родителей. Если человек наследует два идентичных аллеля, его генотип считается гомозиготным по этому локусу.

Однако, если они обладают двумя разными аллелями, их генотип считается гетерозиготным по этому локусу. Аллели одного и того же гена могут быть аутосомно-доминантными или рецессивными. Аутосомно-доминантный аллель всегда будет предпочтительно выражаться по сравнению с рецессивным аллелем.

Последующая комбинация аллелей, которыми обладает человек для определенного гена, — это его генотип .

Примеры генотипов

Рассмотрим классический пример — цвет глаз.

• Ген кодирует цвет глаз.
• В этом примере аллель либо коричневый, либо синий, причем один унаследован от матери, а другой — от отца.
• Коричневый аллель является доминантным (B), а синий аллель — рецессивным (b). Если ребенок наследует два разных аллеля (гетерозиготных), у него будут карие глаза. Чтобы у ребенка были голубые глаза, они должны быть гомозиготными по аллелю голубого глаза.

Рис. 1. Диаграмма наследования, в которой подробно показано, как индивид может унаследовать голубые или карие глаза в зависимости от аллелей, принадлежащих их родителям, причем аллель цвета карих глаз является доминантным, а аллель цвета голубых глаз — рецессивным.

Другие примеры генотипа включают:

• Цвет волос
• Рост
• Размер обуви

Каково определение фенотипа?
Сумма наблюдаемых характеристик организма — это их фенотип. Ключевое различие между фенотипом и генотипом состоит в том, что в то время как генотип унаследован от родителей организма, фенотип — нет.

Хотя фенотип влияет на генотип, генотип не равен фенотипу.На фенотип влияет генотип и факторы, включая:

• Эпигенетические модификации
• Факторы окружающей среды и образа жизни

Рисунок 2: Фламинго от природы имеют белый цвет, их вызывают только пигменты организмов, которые они едят. чтобы стать ярко-розовым.

Примеры фенотипов
Факторы окружающей среды, которые могут влиять на фенотип, включают питание, температуру, влажность и стресс.Фламинго — классический пример того, как окружающая среда влияет на фенотип. Несмотря на то, что они известны своим ярко-розовым цветом, их естественный цвет — белый — розовый цвет вызван пигментами организмов в их рационе.

Второй пример — цвет кожи человека. Наши гены контролируют количество и тип меланина, который мы производим, однако воздействие ультрафиолетового света в солнечном климате вызывает потемнение существующего меланина и способствует усилению меланогенеза и, следовательно, более темной коже.

Генотип против фенотипа: наблюдение
Наблюдать за фенотипом просто — мы смотрим на внешние особенности и характеристики организма и делаем выводы о них.Однако наблюдение за генотипом немного сложнее.

Генотипирование — это процесс, при котором различия в генотипе человека анализируются с помощью биологических анализов. Полученные данные затем можно сравнить либо с последовательностью второго человека, либо с базой данных последовательностей.

Ранее генотипирование позволяло получить только частичные последовательности. Теперь, благодаря крупным технологическим достижениям последних лет, мы получили самое современное секвенирование всего генома.

Рисунок 3: Рабочий процесс, изображающий различные этапы секвенирования всего генома (WGS).

(WGS) позволяет получать целые последовательности. WGS — это эффективный процесс, который становится все более доступным и предполагает использование высокопроизводительных методов секвенирования, таких как секвенирование одной молекулы в реальном времени (SMRT) для идентификации исходной последовательности нуклеотидов, составляющих ДНК организма.

WGS — не единственный способ анализа генома организма — доступны различные методы.

Почему важно изучать генотип и фенотип?
Понимание взаимосвязи между генотипом и фенотипом может быть чрезвычайно полезным в различных областях исследований.

Особенно интересная область — фармакогеномика. Генетические вариации могут возникать в ферментах печени, необходимых для метаболизма лекарств, таких как CYP450. Следовательно, фенотип человека, то есть его способность метаболизировать конкретное лекарство, может варьироваться в зависимости от того, какой формой гена, кодирующего фермент, он обладает. Для фармацевтических компаний и врачей эти знания являются ключевыми для определения рекомендуемых дозировок лекарств для разных групп населения.

Использование методов генотипирования и фенотипирования в тандеме кажется лучше, чем использование только генотипических тестов.В сравнительном клиническом исследовании фармакогеномики подход мультиплексирования выявил большие различия в способности метаболизма лекарств, чем это было предсказано только генотипированием. Это имеет важное значение для персонализированной медицины и подчеркивает необходимость проявлять осторожность, полагаясь исключительно на генотипирование.

Как мы можем изучить взаимосвязь между генотипом и фенотипом?
Используя модели животных, например мышей, ученые могут генетически модифицировать организм, чтобы он больше не экспрессировал определенный ген — известные как «нокаутные мыши».Сравнивая фенотип этого животного с фенотипом дикого типа (то есть фенотипом, который существует, когда ген не был удален), мы можем изучить роль определенных генов в обеспечении определенных фенотипов.

Инициатива в области информатики генома мышей (MGI) составила базу данных тысяч фенотипов, которые могут быть созданы и изучены, а также генов, которые должны быть выбиты для получения каждого конкретного фенотипа.

Таблица генотипов и фенотипов:

	Генотип	Фенотип
ответственный за конкретный признак	Наблюдаемые характеристики и признаки организма
Характеризуется	Методы генотипирования, такие как WGS	Наблюдение за внешними характеристиками организма
Последовательности генов, которыми обладает организм	Генотип, ПЛЮС эпигенетика и факторы окружающей среды
Унаследовано?	Да	Нет
Пример	Гены, кодирующие цвет глаз	Человек с карими глазами

Генотип и фенотип Все мы0001 — Science Learning 9 Hubotype 9 — Science Learning 9 Hubotype 9 — Science Learning 9 Hub 9 — Science Learning 9 Hub 9 — Science Learning 9 .Даже монозиготные близнецы, которые генетически идентичны, всегда имеют некоторые вариации в том, как они выглядят и действуют. Эта уникальность является результатом взаимодействия нашей генетической структуры, унаследованной от наших родителей, и влияния окружающей среды с момента нашего зачатия.

Понимание генотипа и фенотипа

Вильгельм Йоханссен был ученым, работавшим в Дании в конце 19 — начале 20 веков. В ходе серии экспериментов он наблюдал вариации генетически идентичных бобов.Он пришел к выводу, что вариация должна быть вызвана факторами окружающей среды, и ввел термины «генотип» и «фенотип» в 1911 году.

Генотип

Генотип — это генетический состав отдельного организма. Ваш генотип функционирует как набор инструкций для роста и развития вашего тела. Слово «генотип» обычно используется, когда говорят о генетике определенного признака (например, цвета глаз).

Фенотип

Фенотип — это наблюдаемые физические или биохимические характеристики отдельного организма, определяемые как генетическим составом, так и влиянием окружающей среды, например ростом, весом и цветом кожи.

Как генотип влияет на фенотип

Термин «генотип» обычно используется для обозначения определенных аллелей. Аллели — это альтернативные формы одного и того же гена, которые занимают одно и то же место на хромосоме. В любом данном локусе есть 2 аллеля (по 1 на каждой хромосоме в паре) — вы получаете 1 аллель от матери и 1 от отца. 2 аллеля могут быть одинаковыми или разными. Различные аллели гена обычно выполняют одну и ту же функцию (например, они кодируют белок, влияющий на цвет глаз), но могут давать разные фенотипы (например, голубые глаза или карие глаза) в зависимости от того, какой набор из двух аллелей у вас есть.

Например, способность ощущать вкус PTC (горького соединения) контролируется одним геном. У этого гена как минимум 7 аллелей, но обычно встречаются только 2 из них.

Заглавная буква «T» представляет доминантный аллель, который дает способность ощущать вкус — «доминантный» означает, что любой, у кого есть 1 или 2 копии этого аллеля, сможет попробовать PTC. Аллель без дегустации является рецессивным и обозначается строчной буквой «t» — «рецессивный» означает, что человеку потребуется 2 копии аллеля, чтобы не тестировать.

Каждая пара аллелей представляет генотип конкретного человека, и в этом случае существует 3 возможных генотипа: TT (тестер), Tt (тестер) и tt (не тестер).

Если аллели совпадают (TT или tt), генотип гомозиготный. Если аллели различны (Tt), генотип гетерозиготен.

На самом деле редко, когда 1 ген определяет 1 признак, как в случае дегустации PTC (моногенный признак). Большинство признаков сложны и имеют гены, влияющие на них более чем в 1 локусе (полигенный).

Как факторы окружающей среды влияют на фенотип

Ваши гены несут в себе инструкции для роста и развития вашего тела. Однако на ваш фенотип во время эмбрионального развития и на протяжении всей вашей жизни влияют факторы окружающей среды. Факторы окружающей среды многочисленны и разнообразны и включают диету, климат, болезни и стресс.

На примере дегустации PTC ученые подсчитали, что ген контролирует около 85% способности ощущать вкус. Факторы окружающей среды, которые играют роль, включают сухость во рту и время, когда вы ели.

Степень, в которой ваш фенотип определяется вашим генотипом, называется «фенотипической пластичностью». Если факторы окружающей среды имеют сильное влияние, фенотипическая пластичность высока. Если генотип можно использовать для надежного прогнозирования фенотипа, фенотипическая пластичность низкая.

В целом, степень влияния факторов окружающей среды на ваш конечный фенотип — это горячо обсуждаемая научная проблема. Это часто называют спорами «природа (гены) против воспитания (окружающей среды)».Ученые обычно изучают монозиготных (однояйцевых) близнецов, чтобы исследовать связь генотип / фенотип.

В заключение, ваш генотип или генетический состав играет решающую роль в вашем развитии. Однако факторы окружающей среды влияют на наши фенотипы на протяжении всей нашей жизни, и именно постоянное взаимодействие между генетикой и окружающей средой делает всех нас уникальными.

Границы | Дифференциальный взгляд на отношения генотип – фенотип

Введение

Иногда кажется, что мы забываем, что изначальный вопрос в генетике заключался не в том, что делает белок, а в том, «что делает собаку собакой, а человека мужчиной».’

(Благородный, 2006)

Один из фундаментальных вопросов биологии — понять, что отличает людей, популяции и виды друг от друга. Концепция фенотипа , который соответствует наблюдаемым атрибутам человека, была придумана в противовес генотипу , унаследованному материалу, передаваемому гаметами. С момента первоначального предположения, что генотипы и фенотипы образуют два принципиально разных уровня биологической абстракции (Johannsen, 1911), проблема заключалась в том, чтобы понять, как они соединяются друг с другом, как генотипы отображаются на фенотипах.За последние 15 лет более 1000 примеров изменений последовательности ДНК были связаны с естественными не вредными фенотипическими различиями между людьми или видами у эукариот (Martin and Orgogozo, 2013b). В отношении человека каталог OMIM ^® (онлайн-менделевское наследование у человека, http://omim.org/), в котором собраны генетические детерминанты связанных с заболеванием фенотипов, насчитывает более 4300 статей и в общей сложности 2493 опубликованных исследования геномных ассоциаций (GWAS) обнаружили множество участков в геноме, которые статистически связаны со сложными признаками (Welter et al., 2014). Поскольку обнаружение причинных связей между генетическими и фенотипическими вариациями ускоряется, пересмотр наших концептуальных инструментов может помочь нам найти объединяющие принципы в скоплении данных. Здесь мы размышляем о взаимосвязи между генотипами и фенотипами и адресуем это эссе биологам, которые хотят попытаться оспорить свое нынешнее понимание фенотипов. Выделим одну полезную точку зрения — дифференциальную. Затем мы показываем, что эта простая структура остается проницательной в контексте всепроникающей плейотропии, эпистаза и воздействия окружающей среды.

Гены как факторы различия

Мутации, выделенные из лабораторных штаммов, сыграли важную роль в понимании карты GP. По классической схеме мутация сравнивается с эталоном дикого типа, и ее фенотипические эффекты используются для определения функции гена. Эта структура часто приводит к семантическому ярлыку: из генетического изменения, вызывающего вариацию в фенотипе, часто удобно ассимилировать соответствующий ген в качестве причинной детерминанты признака (Keller, 2010; Рисунок 1A).Часто можно встретить заголовки, выражающие эти упрощения, трубящие перед широкой аудиторией об открытии гена «долголетия» или «благополучия», которые жертвуют научной точностью ради психологического воздействия. Исходя из этого, следует ли ген, чья мутация является летальной, называть «геном жизни»? Эти чрезмерно упрощенные формулировки на самом деле означают, что вариация в данном гене вызывает вариацию в данном фенотипе (Dawkins, 1982; Schwartz, 2000; Waters, 2007). Фактически, сам по себе ген не может ни вызывать наблюдаемого фенотипического признака, ни быть необходимым и достаточным для появления наблюдаемых признаков.Гены нуждаются в клеточной среде, комбинированном действии множества других генов, а также в определенных физико-химических условиях, чтобы оказывать заметное воздействие на организмы (рис. 1B). Например, каштановая пигментация волос у одного человека является продуктом не только генов, кодирующих ферменты, синтезирующие пигмент, но и присутствия клеток, продуцирующих пигменты соответствующих молекул субстрата (таких как тирозин для меланина), и количества полученного солнечный свет (Liu et al., 2013). Таким образом, генетический редукционистский подход, который исследует лишь несколько генетических параметров среди множества причинных факторов, тщетен, чтобы полностью ответить на широкий вопрос о том, что делает волосы коричневыми, что вызывает конкретную биологическую структуру или процесс в целом.Тем не менее, генетический редукционизм может быть совершенно подходящим для идентификации генетических локусов, изменение которых вызывает фенотипические различия (рис. 1C). Разница в цвете волос между двумя людьми в некоторых случаях может быть связана с их генетическими различиями. Отметим, однако, что не все фенотипические изменения можно объяснить генетическими изменениями. Разница в цвете волос также может быть вызвана негенетическими факторами, такими как возраст, интенсивность солнечного излучения или окрашивание волос, или сочетанием генетических и негенетических различий.

РИСУНОК 1. Схематическое изображение каналов GP. (A) Традиционное представление в классическом генетическом редукционизме. (B) Интегративный взгляд на биологию развития. (C) Схема экспериментального подхода в генетике. (D) Схема экспериментального подхода в эволюционной генетике. (E) Один пример таксономически устойчивой взаимосвязи GP: SLC45A2 и внутривидовые различия в пигментации у тигров и кур.Связи GP обозначены пунктирными линиями на панелях (D – E) .

Пока современная генетика находилась в зачаточном состоянии, Альфред Стертевант сформулировал вопрос о карте GP простыми словами: «Одна из центральных проблем биологии — это проблема дифференциации — как яйцо превращается в сложный многоклеточный организм? Это, конечно, традиционная главная проблема эмбриологии; но это также проявляется в генетике в форме вопроса: «Как гены производят свои эффекты?» (Стертевант, 1932).Долгое время некоторые генетики могли думать, что они анализируют морфогенетические механизмы, лежащие в основе формирования фенотипических признаков, в то время как их экспериментальный подход фактически обнаруживал гены, отсутствие или изменение которых (мутации, делеции, дупликации, перестройки и т. Д.) Приводят к фенотипические различия (сравните фиг. 1A с фиг. 1C). Фактически, предложение «ваши волосы коричневые» можно интерпретировать либо как абсолютное наблюдение (описание определенного набора молекул, содержащих определенные уровни темного пигмента эумеланина и бледного пигмента феомеланина), либо как неявную ссылку на другие возможности. (он коричневый, а не другого цвета).Заблуждения возникают из-за того, что фенотипы обычно определяются относительно возможностей, которые не сформулированы явно. Наш разум и наш язык часто путают объекты, вариации которых рассматриваются, с самими вариациями (Keller, 2010), и важно напомнить, что в генетике интересующие объекты (например, данный генотип, аллель или фенотип) заслуживают определения относительно к другому эталонному состоянию.

Таким образом, классический генетический редукционистский подход по своей сути неспособен выяснить все факторы, ответственные за наблюдаемые характеристики в живом мире (Stotz, 2012), но является мощным и актуальным методом анализа генетических рычагов наследственной фенотипической изменчивости.Сосредоточение внимания на фенотипических вариациях между людьми, а не на абсолютных признаках, присутствующих в отдельных организмах, является ключом к лучшему пониманию генетических причин фенотипического разнообразия.

Связь GP находится между двумя уровнями вариации

Размышление о различиях делает очевидной абстрактную сущность, которая включает в себя как генетический, так и фенотипический уровни. Эта сущность состоит из вариации в генетическом , локусе (два аллеля), связанного с ней фенотипического изменения (два различных фенотипических состояния) и их взаимоотношений (рис. 1D).Мы втроем называем совокупность этих элементов «гефе», но здесь мы просто называем это «отношениями генотип-фенотип» (отношения GP). Мы покажем, что отношения GP — это гораздо больше, чем простое и слабо определенное взаимодействие между двумя уровнями организации: это причинно-следственная связь, которая облегчает наше понимание фенотипического разнообразия.

Генетическая часть взаимоотношений с терапевтом

В современных базах данных аннотаций генома ген обычно определяется как участок нуклеиновых кислот, который транскрибируется и кодирует РНК или полипептид с известной или предполагаемой функцией (Gerstein et al., 2007). Генетический локус, лежащий в основе фенотипического различия, не обязательно является геном в строгом смысле слова; он может охватывать конкретную пару оснований, кодирующую область, регуляторную область цис- или распространяться на весь ген с его регулирующими областями цис- или даже на кластер генов (Таблица 1). Как ранее отмечалось другими (Falk, 1984; Gilbert, 2000; Stern, 2000; Moss, 2003; Griffiths and Stotz, 2013), концепция гена в биологии развития и в современных базах данных аннотаций генома отличается от концепции гена в эволюционная биология.Здесь упор делается не на сам ген, как это определено в базах данных геномов, а на индивидуальное функциональное разделение генома на локусы, создающие различия. Генотипическая часть родства GP может принимать форму различных аллелей: отдельные кодоны, кодирующие разные аминокислоты, вставки / делеции в кодирующей последовательности белка, расходящиеся версии определенного регуляторного элемента cis- , наличие / отсутствие вставок транспозонов. , количество копий гена в генном кластере, подверженном структурным изменениям и т. д.В геноме не все нуклеотидные участки связаны с фенотипической изменчивостью. Например, вероятно, существуют фрагменты нуклеотидных последовательностей, включая так называемую мусорную ДНК (Graur et al., 2015), присутствие которой не влияет на наблюдаемые характеристики организма, кроме репликации и, возможно, транскрибирования. Есть также генетические локусы, которые могли быть связаны с фенотипической изменчивостью в прошлом и которые больше не связаны с фенотипической изменчивостью.Например, генетические вариации в кодирующих областях связывания гистоновой ДНК могли быть важны на ранней стадии эволюции эукариотических клеток, но эти генетические локусы больше не содержат фенотипически релевантных вариаций, кроме летальных мутаций. Таким образом, в геноме есть нуклеотидные участки, которые абсолютно необходимы для жизни, но сами не содержат жизнеспособных фенотипически значимых вариаций.

ТАБЛИЦА 1. Несколько примеров отношений GP.

Фенотипическая часть семейных отношений

Фенотипический аналог отношения GP относится к разновидности вариации (цвет волос, уровень устойчивости к токсинам и т. Д.)), а не до состояния (светлые волосы, дегустатор фенилтиокарбамида и др .; Таблица 1).

Фенотип, связанный с генетическим изменением, не обязательно ограничивается организмом, который несет генетическую мутацию. Например, разница между левыми и правыми спиралями раковин улитки Lymnaea peregra определяется одним генетическим локусом с материнским эффектом: генотип матери, но не самой особи, отвечает за направление наматывание оболочки (Boycott et al., 1931). В других случаях причинное генетическое изменение лежит в пределах бактерий-симбионтов: термостойкость тли может варьироваться от человека к человеку из-за точечной мутации в их бактериальном симбионте (Dunbar et al., 2007). Определенные фенотипические эффекты также могут проявляться на более высоком уровне, чем организм, у которого есть генетическое изменение (Dawkins, 1982), одним из примеров является социальная организация колонии муравьев (Wang et al., 2013).

Дифференциальная часть отношений GP

Как определено выше, отношение GP включает генетическое различие и фенотипическое различие.Связь разницы как на генетическом, так и на фенотипическом уровне довольно абстрактна и может соответствовать трем отчетливым различиям в живом мире: (# 1) различие между двумя репродуктивно изолированными таксонами (живыми или вымершими), (# 2) различие, сегрегирующее внутри популяции, и (# 3) различие, впервые появившееся во время эволюции, между организмом, несущим предковый аллель / признак, и его прямым потомком, который развил новый аллель / признак. Следует отметить, что изменение фенотипа не всегда следует сразу же за появлением новой вызывающей мутации, но может появиться позже из единственного набора аллелей, которые сегрегируют в популяции.Например, новый фенотип редуцированных пластин брони появился в популяции пресноводной колюшки, когда рецессивный аллель EDA , уже присутствующий на скрытых уровнях, оказался в гомозиготном состоянии у одного человека (Colosimo et al., 2005; Jones et al., 2012). Главный концептуальный прогресс, сделанный Чарльзом Дарвином, состоял в том, чтобы связать вариации между особями внутри скрещивающейся группы (различие № 2) с вариациями между таксономическими группами в пространстве и времени (различие № 1; Lewontin, 1974a).

Отметим также, что определенные фенотипические изменения могут проявляться на уровне всего организма, когда «причинная» мутация сопровождается дополнительными соматическими мутациями, которые весьма вероятны. Например, у женщин, несущих аллель дикого типа и мутантный аллель BRCA1 , клетки могут продуцировать белки BRCA1 дикого типа, поскольку они несут одну копию аллеля BRCA1 дикого типа. Тем не менее, эти женщины имеют до 80% риска развития рака груди или яичников к 70 годам по сравнению с женщинами, несущими две копии BRCA1 дикого типа, из-за появления дополнительных вредных мутаций внутри дикого типа BRCA1 аллель в их соматических клетках молочной железы (Narod and Foulkes, 2004).

Важно отметить, что разница GP всегда определяется относительно представляющей интерес популяции или таксона (Sober, 1988). В менее развитых с медицинской точки зрения странах люди, несущие две дефектные копии гена фенилаланингидроксилазы, имеют серьезные медицинские проблемы, включая судороги и умственную отсталость. Напротив, в большинстве развитых стран у таких людей диагностируется при рождении, и они имеют нормальную продолжительность жизни с нормальным умственным развитием благодаря диете с ограничением фенилаланина (Armstrong and Tyler, 1955).Следовательно, взаимоотношения GP, включающие дефектную мутацию фенилаланингидроксилазы, зависят от контекста: мутация связана с проблемами здоровья в менее развитых с медицинской точки зрения странах, но не в других странах. Этот пример показывает, что причинно-следственная связь между генетическим изменением и связанным с ним фенотипическим изменением может скрывать множество встроенных параметров (таких как медицинская практика для случая фенилаланингидроксилазы) в рамках предположения ceteris paribus о «прочих равных условиях».”

Таким образом, отношения GP лучше всего рассматривать как отношения между двумя вариациями, одна на генотипическом уровне, а другая на фенотипическом уровне. Человеческий разум может разработать концепции возрастающей абстракции: концепции вещей (например, клетки), концепции изменения (например, эволюции) и концепции отношений (например, гомология; Cassirer, 1910; Simondon, 1968). Здесь концепция отношения GP устанавливает связь между двумя изменениями (генетическими и фенотипическими). В следующих абзацах мы покажем, что, по сравнению с использованием интуитивных представлений о вещах, этот обходной путь через усиление абстракции может оказаться более эффективным для лучшего понимания фенотипического разнообразия.

Несколько текущих представлений о связи между генотипом и фенотипом неявно отклоняют дифференциальную точку зрения

Выше мы утверждали, что всегда следует помнить о дифференциальной точке зрения, думая о связи между генотипами и фенотипами. GWAS, которые представляют собой наиболее популярный метод обнаружения геномных локусов, связанных со сложными признаками в популяциях, основаны на анализе различий (Visscher et al., 2012). Тем не менее, в текущих исследованиях дифференциальная точка зрения иногда неявно отвергается.Когда наблюдаются множественные факторы, влияющие на фенотипические признаки (рис. 1В), дифференциальная точка зрения считается слишком упрощенной, и исследователи часто предпочитают снова сосредоточиться на фенотипах отдельных людей, не связывая их явным образом с фенотипическим эталоном.

В большинстве современных статей проблема связи генотипа с фенотипом формулируется в терминах карт генотипа и фенотипа. Первая карта GP была представлена ​​Ричардом Левонтином в его книге «Генетическая основа эволюционных изменений» (Lewontin, 1974a; рис. 2A).Он указал средний генотип популяции как точку в пространстве всех возможных генотипов (пространство G) и средний фенотип той же популяции как соответствующую точку в пространстве всех возможных фенотипов (пространство P). Таким образом, эволюционный процесс был разделен на четыре этапа: (1) средний фенотип является производным от развития отдельных генотипов в различных средах; (2) миграция, спаривание и естественный отбор действуют в пространстве P, чтобы изменить средний фенотип исходной популяции на средний фенотип особей, у которых будет потомство; (3) личность успешных родителей определяет, какие генотипы сохраняются; и (4) генетические процессы, такие как мутация и рекомбинация, изменяют положение в G-пространстве.

В другом распространенном графическом представлении (рис. 2B) точка в пространстве G и соответствующая ей точка в пространстве P соответствуют генотипу и фенотипу отдельного человека (Fontana, 2002; Landry and Rifkin, 2012). При таком представлении абстрактный объект, который мы определили выше как отношение GP, будет соответствовать «движению» в пространстве генотипа, связанному с «движением» в пространстве фенотипа (или, лучше, сумме нескольких «ходов» в генотипе, и пространства фенотипов, потому что несколько различных геномов могут нести два альтернативных аллеля данного отношения GP).В третьем представлении, выдвинутом Вагнером (1996; рис. 2C), отдельные гены связаны с отдельными признаками.

Хотя эти три графических представления карт GP могут облегчить наше понимание определенных аспектов биологии, во всех из них связь GP и дифференциальная точка зрения понять непросто. Вызывает недоумение то, что первым, кто нарисовал такую ​​карту GP, был Ричард Левонтин, красноречивый сторонник дифференциальной точки зрения (см., Например, его предисловие к «Ояме, 2000», шедевру убеждения).Поскольку эти графики сосредоточены на отдельных, а не на различных объектах, мы считаем, что эти три представления неявно побуждают нас вернуться к более интуитивному представлению об одном генотипе, связанном с одним фенотипом. Упущение из виду дифференциальной точки зрения может также происходить с точки зрения молекулярной биологии, где белки рассматриваются как имеющие причинные эффекты сами по себе, такие как фосфорилирование субстрата или связывание с последовательностью ДНК. Из-за двух запутанных определений гена, кодирующего белок или вызывающего фенотипические изменения (Griffiths and Stotz, 2013), легко перейти от дифференциальной точки зрения к недифференциальной точке зрения на отношения GP.

Таким образом, многие современные ментальные представления о связи между генотипом и фенотипом неявно отвергают дифференциальную точку зрения. Теперь мы покажем, что дифференциальная точка зрения совместима с тем фактом, что на фенотипические черты влияет сложная комбинация множества факторов, и что мы можем найти соответствующее схематическое представление отношений GP.

Проблема плейотропии

Разложение организма на элементарные единицы, такие как анатомические структуры, сыграло важную роль во многих биологических дисциплинах, таких как физиология, палеонтология и эволюция.Однако проблема состоит в том, чтобы определить декомпозицию на символы, наиболее подходящую для интересующего вопроса. Для вопросов, связанных с взаимоотношениями между органами разных людей или видов (например, гомология), может быть целесообразно сохранить традиционное разложение на анатомические структуры (Wagner, 2014). Ричард Левонтин и Гюнтер Вагнер определили характеры как элементы внутри организма, которые отвечают на адаптивные вызовы и представляют квазинезависимые единицы эволюционных изменений (Левонтин, 1978; Вагнер, 2000).Их определение касается абсолютных черт, наблюдаемых у отдельных организмов (например, формы крыла или количества пальцев у особи), и, таким образом, далеко от дифференциальной точки зрения. Здесь, чтобы лучше понять эволюцию и фенотипическое разнообразие живого мира, мы предлагаем разложить наблюдаемые атрибуты организма на множество элементарных вариаций GP, которые накапливались в течение нескольких поколений, начиная с начального состояния. Мы настаиваем на том, что с этой точки зрения персонажи — это не конкретные объекты (например, кожа), а абстрактные сущности, определяемые существованием различий между двумя возможными наблюдаемыми состояниями (например, цветом кожи).В качестве аналогии можно представить два способа изготовления поношенной кожаной обуви определенной формы. Можно либо собрать разные атомы в одну и ту же организацию, либо можно купить обувь в магазине и затем подвергнуть ее воздействию ряда механических сил. Мы естественно склонны сравнивать организмы с машинами и мыслить категориями частей, которые должны быть собраны, чтобы образовать функциональное целое. Однако безудержная метафора дизайнера или изготовителя неадекватна для понимания происхождения современных организмов (Coen, 2012).Чтобы понять фенотипические особенности данного организма, более эффективно разложить его на абстрактные изменения, которые произошли последовательно в течение эволюционного времени, а не во время развития. Исходное состояние является гипотетическим предком исследуемого организма.

Наблюдается, что некоторые мутации (квалифицируемые как плейотропные) затрагивают сразу несколько органов, тогда как другие изменяются только по одному (Paaby and Rockman, 2013; Zhang and Wagner, 2013). Для плейотропных мутаций мы считаем, что отношения GP должны включать все фенотипические изменения (в разных органах, на разных стадиях и т. Д.)) связано с генетическим различием. Например, мутация V370A рецептора EDAR связана не только с толщиной волос, но и с изменениями плотности потовых и молочных желез в азиатских популяциях (Kamberov et al., 2013). В таких случаях отношения GP являются взаимно-множественными. Рассмотрение кожи и глаз как независимых анатомических модулей человеческого тела может показаться подходящим для многих эволюционных изменений, но это несколько неадекватно в тех случаях, когда эти два органа развили новую черту пигментации одновременно через единственную мутацию в гене SLC45A2 (Лю и другие., 2013). Рассуждения в терминах отношений GP снимают проблему нахождения релевантной декомпозиции на элементарные анатомические структуры. Сами элементарные отношения GP выглядят как адекватные полунезависимые модули, комбинация которых может объяснить наблюдаемые характеристики организма.

Проблема непрерывных сложных признаков

Согласно дифференциальной концепции взаимоотношений GP, одним из важнейших моментов является разложение наблюдаемых признаков на серию полунезависимых фенотипических вариаций, то есть выявление элементарных изменений, произошедших в ходе эволюции.Доступны экспериментальные подходы для разложения данного фенотипического различия на соответствующие более тонкие подвариации. Например, скрещивание растений с разными формами листьев дает потомство, которое демонстрирует составной диапазон промежуточных форм листьев. Анализ главных компонентов выявил элементарные изменения формы листа, которые вместе могут объяснить разницу в форме между родительскими линиями и которые, по-видимому, вызваны разными геномными регионами (Langlade et al., 2005). Это в какой-то мере говорит о том, что «сумма затемняет части.«То, что мы традиционно считаем сложными, можно сделать из более простых, более поддающихся генетическому анализу. Другой яркий пример — пигментация брюшной полости в группе Drosophila dunni . Взятые как единственная переменная, уровни пигментации демонстрируют сложную генетическую архитектуру, но разложение паттернов взрослых на анатомические субъединицы нарушает дискретный генетический контроль для каждого суб-признака (Hollocher et al., 2000). Более известный случай — это эволюция цвета тела у пляжных мышей.Разница в цвете между светлыми пляжными мышами и темными мышами может быть разложена на отдельные фенотипы (спинной оттенок, дорсальная яркость, ширина полосы на хвосте и дорсовентральная граница), которые все связаны с различными мутациями в гене Agouti ( Linnen et al., 2013; рисунок 3). Кажется, что каждый генетический локус Agouti предназначен для спецификации пигментации в данной части тела. Вместе они образуют группу тесно связанных локусов, которые связаны с изменениями пигментации шерсти.

РИСУНОК 3. Эволюция светлых пляжных мышей вызвана несколькими мутациями с отчетливыми эффектами пигментации в локусе Agouti . Темный и светлый фенотипы можно разделить на четыре фенотипических признака, которые связаны с различными однонуклеотидными полиморфизмами (SNP, цветные точки), локализованными в гене Agouti . Показаны только SNP с предполагаемым коэффициентом отбора легкого аллеля выше 0,1. Кодирующие экзоны представлены темными прямоугольниками, а непереведенные экзоны — белыми.По материалам Linnen et al. (2013).

Хотя сложные черты не всегда могут быть сведены к набору простых взаимосвязей GP, вполне возможно, что такие черты, как рост взрослого человека, наиболее символический количественный признак, который, по прогнозам, состоит из множества генетических эффектов небольшого размера (Fisher, 1930), могут также можно разложить на элементарные вариации, каждая из которых объясняет более дискретные суб-черты. В то время как некоторые детерминанты роста человека, такие как LIN28B , были связаны с ростом взрослого человека в разном возрасте, другие гены достигли статистической значимости только в исследованиях, посвященных конкретным стадиям, с упором на рост плода и скорость роста в период полового созревания (Lettre, 2011).Другими словами, эти данные предполагают, что рост человека может быть составной чертой, которая модулируется несколькими отношениями GP, каждая из которых действует на разных фазах развития.

Проблема эпистаза и GxE

Взаимодействие «ген за средой» (GxE) происходит, когда фенотипический эффект данного генетического изменения зависит от параметров окружающей среды. Сходным образом эпистаз или взаимодействие GxG происходит, когда фенотипический эффект данного генетического изменения зависит от аллельного состояния по крайней мере одного другого локуса (Phillips, 2008; Hansen, 2013).Появляется все больше свидетельств того, что взаимодействия GxG и GxE имеют фундаментальное значение для понимания эволюции и наследования сложных признаков (Gilbert and Epel, 2009; Hansen, 2013). Мы предполагаем, что оба явления могут быть интегрированы в базовую дифференциальную структуру GP, где взаимодействия GxG и GxE привносят слой зависимости от контекста и приводят к различиям, заключенным в различиях.

Разница в цветовой пигментации между темными и светлыми пляжными мышами, упомянутая ранее (рис.3), связана не только с мутациями в Agouti , но и с кодирующей мутацией в гене MC1R , который уменьшает пигментацию (Steiner et al., 2007; Рисунок 4B). Эффект мутации MC1R виден только в присутствии связанного со светом производного гаплотипа Agouti . Здесь считается, что локус Mc1R эпистатически взаимодействует с локусом Agouti . В этом случае мы предполагаем, что отношение GP включает не одно фенотипическое различие, а два возможных фенотипических различий (изменение пигментации шерсти или отсутствие изменений вообще). Выбор между этими двумя фенотипическими различиями определяется генетическим фоном (здесь в локусе Agouti ).Таким образом, дифференциальная точка зрения остается относительно простой для двухлокусных взаимодействий: контекстная зависимость фенотипа транслируется в выбор между двумя возможными фенотипическими различиями. Мы предлагаем, чтобы отношения GP, включающие мутацию, подверженную множественным эпистатическим взаимодействиям, включали все возможные фенотипические различия, которые могут возникнуть в результате мутации во всех генетических фонах. Среди всех возможных фенотипических вариаций наблюдаемые фенотипические различия определяются другими генетическими локусами.В общем, взаимодействия GxG включают несколько сайтов, которые рассредоточены по геному (Bloom et al., 2013).

РИСУНОК 4. Взаимодействия между генами (GxE) и GxG. (A) Кодирующая мутация npr-1 влияет на агрегацию нематод при 21% уровне кислорода, но не при 10% (Andersen et al., 2014). (B) Кодирующая мутация Mc1R влияет на пигментацию тела мыши в присутствии доминантных светлых аллелей Agouti , но не на гомозиготном фоне Agouti по рецессивному темному аллелю (Steiner et al., 2007).

Примером взаимодействия GxE (см. Также рис. 4A) является встречающийся в природе аллель потери функции brx у растений Arabidopsis , который связан с ускоренным ростом и повышенной приспособленностью в кислых почвах, а также с сильно уменьшенной корневой системой. рост по сравнению с диким типом в нормальных почвах (Gujas et al., 2012). Взаимодействия GxE обычно анализируются в форме нормы реакции , которая представляет все наблюдаемые черты единственного генотипа в различных средах (Johannsen, 1911; Sarkar, 1999).В случае взаимодействий GxE мы предполагаем, что отношения GP должны включать все возможные фенотипические изменения , которые могут быть вызваны ассоциированными генетическими изменениями в различных экспериментальных условиях. Связанное с этим фенотипическое изменение, таким образом, представляет собой разницу между двумя нормами реакции. Примером из учебника является правило изменения температуры и размера в C. elegans . Как и большинство других животных, нематоды C. elegans растут крупнее при низкой температуре, но лабораторный штамм дикого типа C.elegans , происходящего с Гавайев, не показывает изменений в размере тела при различных температурах. Аминокислотная замена в кальций-связывающем белке ответственна за снижение способности гавайского штамма расти при низкой температуре (Kammenga et al., 2007). Здесь норма реакции (представляющая размер тела нематоды в диапазоне температур) различается между нематодами, и связанная с ней взаимосвязь GP включает разницу между этими двумя наклонами.

Диапазон фенотипических вариаций, воплощенных в отношениях GP, подверженных взаимодействиям GxG и GxE, может быть довольно огромным, особенно в случаях, когда несколько тканей затронуты одной и той же мутацией, и когда на фенотипические вариации каждой ткани влияют другие геномные локусы и условия окружающей среды.Фактически, фенотипические эффекты мутации всегда зависят от других фрагментов ДНК из того же генома, так что любые отношения GP могут рассматриваться как переживание эпистаза. Другими словами, генетический локус, влияющий на фенотип, никогда не действует независимо от других последовательностей ДНК. Например, данный аллель опсина будет приводить к определенным свойствам цветового зрения только в том случае, если глаз сформирован и если этот глаз получает свет во время своего развития, что позволяет формировать эффективные нейронные цепи зрения. Чтобы дифференцированный взгляд был податливым, мы советуем не рассматривать все возможные генетические фоны и условия окружающей среды, а ограничить возможности потенциальной средой и сегрегацией аллелей, относящихся к интересующей популяции (Sober, 1988).

Таким образом, при наличии эпистаза или взаимодействий GxE генетическое изменение связано не с одним фенотипическим различием, а с множеством возможных фенотипических различий, одно из которых будет достигнуто в зависимости от окружающей среды и генетического фона. Зависимость от контекста может быть схематично представлена ​​как различия GP, встроенные в различия других генотипов и окружающей среды.

Дифференциальный взгляд на генетические и экологические эффекты на фенотипы

Как подчеркнуто несколькими авторами (в первую очередь Waddington, 1957; Oyama, 2000; Keller, 2010), гены и окружающая среда действуют совместно на фенотип, и в большинстве случаев невозможно отделить влияние одного от другого.Здесь мы показываем, что рассуждения о различиях помогают прояснить сравнение между генетическим и средовым влиянием на фенотипы. Однако мы выявляем определенные случаи, когда сравнение остается затруднительным.

По аналогии с отношениями GP, мы можем определить отношения между средой и фенотипом как средовую вариацию (две среды), связанные с ней фенотипические изменения (различные фенотипические состояния) и их отношения. Например, у многих видов черепах изменение температуры во время развития яйца связано с различием пола самец / самка (Рисунок 5A), и по крайней мере шесть переходов от экологического к генетическому определению пола (Рисунок 5B) произошли в филогении черепах (Pokorná и Кратохвил, 2009).В этом случае можно сравнить экологические и генетические эффекты: половые хромосомы и температура имеют одинаковый фенотипический эффект на черепах. Такие наблюдения привели Вест-Эберхарда (2003, 2005) к предложению гипотезы «гены как последователи», которая предполагает, что новые фенотипические состояния с большей вероятностью возникают сначала из-за изменения окружающей среды, чем из-за генетической мутации, и что мутации происходят только позже, при изменении порога проявления новой черты. Вест-Эберхард (2003, 2005) экстраполировал от различий, сегрегированных внутри популяций (различие № 2), до различий, которые возникли во времени во время эволюции популяции (различие № 1).

РИСУНОК 5. Отношения между средой и фенотипом в сравнении с отношениями GP для определения пола у черепах. (A) У некоторых видов температура во время эмбрионального развития определяет пол взрослой особи. (B) У других пол определяется половыми хромосомами.

Независимая эволюция направленной лево-правой асимметрии от симметричных предков во множественных ветвях предоставила главный аргумент в пользу гипотезы «гена как последователя» (Palmer, 2004).Согласно этой схеме, направленная асимметрия, при которой все индивиды односторонние, часто эволюционировала из состояния «случайной асимметрии», где направленность будет зависеть от факторов окружающей среды и, таким образом, будет варьироваться между генетически идентичными индивидами. Например, самая сильная клешня омара будет развиваться в зависимости от использования и имеет априори равную вероятность развития левой или правой стороны. Мы можем видеть, как здесь применяется формула «гены как последователи»: окружающая среда вызывает асимметрию, и позже в эволюции некоторые генетические эффекты могут изменить ее направленность в ту или иную сторону.Но в то время как асимметрия «возникает до того, как существует генетическая изменчивость, которая ее контролирует», дифференциальная точка зрения проясняет, что генетическое влияние на направленность несопоставимо с влиянием окружающей среды, которое запускает асимметрию. Генетическое изменение вызывает переключение между окончательным 100% односторонним состоянием и начальным состоянием, при котором 50% случаев являются правосторонними и 50% левосторонними. Напротив, два альтернативных фенотипических состояния, возникающих в результате изменения окружающей среды, считаются 100% правым и 100% левым.Этот пример показывает, что для точности важно явно указать различия, которые учитываются в отношениях GP.

Дифференциальный взгляд обеспечивает теоретическую основу, которая может помочь в разработке экспериментов по исследованию правильных переменных: можно сравнивать разные генотипы в фиксированной среде (классические отношения GP), сравнивать реакцию фиксированного генотипа на две разные среды (фенотипическая пластичность) или сравнить чувствительность двух разных генотипов к двум разным средам (при этом фенотипическая вариация становится разницей в разнице ; см., например, Engelman et al., 2009; Томас, 2010).

Были разработаны различные количественные методы, позволяющие отделить генетические эффекты от воздействия окружающей среды и количественно оценить взаимодействия GxE (Lynch and Walsh, 1998). Тем не менее, в определенных ситуациях может оказаться невозможным биологически значимым образом отделить генетические эффекты от воздействия окружающей среды, даже если рассуждать с точки зрения различий (Lewontin, 1974b). Популяции жука Calathus melanocephalus включают две морфы: длиннокрылые и короткокрылые (Schwander, Leimar, 2011).Длиннокрылые морфы развиваются только от гомозиготных особей по рецессивному аллелю, сегрегационному в популяции, и только при хороших условиях питания. В этом случае генетические эффекты и эффекты окружающей среды переплетаются (Рисунки 6A, B). В теоретическом случае популяции, состоящей только из короткокрылых гетерозиготных животных, выращенных в условиях голода, и длиннокрылых, и гены, и окружающая среда ответственны за различие крыльев между особями, и невозможно оценить долю окружающей среды и генетические эффекты, потому что гены и окружающая среда действуют на разных уровнях сложной причинной связи между генотипами и фенотипами.

РИСУНОК 6. Взаимосвязь «окружающая среда-фенотип» и перспективы взаимосвязи GP для полиморфизма длины крыла у жука Calathus melanocephalus . (A) С точки зрения взаимосвязи окружающая среда-фенотип, изменение условий питания связано с изменением размера крыла, но только с гомозиготным фоном для рецессивного аллеля (-1) локуса размера крыла. (B) С точки зрения отношения GP, генетическое изменение в локусе размера крыла связано с изменением размера крыла, но только в хороших условиях питания.

Другой случай, который ставит под сомнение классическое различие между окружающей средой и генетикой, — это когда добавление определенных симбиотических бактерий изменяет фенотип хозяина. Мыши, которых кормили штаммом бактерий Lactobacillus , демонстрируют сниженное поведение, связанное с тревогой, по сравнению с контрольными мышами, которых кормили бульоном без бактерий (Bravo et al., 2011). Здесь разница в поведении вызвана переключением между присутствием или отсутствием определенного симбионта кишечника. Причиной фенотипических различий является не простое изменение последовательности ДНК или простое изменение окружающей среды, не связанное с генетическими изменениями, а переключение между наличием и отсутствием фактора, который можно рассматривать как фактор окружающей среды, — бактерий, — которые содержат ДНК, мутации которой также могут изменять фенотип хозяина.

В заключение, рассуждения о различиях могут помочь прояснить сравнение между генетическим воздействием и влиянием окружающей среды на фенотипы. Однако проблемы здесь очень простые. Поскольку гены и окружающая среда действуют на разных уровнях сложной причинной связи между генотипами и фенотипами, в некоторых случаях невозможно разделить обе причины.

Разъяснение терминологии «прибыль / убыток» и «Разрешительный» / Инструкция

Фенотипические различия, по-видимому, подразделяются на две основные категории: либо наличие / отсутствие чего-либо (например, волос на теле или способность переваривать молоко), либо сдвиг между двумя альтернативами, которые обе присутствуют (например, два цвета волос).Точно так же со стороны генотипа мутация может соответствовать наличию / отсутствию соответствующей последовательности ДНК или нуклеотидному полиморфизму. Дифференциальная точка зрения делает очевидным, что потеря фенотипа не обязательно связана с потерей генетического материала, и наоборот. Например, эволюционное усиление темных пигментов, покрывающих всю шерсть животных, часто было связано с потерей гена Mc1R (Gompel and Prud’homme, 2009). Более того, как один из нас ранее отмечал (приложение Stern and Orgogozo, 2008), выигрыш или потеря для фенотипа субъективны.Например, выпадение волос можно рассматривать как прирост голого эпидермиса. Большинство эпидермальных клеток насекомых дифференцируются в одно из этих двух альтернативных состояний, и в обоих состояниях задействованы большие сети регуляции генов. Неясно, какое фенотипическое состояние представляет собой выигрыш или потерю по сравнению с другим. Даже на генотипической стороне определение потерь и прибылей может быть трудным. Вставка мобильного элемента может сбивать ген, тогда как делеция может иногда создавать новый сайт связывания для активатора транскрипции.Фактически, эволюционное усиление экспрессии desatF в D. melanogaster произошло посредством серии из трех делеций, каждая из которых создала мотив гексамера, который необходим для экспрессии desatF (Shirangi et al., 2009).

Точно так же дифференцированный взгляд на воздействие окружающей среды подчеркивает ошибочность различия между разрешающими и поучительными сигналами. Пермиссивный сигнал связан с наличием / отсутствием фенотипа, а инструктивный сигнал — со сдвигом между двумя присутствующими альтернативами.Как указывалось выше, эти различия на фенотипическом уровне нечеткие.

В заключение мы предлагаем использовать терминологию «прибыль / убыток» и поучительную / разрешительную терминологию с осторожностью.

Таксономически устойчивые отношения GP

Ожидается, что мутация вызовет в некоторой степени воспроизводимые фенотипические вариации в популяции. Такая воспроизводимость фенотипических результатов необходима для генетической эволюции и адаптации путем естественного отбора (Lewontin, 1974a; Kirschner and Gerhart, 1998).В самом деле, новообразованный аллель, который будет генерировать еще один фенотип каждый раз, когда он окажется в другом организме, не будет подвергнут естественному отбору. Рассуждения с точки зрения вариации, а не рассмотрение аллелей как изолированных объектов, проясняет, что конкуренция происходит между аллелями, которые охватывают один и тот же генетический локус. Естественный отбор действует непосредственно на аллельную изменчивость, которая последовательно связана с данной фенотипической изменчивостью, которая сама по себе является отношением GP. Таким образом, отношения GP являются базовой единицей эволюционных изменений, на которую действует естественный отбор.

Важным открытием последних 20 лет является то, что вариации в определенных генетических локусах вызывают сравнимые фенотипические вариации не только у разных особей одной популяции, но и у чрезвычайно разных таксонов (Martin and Orgogozo, 2013b). Другими словами, определенные отношения GP устойчивы с таксономической точки зрения и присутствуют в большом диапазоне видов. Это означает, что генетический и экологический фон оставался относительно постоянным или неоднократно появлялся на протяжении эволюции, чтобы позволить генетическим локусам генерировать сходные фенотипические изменения в различных таксономических группах.Об этом важном открытии почти 50 лет назад никто не подозревал. Долгое время ожидалось, что сингулярность, наблюдаемая в живом мире, будет отражать сравнимую сингулярность на генетическом уровне, включая несопоставимые и неконсервативные гены, специфичные для каждой линии (Mayr, 1963). Как однажды предложил Майр (1963) в 1963 году: «Многое из того, что было изучено о физиологии генов, делает очевидным, что поиск гомологичных генов совершенно бесполезен, за исключением очень близких родственников […]. Поговорка «Многие дороги ведут в Рим» так же верна как в эволюции, так и в повседневной жизни »(Mayr, 1963).Другими словами, генетические локусы, которые делают человека мужчиной, должны были отличаться от локусов, которые делают собаку или рыбу. Позже, в 80–90-х годах, несколько исследователей предположили совершенно противоположное, что эволюция происходит через мутации в консервативных генах, кодирующих белок (Romero-Herrera et al., 1978; Perutz, 1983; Stewart et al., 1987; Carroll et al., ., 2005), но у них было мало экспериментальных данных, подтверждающих их точку зрения (Tautz and Schmid, 1998). На сегодняшний день накапливающиеся данные о мутациях, ответственных за естественную изменчивость, ясно показывают, что разнообразие живых организмов имеет общую генетическую основу как минимум по трем пунктам.Во-первых, сравнительная биология развития показала, что животные имеют общие наборы ключевых регуляторных генов с сохраненными функциями (Wilkins, 2002, 2014; Carroll et al., 2005). Во-вторых, большинство межвидовых различий у животных и растений, для которых генетическая основа была хотя бы частично идентифицирована (154 случая из 160), вызваны мутациями в гомологичных генах, и очень немногие (6/160) связаны с новыми генами, которые, тем не менее, представляют собой дубликаты существующих генов (Martin and Orgogozo, 2013b).В-третьих, было показано, что множественные случаи сходных фенотипических изменений связаны с мутациями одних и тех же гомологичных генов в независимых клонах (Таблица 1), иногда на больших филогенетических расстояниях. Например, разница в пигментации между белыми и оранжевыми бенгальскими тиграми недавно была сопоставлена ​​с единственной мутацией в гене белка-переносчика SLC45A2 (Xu et al., 2013), и этот ген также был связан с гипопигментированными глазами, кожей , волосы и перья у людей и кур (Xu et al., 2013; Рисунок 1E). Более ярким примером является недавняя эволюция устойчивости к токсинам у трех видов, которые разошлись более 500 миллионов лет назад — моллюска, змеи и иглобрюха — через одну и ту же аминокислотную замену в консервативном гене (Bricelj et al., 2005 ; Geffeney et al., 2005; Venkatesh et al., 2005; Feldman et al., 2012). Такие поразительные паттерны генетического повторения сейчас обнаружены для более чем 100 генов у животных и растений (Martin and Orgogozo, 2013b). Несмотря на существующие методологические предубеждения в пользу консервативных генов в поисках локусов количественных признаков (Rockman, 2012; Martin and Orgogozo, 2013b), уровень генетического повторения остается поразительным и предполагает, что для эволюции по крайней мере определенных фенотипических различий существует относительно мало генетических путей. ведут в Рим (Stern, 2013).В настоящее время не следует удивляться тому, что фрагмент ДНК, связанный со сложной окраской крыльев у одного вида бабочек Heliconius , обеспечивает аналогичные крылья и коллективную защиту от одних и тех же хищников при введении в геном других бабочек (Supple et al., 2014). То, что делает собаку собакой, а человека мужчиной, теперь частично объясняется уникальным набором таксономически устойчивых отношений GP, которые обнаруживаются в нескольких ветвях родословной.

Определенные отношения между средой и фенотипом также устойчивы с таксономической точки зрения.Например, у большинства таксонов размер тела зависит от питания; дефицит железа может вызвать анемию, а некоторые токсичные соединения могут быть смертельными. У эктотермов температура организма зависит от температуры окружающей среды. Учитывая устрашающее количество условий окружающей среды, которые можно представить, вероятно, невозможно определить, являются ли таксономически устойчивые отношения GP или таксономически устойчивые отношения среда-фенотип более распространенными. Кроме того, является предметом споров, представляют ли таксономически устойчивые отношения GP исключительную и небольшую часть или значительную долю всех отношений GP.В любом случае существование таксономически устойчивых взаимоотношений с терапевтами теперь очевидно и должно быть широко принято исследовательским сообществом.

Некоторые из наиболее ярких учений современной биологии включают открытие того, что живые существа имеют один и тот же генетический материал (ДНК или РНК), один и тот же генетический код (за некоторыми исключениями) и один и тот же базовый клеточный аппарат. Таким образом, совсем не парадоксально, что индивидуальные различия строятся на сходствах, и открытие того, что определенные отношения GP сохраняются в течение длительного времени эволюции, дополняет картину.

Точная предсказательная сила, являющаяся результатом существования таксономически устойчивых взаимосвязей GP, редко встречается в биологии и только начинает использоваться в полной мере. Сохранение связей GP на больших расстояниях теперь полностью оправдывает использование подходов сравнительной генетики для решения прагматических проблем. Например, одомашнивание сельскохозяйственных культур принимало форму аналогичного давления отбора у многих видов, и теперь у нас есть экспериментальные доказательства того, что этот процесс неоднократно включал мутации в одном и том же наборе консервативных генов (Paterson et al., 1995; Мартин и Оргогозо, 2013b). Это наблюдение открывает интересные приложения, поскольку мы можем использовать этот появляющийся массив генетических знаний для помощи в одомашнивании будущих культур или использовать стратегии с использованием маркеров для создания и поддержания биоразнообразия сельскохозяйственных культур (Lenser and Theißen, 2013). Предсказуемость GP уже используется при идентификации штаммов, у которых развилась устойчивость к различным стратегиям борьбы с вредителями, причем в крайних случаях нацелена на устойчивость к противомалярийным препаратам у паразитов Plasmodium (Manske et al., 2012), устойчивость бактерий и дрожжей к антибиотикам (Fischbach, 2009; MacCallum et al., 2010) или, что еще более важно, антропогенная эволюция устойчивости к инсектицидам у различных когорт насекомых, независимо от их статуса вредителей (Ffrench-Constant et al., 2004; Martin, Orgogozo, 2013б).

Более того, повторяемость генетической основы фенотипической изменчивости предполагает, что клинические исследования также могут выиграть от генетических исследований большого диапазона модельных видов (Robinson and Webber, 2014).Например, естественная изменчивость толерантности к метотрексату, химиотерапевтическому препарату, была сопоставлена ​​у плодовых мух Drosophila с генами, чьи человеческие ортологи также связаны с реакцией пациентов на это лекарство (Кислухин и др., 2013), таким образом увеличивая использование модельных организмов в качестве моделей болезней.

К классификации фенотипов на основе генов

Одним из оригинальных аспектов определения связи GP с точки зрения индивидуальных отношений GP является то, что он позволяет классифицировать фенотипы в соответствии с их лежащей в основе генетической основой.На первом уровне взаимосвязи GP, затрагивающие разные области одного и того же гена и приводящие к сравнимым фенотипическим результатам, могут быть сгруппированы вместе. Простые случаи взаимодействия GxG были обнаружены между прочно сцепленными мутациями, как правило, внутри кодирующей последовательности или внутри регуляторного элемента cis-, когда они вызывают неаддитивный эффект на фенотип. Например, наблюдали, что конкретная мутация в энхансере вызывает различные сдвиги в характере экспрессии нижележащего кодирующего гена в зависимости от соседней последовательности ДНК (Frankel et al., 2011; Роджерс и др., 2013). Аналогичным образом, аминокислотные мутации в гене гемоглобина, как было обнаружено, увеличивают или уменьшают сродство к кислороду в зависимости от аллельного состояния других сайтов (Natarajan et al., 2013). В таких случаях интуитивно легко сгруппировать такие генетически связанные сайты вместе, поскольку все они влияют на один и тот же фенотипический признак.

Отсутствие пигментов меланина у животных было связано с мутациями в нескольких генах, включая OCA2 , лиганд или Mc1R (обзор в Gompel and Prud’homme, 2009; Liu et al., 2013). Принимая во внимание, что отсутствие меланина традиционно считается одним из состояний характера, альбинизмом, независимо от лежащей в основе генетической основы, мы предлагаем здесь отличать OCA2 -ассоциированный альбинизм от Mc1R -ассоциированного альбинизма или от альбинизма, ассоциированного с любым другим геном. Один интерес в разложении вариаций в живом мире на эти множественные элементарные отношения GP состоит в том, что эти элементы затем могут быть сгруппированы вместе в последовательно увеличивающиеся группы.Элементарные фенотипические изменения с участием разных генов, которые являются частью одного и того же генетического пути, также могут быть сгруппированы вместе как сопутствующие компоненты одного и того же механизма модуляции фенотипа. Это явно относится к сигнальным молекулам TGF-β BMP15, GDF9 и рецептору TGF-β BMPR1B, которые все неоднократно были связаны с вариациями функции яичников у людей и домашних пород овец (обзор в Luong et al., 2011).

Другим важным следствием перспективы взаимоотношений GP является то, что очевидно различные фенотипические изменения, вызванные сходными генетическими локусами у разных организмов, могут быть исследованы дополнительно, чтобы выявить то, что может быть общим основным фенотипическим изменением (Deans et al., 2015). Например, личинки мух и нематодные черви имеют различное поведение в поисках пищи, но мутации в одном и том же ортологическом гене ( для / egl-4 ), как было показано, изменяют интенсивность поведения в поисках пищи у обоих организмов (Osborne et al. , 1997; Mery et al., 2007; Hong et al., 2008). Таким образом, вероятно, что базовое изменение поведения, лежащее в основе, казалось бы, отличительных изменений в поиске пищи мухами и нематодами, представляет собой сохраненные отношения GP между нематодами и мухами.Этот несколько пограничный пример иллюстрирует проблему включения широко распространенного сравнительного мышления в наше глобальное понимание биологии. Имеет ли отношение мутация в мышиной модели к болезни человека? Можно ли считать, что фенотип мыши похож на состояние человека, если его генетическая основа иная? Мы и другие предсказываем, что поиск ортологичных фенотипов или «фенологов» (McGary et al., 2010) станет важной задачей современной генетики и потребует плодотворного союза между прикладной и эволюционной биологией.

Заключение

В этой статье мы возвращаем дифференциальную концепцию гена (Schwartz, 2000) в нашу структуру для понимания карты GP. Дифференциальный взгляд на отношения GP помогает прояснить генетическое и экологическое влияние на фенотипы и их связь. Это также открывает новые направления мышления, в частности, в отношении декомпозиции наблюдаемых функций внутри организма и представления карт GP. Кроме того, существование таксономически устойчивых взаимоотношений GP побуждает беззастенчиво использовать сравнительную генетику для предсказания генетической основы фенотипической изменчивости в различных группах организмов, и эта прогностическая сила имеет важный потенциал для трансляционных исследований в агрономии и клинических исследованиях.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы глубоко признательны Мари-Анн Феликс за полезные обсуждения и Томасу Прадо за то, что обратил наше внимание на несколько важных документов. Мы также благодарим Джузеппе Бальдаччи, Мари-Анн Феликс, Пьера-Анри Гуйона, Александра Пелуффо, Марка Сигала, Дэвида Стерна и рецензентов за их проницательные комментарии к рукописи.Исследование, приведшее к этой статье, получило финансирование от Европейского исследовательского совета в рамках Седьмой рамочной программы Европейского сообщества (FP7 / 2007-2013 грантовое соглашение № 337579) и от Фонда Джона Темплтона (грант № 43903).

Сокращения

GP, генотип – фенотип.

Список литературы

Андерсен, Э. К., Блум, Дж. С., Герке, Дж. П., и Кругляк, Л. (2014). Вариант нейропептидного рецептора npr-1 является основным детерминантом роста и физиологии Caenorhabditis elegans . PLoS Genet. 10: e1004156. DOI: 10.1371 / journal.pgen.1004156

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bloom, J. S., Ehrenreich, I. M., Loo, W. T., Lite, T.-L. В., Кругляк Л. (2013). Выявление источников недостающей наследственности при скрещивании дрожжей. Природа 494, 234–237. DOI: 10.1038 / природа11867

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бойкот, А. Э., Дайвер, К., Гарстанг, С. Л., и Тернер, Ф.М. (1931). Наследование левосторонности у limnæa peregra (Mollusca, Pulmonata). Philos. Пер. R. Soc. Лондон. Сер. В 219, 51–131. DOI: 10.1098 / rstb.1931.0002

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Браво, Дж. А., Форсайт, П., Чу, М. В., Эскараваж, Э., Савиньяк, Х. М., Динан, Т. Г. и др. (2011). Проглатывание штамма Lactobacillus регулирует эмоциональное поведение и экспрессию центрального рецептора ГАМК у мыши через блуждающий нерв. Proc.Natl. Акад. Sci. США 108, 16050–16055. DOI: 10.1073 / pnas.1102999108

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bricelj, V.M., Connell, L., Konoki, K., Macquarrie, S.P., Scheuer, T., Catterall, W.A., et al. (2005). Мутация натриевых каналов, приводящая к устойчивости к сакситоксину у моллюсков, увеличивает риск PSP. Природа 434, 763–767. DOI: 10.1038 / nature03415

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кэрролл, С.Б., Гренье, Дж., И Уэтерби, С. (2005). От ДНК к разнообразию: молекулярная генетика и эволюция дизайна животных . Молден, Массачусетс: John Wiley & Sons.

Google Scholar

Кассирер, Э. (1910). Substance et Fonction , 2010 Edn. Париж: Nabu Press.

Google Scholar

Коэн, Э. (2012). От клеток к цивилизациям: принципы изменений, формирующих жизнь . Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета. DOI: 10.1515 / 9781400841653

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Колозимо, П.F., Hosemann, K. E., Balabhadra, S., Villarreal, G. Jr., Dickson, M., Grimwood, J., et al. (2005). Распространенная параллельная эволюция колюшек путем многократной фиксации аллелей эктодисплазина. Наука 307, 1928–1933. DOI: 10.1126 / science.1107239

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Докинз Р. (1982). Расширенный фенотип: долгая досягаемость гена . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета.

Google Scholar

Динс, А.Р., Льюис, С. Е., Хуала, Э., Анзалдо, С. С., Эшбернер, М., Балхофф, Дж. П. и др. (2015). Пробираясь сквозь фенотипы. PLoS Biol. 13: e1002033. DOI: 10.1371 / journal.pbio.1002033

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Данбар, Х. Э., Уилсон, А. К. С., Фергюсон, Н. Р., Моран, Н. А. (2007). Термостойкость тли определяется точечной мутацией у бактериальных симбионтов. PLoS Biol. 5: e96. DOI: 10.1371 / journal.pbio.0050096

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Энгельман, К.D., Baurley, J. W., Chiu, Y.-F., Joubert, B. R., Lewinger, J. P., Maenner, M. J., et al. (2009). Обнаружение взаимодействий между геном и окружающей средой в данных ассоциации по всему геному. Genet. Эпидемиол. 33 (Дополнение 1), S68 – S73. DOI: 10.1002 / gepi.20475

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фельдман, К. Р., Броди, Э. Д. мл., Броди, Э. Д. III, и Пфрендер, М. Э. (2012). Ограничение формирует схождение тетродотоксин-устойчивых натриевых каналов змей. Proc.Natl. Акад. Sci. США 109, 4556–4561. DOI: 10.1073 / pnas.1113468109

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Франкель, Н., Эрезилмаз, Д. Ф., МакГрегор, А. П., Ван, С., Пайр, Ф., и Стерн, Д. Л. (2011). Морфологическая эволюция, вызванная множеством малозаметных замен в регуляторной ДНК. Природа 474, 598–603. DOI: 10.1038 / nature10200

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Геффени, С.Л., Фудзимото, Э., Броди, Э. Д. III, Броди, Э. Д. мл., И Рубен, П. К. (2005). Эволюционная диверсификация ТТХ-резистентных натриевых каналов во взаимодействии хищник-жертва. Природа 434, 759–763. DOI: 10.1038 / nature03444

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Герштейн, М. Б., Брюс, К., Розовский, Дж. С., Чжэн, Д., Ду, Дж., Корбель, Дж. О. и др. (2007). Что такое ген пост-ENCODE? История и обновленное определение. Genome Res. 17, 669–681.DOI: 10.1101 / gr.6339607

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гилберт, С. Ф. (2000). «Классические гены и гены развития: различные применения генов в эволюционном синтезе», в «Концепция гена в развитии и эволюции », ред. П. Бертон, Р. Фальк и Х.-Дж. Райнбергер (Кембридж, Нью-Йорк: издательство Кембриджского университета).

Гилберт, С. Ф., и Эпель, Д. (2009). Экологическая биология развития: интеграция эпигенетики, медицины и эволюции .Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates.

Google Scholar

Гьювсланд, А. Б., Вик, Дж. О., Борода, Д. А., Хантер, П. Дж., И Омхольт, С. В. (2013). Преодоление разрыва между генотипом и фенотипом: что для этого нужно? J. Physiol. 591, 2055–2066. DOI: 10.1113 / jphysiol.2012.248864

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гриффитс П. и Стотц К. (2013). Генетика и философия: введение . Кембридж: Издательство Кембриджского университета.DOI: 10.1017 / CBO9780511744082

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гуджас Б., Алонсо-Бланко К. и Хардтке К. С. (2012). Природные аллели потери функции Arabidopsis brx придают корням адаптацию к кислой почве. Curr. Биол. 22, 1962–1968. DOI: 10.1016 / j.cub.2012.08.026

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Холлохер, Х., Хэтчер, Дж. Л. и Дайресон, Э. Г. (2000). Генетический анализ и анализ развития различий пигментации брюшной полости у разных видов в подгруппе Drosophila dunni . Evol. Int. J. Org. Evol. 54, 2057–2071. DOI: 10.1111 / j.0014-3820.2000.tb01249.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хонг Р. Л., Витте Х. и Соммер Р. Дж. (2008). Природные вариации в привлечении феромонов насекомых Pristionchus pacificus связаны с протеинкиназой EGL-4. Proc. Natl. Акад. Sci. США 105, 7779–7784. DOI: 10.1073 / pnas.0708406105

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джонс, Ф.C., Grabherr, M.G., Chan, Y.F, Russell, P., Mauceli, E., Johnson, J., et al. (2012). Геномные основы адаптивной эволюции трехиглой колюшки. Природа 484, 55–61. DOI: 10.1038 / nature10944

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Камберов Ю.Г., Ван С., Тан Дж., Жербо П., Варк А., Тан Л. и др. (2013). Моделирование недавней эволюции человека на мышах путем экспрессии выбранного варианта EDAR. Ячейка 152, 691–702. DOI: 10.1016 / j.cell.2013.01.016

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Камменга, Дж. Э., Дорощук, А., Риксен, Дж. А. Г., Хазендонк, Э., Спиридон, Л., Петреску, А.-Дж., и др. (2007). Caenorhabditis elegans дикого типа не подчиняется правилу температуры и размера из-за однонуклеотидного полиморфизма в tra-3. PLoS Genet 3: e34. DOI: 10.1371 / journal.pgen.0030034

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Келлер, Э.Ф. (2010). Мираж пространства между природой и заботой . Дарем, Северная Каролина: издательство Duke University Press. DOI: 10.1215 / 9780822392811

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Киршнер М. и Герхарт Дж. (1998). Эволюционируемость. Proc. Natl. Акад. Sci. США 95, 8420–8427. DOI: 10.1073 / pnas.95.15.8420

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кислухин, Г., Кинг, Э. Г., Уолтерс, К. Н., Макдональд, С. Дж., И Лонг, А. Д. (2013). Генетическая архитектура токсичности метотрексата сходна у Drosophila melanogaster и человека.3, 1301–1310. DOI: 10.1534 / g3.113.006619

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ландри, К. Р., Рифкин, С. А. (2012). Карты генотипа-фенотипа системной биологии и количественной генетики: отдельные и дополняющие друг друга. Adv. Exp. Med. Биол. 751, 371–398. DOI: 10.1007 / 978-1-4614-3567-9_17

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ланглейд, Н. Б., Фенг, X., Дрансфилд, Т., Копси, Л., Ханна, А. И., Thébaud, C., et al. (2005). Эволюция через генетически контролируемое пространство аллометрии. Proc. Natl. Акад. Sci. США 102, 10221–10226. DOI: 10.1073 / pnas.0504210102

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Левонтин Р. (1974a). Генетическая основа эволюционных изменений (Колумбийская биологическая серия) . Колумбия: Издательство Колумбийского университета.

Google Scholar

Левонтин Р. К. (1974b). Дисперсионный анализ и анализ причин. Am. J. Hum. Genet. 26, 400–411.

Google Scholar

Линнен, К. Р., По, Й.-П., Петерсон, Б. К., Барретт, Р. Д. Х., Ларсон, Дж. Г., Дженсен, Дж. Д. и др. (2013). Адаптивная эволюция множества признаков посредством множественных мутаций одного гена. Наука 339, 1312–1316. DOI: 10.1126 / science.1233213

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Луонг, Х. Т. Т., Чаплин, Дж., МакРэй, А. Ф., Медланд, С. Э., Виллемсен, Г., Nyholt, D. R., et al. (2011). Вариация BMPR1B, TGFRB1 и BMPR2 и контроль дизиготного двойникования. Twin Res. Гм. Genet. Выключенный. J. Int. Soc. Twin Stud. 14, 408–416. DOI: 10.1375 / twin.14.5.408

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Линч М. и Уолш Б. (1998). Генетика и анализ количественных признаков . Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates.

Google Scholar

MacCallum, D. M., Coste, A., Ischer, F., Якобсен, М. Д., Оддс, Ф. К., и Санглард, Д. (2010). Генетическое вскрытие механизмов устойчивости к азолам у Candida albicans и их проверка на мышиной модели диссеминированной инфекции. Антимикробный. Агенты Chemother. 54, 1476–1483. DOI: 10.1128 / AAC.01645–1649

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Манске М., Миотто О., Кампино С., Оберн С., Альмагро-Гарсия Дж., Маслен Г. и др. (2012). Анализ разнообразия Plasmodium falciparum при естественных инфекциях путем глубокого секвенирования. Природа 487, 375–379. DOI: 10.1038 / природа11174

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мартин А., Оргогозо В. (2013b). Локусы повторной эволюции: каталог генетических горячих точек фенотипической изменчивости. Evol. Int. J. Orgn. Evol. 67, 1235–1250. DOI: 10.1111 / evo.12081

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

МакГэри, К. Л., Парк, Т. Дж., Вудс, Дж. О., Ча, Х. Дж., Уоллингфорд, Дж.Б., и Маркотт, Э. М. (2010). Систематическое открытие неочевидных моделей болезней человека через ортологичные фенотипы. Proc. Natl. Акад. Sci. США 107, 6544–6549. DOI: 10.1073 / pnas.0

0107

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мери, Ф., Белей, А. Т., Со, А. К.-К., Соколовски, М. Б., и Кавецки, Т. Дж. (2007). Естественный полиморфизм, влияющий на обучение и память у Drosophila . Proc. Natl. Акад. Sci. США 104, 13051–13055.DOI: 10.1073 / pnas.0702923104

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Натараджан К., Иногучи Н., Вебер Р. Э., Фаго А., Морияма Х. и Сторц Дж. Ф. (2013). Эпистаз среди адаптивных мутаций гемоглобина оленьих мышей. Наука 340, 1324–1327. DOI: 10.1126 / science.1236862

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ноубл, Д. (2006). Музыка жизни: биология за пределами генома . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета.

Google Scholar

Осборн К. А., Робишон А., Берджесс Э., Батланд С., Шоу Р. А., Култхард А. и др. (1997). Полиморфизм естественного поведения за счет цГМФ-зависимой протеинкиназы Drosophila . Наука 277, 834–836. DOI: 10.1126 / science.277.5327.834

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ояма, С. (2000). Онтогенез информации: системы развития и эволюция , 2-е изд.Кембридж, Нью-Йорк: издательство Duke University Press. DOI: 10.1215 / 9780822380665

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Патерсон, А. Х., Лин, Ю. Р., Ли, З., Шерц, К. Ф., Добли, Дж. Ф., Пинсон, С. Р. и др. (1995). Конвергентное одомашнивание зерновых культур путем независимых мутаций в соответствующих генетических локусах. Наука 269, 1714–1718. DOI: 10.1126 / science.269.5231.1714

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Перуц, М. Ф. (1983).Адаптация видов в белковой молекуле. Мол. Биол. Evol. 1, 1–28.

Google Scholar

Pokorná, M., and Kratochvíl, L. (2009). Филогения механизмов определения пола у чешуйчатых рептилий: являются ли половые хромосомы эволюционной ловушкой? Zool. J. Linn. Soc. 156, 168–183. DOI: 10.1111 / j.1096-3642.2008.00481.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рокман М.В. (2012). Программа QTN и аллели, имеющие значение для эволюции: все это золото не блестит. Evol. Int. J. Orgn. Evol. 66, 1–17. DOI: 10.1111 / j.1558-5646.2011.01486.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Роджерс, В. А., Саломон, Дж. Р., Тейси, Д. Дж., Камино, Э. М., Дэвис, К. А., Ребеиз, М. и др. (2013). В основе разнообразия пигментации плодовой мушки лежит рекуррентная модификация консервативного цис-регуляторного элемента. PLoS Genet 9: e1003740. DOI: 10.1371 / journal.pgen.1003740

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ромеро-Эррера, А.Э., Леманн, Х., Джойси, К. А., и Фрайдей, А. Е. (1978). Об эволюции миоглобина. Philos. Пер. R. Soc. Лондон. B. Biol. Sci. 283, 61–163. DOI: 10.1098 / rstb.1978.0018

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Саркар, С. (1999). От нормы реакции к адаптивной норме: норма реакции, 1909–1960 гг. Biol. Филос. 14, 235–252. DOI: 10.1023 / A: 10066648

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шварц, С.(2000). «Дифференциальная концепция гена: прошлое и настоящее», в The Concept of the Gene in Development and Evolution, eds PJ Beurton, R. Falk, and HJ Rheinberger (Кембридж, Нью-Йорк: Cambridge University Press), 26–39. . DOI: 10.1017 / CBO9780511527296.004

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ширанги, Т. Р., Дюфур, Х. Д., Уильямс, Т. М., и Кэрролл, С. Б. (2009). Быстрая эволюция экспрессии фермента, продуцирующего половые феромоны, у Drosophila . PLoS Biol. 7: e1000168. DOI: 10.1371 / journal.pbio.1000168

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Симондон, Г. (1968). L’individuation à la Lumière des Notions de Forme et d’Information , 2005th Edn. Гренобль: Миллон.

Google Scholar

Штайнер, К. К., Вебер, Дж. Н. и Хекстра, Х. Э. (2007). Адаптивная изменчивость пляжных мышей обусловлена ​​двумя взаимодействующими генами пигментации. PLoS Biol. 5: e219.DOI: 10.1371 / journal.pbio.0050219

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стерн, Д. Л. (2000). Эволюционная биология развития и проблема вариации. Evol. Int. J. Orgn. Evol. 54, 1079–1091. DOI: 10.1111 / j.0014-3820.2000.tb00544.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стотц, К. (2012). Убийство в экспрессе развития: кто убил природу / воспитание? Биол . Philos. 27, 919–929.DOI: 10.1007 / s10539-012-9343-1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стертевант, А. Х. (1932). Использование мозаики в изучении влияния генов на развитие. Proc. Шестой Int. Congr. Genet. Итака Н. Ю. 1, 304–307.

Суппл М., Папа Р., Контрман Б. и Макмиллан У. О. (2014). Геномика адаптивного излучения: понимание континуума видообразования геликониусов. Adv. Exp. Med. Биол . 781, 249–271. DOI: 10.1007 / 978-94-007-7347-9_13

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тауц, Д., и Шмид, К. Дж. (1998). От генов к людям: гены развития и формирование фенотипа. Philos. Пер. R. Soc. Лондон. B. Biol. Sci. 353, 231–240. DOI: 10.1098 / rstb.1998.0205

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Венкатеш, Б., Лу, С.К., Дандона, Н., Си, С.Л., Бреннер, С., и Сунг, Т.В. (2005). Генетические основы устойчивости к тетродотоксинам у иглобрюхов. Curr. Биол. 15, 2069–2072. DOI: 10.1016 / j.cub.2005.10.068

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Уоддингтон, К. Х. (1957). Стратегия генов, 2014 Edn Reprint. Лондон: Рутледж.

Google Scholar

Вагнер, Г. П. (1996). Гомологи, естественные виды и эволюция модульности. Am. Zool. 36, 36–43. DOI: 10.1093 / icb / 36.1.36

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вагнер, Г. П. (2000). Концепция персонажа в эволюционной биологии .Сан-Диего, Калифорния: Academic Press.

Google Scholar

Вагнер Г. П. (2014). Гомология, гены и эволюционные инновации . Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета. DOI: 10.1515 / 9781400851461

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wang, J., Wurm, Y., Nipitwattanaphon, M., Riba-Grognuz, O., Huang, Y.-C., Shoemaker, D., et al. (2013). Y-образная социальная хромосома вызывает альтернативную организацию колоний у огненных муравьев. Природа 493, 664–668.DOI: 10.1038 / природа11832

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Уотерс, К. К. (2007). Причины, которые имеют значение. J. Philos. 104, 551–579.

Google Scholar

Велтер Д., Макартур Дж., Моралес Дж., Бердетт Т., Холл П., Джанкинс Х. и др. (2014). Каталог NHGRI GWAS, кураторский ресурс ассоциаций SNP-признаков. Nucleic Acids Res. 42, D1001 – D1006. DOI: 10.1093 / nar / gkt1229

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вест-Эберхард, М.Дж. (2003). Пластичность и эволюция развития . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета.

Google Scholar

Уилкинс, А. (2014). «Набор генетических инструментов»: история жизни важной метафоры », в Advances in Evolutionary Developmental Biology , ed. Дж. Тодд Стрилман (Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons), 1–14.

Google Scholar

Уилкинс, А. С. (2002). Эволюция путей развития . Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates.

Google Scholar

Xu, X., Dong, G.-X., Hu, X.-S., Miao, L., Zhang, X.-L., Zhang, D.-L., et al. (2013). Генетическая основа белых тигров. Curr. Биол. 23, 1031–1035. DOI: 10.1016 / j.cub.2013.04.054

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Различие генотипов и фенотипов — обзор

Введение

Методы идентификации можно разделить на две группы: фенотипические и генотипические. В генетике проводится различие между генотипом и фенотипом.«Генотип» — это полная наследственная информация организма, даже если она не выражена. «Фенотип» — это реально наблюдаемые свойства организма, такие как морфология, развитие или поведение (Sutton and Cundell, 2004).

Фенотипические методы являются наиболее распространенными из-за их относительно низкой стоимости для многих лабораторий. Однако следует признать, что проявления микробного фенотипа, то есть размер и форма клеток, споруляция, клеточный состав, антигенность, биохимическая активность, чувствительность к антимикробным агентам и т. Д., Часто зависят от среды и условий роста, которые был использован.

Эти условия будут включать такие переменные, как температура, pH, окислительно-восстановительный потенциал и осмоляльность, и, возможно, менее известные переменные, такие как истощение питательных веществ, доступность витаминов и минералов, цикл роста, активность воды в твердых средах, статическая или вращающаяся жидкая культура и культура в твердой и жидкой средах, а также плотность колоний на планшете. Следовательно, требуется некоторая осторожность при интерпретации результатов тестов микробиологической идентификации и анализа тенденций в данных.

Еще одним ограничением фенотипических методов является размер и тип базы данных фенетической классификации.При таком типе базы данных многие базы данных ориентированы на клинические приложения и не обязательно хорошо подходят для промышленных приложений. С точки зрения размера базы данных ограничены из-за относительно небольшого количества охарактеризованных микроорганизмов (Stager and Davis, 1992).

Классическая схема идентификации бактерий биохимическими методами зависит от того, может ли чистая культура интересующего микроорганизма расти в чашке с агаром, скошенной поверхности агара, бульоне, бумажной полоске или другом вспомогательном материале, содержащем специальные стимуляторы роста или ингибиторы в присутствии ферментируемого или разлагаемого соединения, что приводит к изменению цвета среды, выделению газа, появлению флуоресцентного соединения и другим проявлениям метаболической активности.Если поведение известных культур в этих средах известно, неизвестная культура может быть сопоставлена ​​с этими характеристиками, и на основе наиболее близкого совпадения с базой данных аналитик может идентифицировать неизвестную культуру. Этот процесс утомительный, трудоемкий и требует много труда, материалов, времени и энергии для выполнения тестов. Кроме того, умение аналитика интерпретировать реакции и приходить к верному суждению делает этот процесс субъективным и часто ненадежным (Kalamaki et al., 1997).

Генотипические методы не зависят от среды выделения или характеристик роста микроорганизма. Генотипические методы позволили значительно расширить базы данных о различных типах микроорганизмов. До появления генотипических методов микробиологи предполагали, что существует ряд таксонов, которые невозможно культивировать (так называемые жизнеспособные, но не культивируемые штаммы). Генотипические методы открыли целый новый набор видов и подвидов, а также переклассифицировали виды и родственные виды (таким образом, таксоны, которые часто группируются одинаково фенотипическими методами, на самом деле являются полифилетическими группами, то есть они содержат организмы с разной историей эволюции, которые являются гомологически непохожими организмами, сгруппированными вместе).

Еще одним преимуществом генотипических методов является их точность и более быстрое получение результата (поскольку микроорганизмы не нужно выращивать на питательных средах). Однако они относительно дороги.

Чтобы провести полную идентификацию, можно провести множество тестов, как показано в таблице 1.

Таблица 1. Информация, необходимая для идентификации патогенов пищевого происхождения (Fung, 1995).

Последовательности РНК и фингерпринтинг

Фенотипические характеристики

Макроскопическая морфология на чашках с агаром

Морфология при микроскопическом увеличении

Реакция по Граму (положительная, отрицательная или биохимическая 2 2 окрашивающая активность) профильные и специальные ферментные системы

Производство пигментов, биолюминесценция, хемилюминесценция и производство флуоресцентных соединений

Требования к питательным факторам и факторам роста

Требования к температуре и pH и толерантность

Продукты ферментации и метаболиты производство

Профиль чувствительности к антибиотикам (антибиотикограмма)

Требования к газу и толерантность

Клеточная стенка, клеточная мембрана и клеточные компоненты

Константа скорости роста и время образования

Подвижность и образование спор

Устойчивость к органическим красителям и специальным соединениям

Характеристики импеданса, проводимости и емкости

Генотипические характеристики 109

Внеклеточные и внутриклеточные продукты

Информация, относящаяся к микроорганизму

Патогенность для животных и человека

Серология и способность 0 к выживанию нишевое типирование

Реакция на электромагнитные поля, свет, звук и излучение

Генотипы | Национальное географическое общество

В определенном смысле термин «генотип» — как и термин «геном» — относится ко всему набору генов в клетках организма.Однако в более узком смысле он может относиться к различным аллелям или вариантным формам гена для определенных черт или характеристик. Генотип организма контрастирует с его фенотипом, который представляет собой наблюдаемые характеристики человека, возникающие в результате взаимодействия между генотипом и окружающей средой.

Между генотипом и фенотипом существует сложная связь. Поскольку фенотип является результатом взаимодействия между генами и окружающей средой, различная среда может приводить к различным чертам у людей с определенным генотипом.

Кроме того, разные генотипы могут приводить к одному и тому же фенотипу. Это происходит потому, что гены имеют разные аллели. Для некоторых генов и признаков одни аллели являются доминантными, а другие — рецессивными. Доминантный признак — это признак, который проявляется у человека, даже если у человека есть только один аллель «> аллель, который вызывает этот признак.

Некоторые аспекты цвета глаз работают таким образом. Например, карие глаза преобладают над голубыми. Это связано с тем, что пигмент под названием меланин дает коричневый цвет, а отсутствие пигмента приводит к голубым глазам.Достаточно одного аллеля темного пигмента, чтобы глаза стали карими. На самом деле существует несколько различных пигментов, влияющих на цвет глаз, каждый из которых является результатом определенного гена. Это причина, по которой у людей могут быть зеленые глаза, карие глаза или любой другой цвет глаз, кроме голубого или коричневого.

При обсуждении генотипа биологи используют прописные буквы для обозначения доминантных аллелей и строчные буквы для обозначения рецессивных аллелей. Например, в отношении цвета глаз «B» означает коричневый аллель, а «b» — синий аллель.Считается, что организм с двумя доминантными аллелями признака имеет гомозиготный доминантный генотип. На примере цвета глаз этот генотип обозначается BB. Считается, что организм с одним доминантным аллелем и одним рецессивным аллелем имеет гетерозиготный генотип. В нашем примере это генотип Bb. Наконец, генотип организма с двумя рецессивными аллелями называется гомозиготным рецессивным. В примере с цветом глаз этот генотип записывается как bb.

Из этих трех генотипов только bb, гомозиготный рецессивный генотип, будет давать фенотип голубых глаз.Гетерозиготный генотип и гомозиготный доминантный генотип будут давать карие глаза, хотя только гетерозиготный генотип может передавать ген голубых глаз.

Гомозиготный доминантный, гомозиготный рецессивный и гетерозиготный генотипы учитывают только некоторые гены и некоторые признаки. Большинство признаков на самом деле более сложные, потому что многие гены имеют более двух аллелей, и многие аллели взаимодействуют сложным образом.

Какая связь между генотипом и фенотипом? Исследование описывает новый статистический метод определения активных и неактивных генов из транскриптомов

Каждая клетка вашего тела содержит генетическую информацию для развития множества его частей.Из одного и того же генетического кода в каждой клетке развитие дает начало всем разнообразным тканям и органам, из которых состоит наше тело.

Биологи давно пытались понять взаимосвязь между генотипом (лежащим в основе генетическим кодом) и фенотипом (результирующей структурой организма).

«Каким образом клетки многоклеточного организма — каждая с идентичным геномом — дают начало тканям и органам удивительного структурного и функционального разнообразия?» — спросила группа исследователей Калифорнийского университета в Дэвисе в исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences.

В состав исследовательской группы входили постдокторант Аммон Томпсон, профессор эволюции и экологии Артем Копп, доцент кафедры эволюции и экологии Брайан Мур и аспирант группы популяционной биологии Майкл Мэй.

Центральным элементом для ответа на эти фундаментальные вопросы является транскриптом : — подмножество генов, которые экспрессируются в данной ткани.

Геномы животных и растений содержат десятки тысяч генов, и значительная часть этих генов активно экспрессируется в каждой ткани.Изучение связи генотип-фенотип требует, чтобы биологи могли достоверно идентифицировать, какие гены активно экспрессируются в какой ткани. Эта, казалось бы, простая задача на самом деле заведомо сложна как из-за молекулярной механики транскрипции, так и из-за капризов методов, используемых для сбора транскриптомных данных.

Как и все биологические процессы, транскрипция генов зашумлена; некоторые гены, которые не функционируют в данной ткани, тем не менее транскрибируются на низких уровнях (поэтому обнаружение транскриптов данного гена в данной ткани не обязательно указывает на то, что он там активен).Технический процесс сбора транскриптомных данных вносит дополнительный шум, из-за которого исследователи могут упустить некоторые функциональные гены (поэтому обнаружение нулевых транскриптов данного гена в данной ткани не обязательно означает, что он там неактивен).

По словам Томпсона и его коллег, эти источники шума не позволяют ученым задавать кажущиеся простыми, хотя и явно важные, биологические вопросы, такие как «Какие гены активны в конкретном органе, таком как мозг? Экспрессируются ли какие-либо из этих генов исключительно в этом органе? Активировались ли какие-либо из этих генов в последнее время в процессе эволюции человека? И насколько распространены такие изменения в состоянии экспрессии генов (активация / деактивация)? »

Чтобы ответить на эти вопросы, ученые должны надежно отделить сигнал активной экспрессии от различных источников шума в транскриптомных данных.

Команда Калифорнийского университета в Дэвисе разработала статистический метод, который, благодаря предоставлению математического описания соответствующих биологических и технических процессов, связанных с транскриптомными данными, позволяет исследователям определять состояние экспрессии генов. В частности, они разработали иерархическую байесовскую модель, которая использует паттерны вариаций в экспрессии генов как среди генов, так и между реплицированными образцами транскриптомов, чтобы выделить сигнатуру активной экспрессии в наборах данных секвенирования РНК.

«Наш метод обеспечивает управляемый данными подход для определения границы между активной транскрипцией и фоновым шумом», — заявили исследователи. «Он использует все преимущества экспериментальной репликации и устраняет необходимость в специальных процедурах ».

Исследователи реализовали свой статистический метод в компьютерной программе ZigZag, которая стала важным новым инструментом для биологов.

Зигзаг к успеху

Команда проверила эффективность и точность своего метода, используя множество экспериментов.Во-первых, команда провела «эмпирический эталонный» анализ тканей легких человека, в котором состояние экспрессии каждого гена было ранее определено независимыми способами (на основе химических маркеров, окружающих хромосомные местоположения генов). Затем они использовали зигзаг, чтобы сделать вывод о состояниях экспрессии каждого гена из транскриптомов легких человека, которые правильно сделали вывод о (известном) состоянии экспрессии более чем 90% этих генов.

Чтобы продемонстрировать потенциал своего метода, команда использовала ZigZag для сравнения транскриптомов мозга человека, шимпанзе и макака.Команда сделала вывод о состояниях экспрессии генов в шести различных областях мозга — миндалевидном теле, вентральной лобной коре, дорсальной лобной коре, верхней височной коре, полосатом теле и зрительной коре области 1 — чтобы идентифицировать набор генов, которые являются уникально активными (или неактивными). в человеческом мозгу.

В шести областях мозга исследователи обнаружили «от 9 до 20 генов, которые были однозначно активны у людей, и от 16 до 23 генов, которые были однозначно неактивными у людей, причем наибольшее количество уникальных состояний экспрессии находилось в полосатом теле.«Поскольку полосатое тело участвует в координации множества аспектов познания, команда отметила, что открытие« генов, которые уникально активны в человеческом мозге, представляют собой факторы, которые могут быть задействованы в когнитивной эволюции человека ».

Комментируя важность нового метода, исследователи заявили, что он «предоставит мощное средство для классификации состояния экспрессии генов в любом образце, в то же время количественно оценивая неопределенность этой классификации».

Команда заявила, что они «оптимистично настроены по поводу того, что, предоставляя надежные и мощные средства для определения состояния экспрессии генов, наш метод значительно расширит возможности биологов по сравнению транскриптомов различных видов и тканей и, таким образом, улучшит наше понимание транскриптома. эволюции и в конечном итоге выявить взаимосвязь между генотипом и фенотипом.”

Будьте в курсе! Подпишитесь на нашу ежемесячную рассылку новостей по электронной почте

Генотип против фенотипа — разница и сравнение

Генотип организма — это генетический код в его клетках. Эта генетическая конституция человека влияет — но не является единственной причиной — многих его черт. Фенотип — это видимый или выраженный признак, например цвет волос. Фенотип зависит от генотипа, но также может зависеть от факторов окружающей среды.

Таблица сравнения

Сравнительная таблица генотипов и фенотипов

	Генотип	Фенотип
Определение	Генетический состав человека. Относится к информации, содержащейся в двух аллелях в ячейке.	Обнаруживаемая экспрессия генотипа. Выраженная и наблюдаемая черта.например цвет волос.
Примеры	ДНК, предрасположенность к заболеваниям	Цвет волос, цвет глаз, вес, способность вертеть языком
Зависит от	Наследственная информация, переданная человеку его родителями.	Генотип и влияние окружающей среды.
Наследование	Частично наследуется потомством, так как один из двух аллелей передается во время воспроизводства.	Нельзя унаследовать.
Содержит	Всю наследственную информацию человека, даже если эти гены не экспрессируются.	Только экспрессированные гены.
Может быть определено с помощью	Генотипирование — с использованием биологического анализа, такого как ПЦР, чтобы узнать, какие гены находятся в аллеле. (Внутри корпуса)	Наблюдение за человеком.(Вне кузова)

Примеры подавления генов у трансгенных растений, таких как петуния.

Значение

Генотип относится к генетическому составу клетки. Для каждого отдельного признака (например, цвета волос или глаз) ячейка содержит инструкции по двум аллелям, которые являются альтернативными формами гена, полученного от матери и отца. Генотип человека относится к комбинации этих двух аллелей и может быть либо гомозиготным (аллели одинаковы), либо гетерозиготным (аллели разные).

Фенотип — это признак, который можно наблюдать, например морфология или поведение.

Видео с объяснением различий

В этом видео сравнивается генотип и фенотип, а также объясняется, как изменения в генотипе человека могут повлиять на его фенотип.

Как определяется генотип и фенотип?

Генотип можно определить посредством генотипирования — использования биологического анализа, чтобы выяснить, какие гены присутствуют в каждом аллеле.

Фенотип можно определить, наблюдая за особью.

Как определить соотношение генотипов и фенотипов

В этом видео объясняется, как определить генотипические и фенотипические соотношения с помощью квадрата Пеннета:

Какую информацию содержат генотип и фенотип?

Генотип человека включает полную наследственную информацию, даже если она не выражена. Эта информация определяется генами, переданными родителями при зачатии.

Фенотип человека включает только экспрессированные гены. Например, если у человека есть один аллель «каштановые волосы» и один аллель «светлых волос», и у него каштановые волосы, их фенотип включает только выраженный ген: каштановые волосы. Фенотип человека может меняться в течение жизни, в зависимости от того, какие гены экспрессируются и как на них влияет окружающая среда. Например, маленький ребенок со светлыми волосами может вырасти брюнеткой.

Наследование генотипа и фенотипа

Причинный путь наследования означает, что геномы передаются из поколения в поколение, не подвергаясь влиянию или изменению со стороны окружающей среды.Организм, размножающийся половым путем, при зачатии получает два аллеля, составляющих их генотип. При воспроизведении они передают своему потомству идентичную копию одного из этих аллелей.

Однако, поскольку фенотипы подвержены влиянию факторов окружающей среды, они не могут быть унаследованы напрямую. Они обнаруживаются в следующем поколении только в том случае, если правильная комбинация генотипа и факторов окружающей среды повторяется снова, и так же, как много разных генотипов могут давать один и тот же фенотип, многие разные фенотипы могут возникать из одного генотипа.