Фенотип организма это: Фенотип — все статьи и новости

Содержание

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

понятие, примеры, признаки и связь с генотипом

Время чтения 3 мин.Просмотры 3.4k.Обновлено

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 доминированияЧертаАллелиГенотипФенотип
Полное доминированиеЦвет R-красный, r-белый Rr красный цвет
Неполное доминированиеЦвет R-красный, r-белый Rr розовый цвет
КодоминированиеЦвет 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.

Гугломаг

Спрашивай! Не стесняйся!

Задать вопрос

Мне нравитсяНе нравится

Не все нашли? Используйте поиск по сайту

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 – кратко об отличии и связи

  • KtoNaNovenkogo
  • ЧаВо
  • Вы здесь

23 февраля 2020

  1. Генотип — это…
  2. Генотип и фенотип
  3. Генотип, геном и генофонд

Здравствуйте, уважаемые читатели блога KtoNaNovenkogo.ru. Генетика является молодой наукой, но она произвела революции в нашем понимании эволюционных процессов.

Одним из основных понятий является генотип, фенотип, геном и генофонд. Все эти понятия взаимосвязаны, поэтому сегодня мы поговорим об этом в комплексе.

Однако акцент будет сделан именно на генотипе — что это такое и как соотносится с другими основополагающими постулатами генетики. Будет интересно, не переключайтесь…

Что это такое

Выделить конкретную особь из массы других можно, рассказав кратко о генотипе и фенотипе.

Генотип – это набор генов, присущий определённому организму. Гены передаются по наследству от родителей и влияют друг на друга, формируя индивидуальный генотип.

Рис. 1. Генотип.

Фенотип – совокупность внешних и внутренних признаков, свойств, черт организма, приобретённых в процессе онтогенеза (индивидуального развития).

Фенотип базируется на генотипе.

Рис. 2. Фенотип.

Примеры внешних признаков фенотипа:

ТОП-4 статьикоторые читают вместе с этой

  • 1. Модификационная изменчивость
  • 2. Модификационная изменчивость
  • 3. Виды мутаций
  • 4. Методы генетики человека
  • окраска;
  • структура волос или шерсти;
  • цвет и разрез глаз;
  • размер и форма уха;
  • форма носа.

Внутренние признаки фенотипа:

  • анатомические – строение и расположение внутренних органов и тканей;
  • физиологические – строение и работа клеток;
  • биохимические – структура белка, воздействие ферментов, состав гормонов.

Между фенотипом и генотипом прослеживается прочная связь. Генотип определяет фенотип. Однако большое влияние на фенотип оказывает окружающая среда. В определённых условиях разные генотипы могут создавать схожие фенотипы, и наоборот, одинаковые генотипы – разные фенотипы под действием разных условий окружающей среды.


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 доминированияЧертаАллелиГенотипФенотип
Полное доминированиеЦветR-красный, r-белыйRrкрасный цвет
Неполное доминированиеЦветR-красный, r-белыйRrрозовый цвет
КодоминированиеЦветR-красный, r-белыйRrкрасно-белый цвет

Изменчивость

Для каждой особи характерен индивидуальный генотип и фенотип. Не всегда гены определяют внешнее и внутреннее строение тела. Например, гены определяют склонность к ожирению, но под действием окружающей среды (здоровое питание, спорт) ожирение не является признаком фенотипа. Другой пример: в процессе жизни человек сломал и изменил форму носа. По генотипу человек имеет прямой нос, по фенотипу – с горбинкой.

Изменчивость по фенотипу в процессе жизни называется модификационной или фенотипической. Она приобретается в течение жизни, но не передаётся по наследству.

Генетическая изменчивость бывает двух видов:

  • комбинативная – образование новых совокупностей генов в процессе мейоза;
  • мутационная – скачкообразные изменения генов, передающиеся по наследству.

Рис. 3. Генетическая изменчивость.

Мутации, как и фенотипические изменения, накапливаются в течение жизни, но не всегда отражаются на фенотипе. Однако могут влиять на генотип следующих поколений.

Генотип человека

Генотипом называют все наследственные характеристики человека, то есть совокупность генов, расположенных в хромосомах. Генотип формируется в зависимости от задатков и адаптационных механизмов особи. Ведь каждый живой организм находится в определенных условиях. Животные, птицы, рыбы, простейшие и другие виды живых организмов приспосабливаются к тем условиям, где они обитают. Так и человек, живя в южной части Земного шара, может легко переносить высокую температуру воздуха или слишком низкую посредством цвета кожи. Такие адаптационные механизмы срабатывают не только относительно географического расположения субъекта, но и других условий, одним словом это и называют генотипом.

ФЕНОТИП ОРГАНИЗМА. РОЛЬ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ И СРЕДЫ В ФОРМИРОВАНИИ ФЕНОТИПА

Любой организм характеризуется наличием генотипа и фенотипа (см. п. 1.3), что связано с двумя обстоятельствами, необходимыми для земной белково-нуклеиновой жизни. Во-первых, существование живых форм возможно лишь в их взаимодействии со средой обитания – источником энергии и «строительных» (пластических) материалов. Во-вторых, эволюционно отобранная видоспецифичная биологически целесообразная, т.е. гарантирующая выживание и размножение, информация передается в ряду поколений. Это происходит в мире жизни обязательно, так как смена поколений – необходимое условие эволюции. Задача организации отношений со средой жизни в каждом поколении решается благодаря наличию фенотипа. Задача наработки новой, сохранения и передачи в ряду поколений видоспецифичной биологической (генетической) информации решается благодаря наличию генотипа. Напомним, что генотип

эукариотического организма – это совокупность всех генов или, что в функционально-генетическом плане более точно, аллелей структурных (экспрессируемых, кодирующих аминокислотные последовательности полипептидов) генов, а также сайтов (нуклеотид-ных последовательностей) ДНК с другими функциями в диплоидном наборе хромосом.
Фенотип
организма – совокупность признаков, свойств и качеств отдельно взятой особи конкретного биологического вида. Благодаря этим признакам, свойствам и качествам особь осуществляет необходимое для жизнедеятельности организмов данного вида взаимодействие со средой обитания.

В фенотипе биоинформация представлена в ее актуализированной, т. е. участвующей в процессах жизнеобеспечения непосредственно,

форме – прежде всего в виде ферментов, транспортных, структурных и других функциональных разновидностей белков. Биоинформация, представленная в генотипе, в обеспечении процессов жизнедеятельности прямо не участвует. Перевод биоинформации из «потенциальной» в «действующую» форму связан с формированием на основе определенного генотипа соответствующего этому генотипу фенотипа. Этот процесс осуществляется при активном участии и модифицирующем влиянии среды в ее широком понимании (см. п. 4.3.1.1).

Рассматривая соотносительную роль наследственности (генотип) и факторов среды (эпигенетических, внегенетических факторов) в оформлении фенотипа особи, следует исходить из сути такого генетического понятия, как норма реакции (см. п. 4.1.1), представлений о системном принципе организации и функционирования генома (см. п. 4.3.3.4) и генотипа (см. п. 4.3.1.1), что выражается в зависимости развития отдельных фенотипических признаков (см. п. 4.3.1) и фенотипа в целом не только от наличия соответствующих генов с присущими им свойствами (см. п. 4.3.1.1), но и от конкретных форм взаимодействия аллельных (см. п. 4.3.1.2) и неаллельных (см. п. 4.3.3.1) генов.

В отличие от классической (домолекулярной) генетики, современная генетика располагает сведениями о том, что многие сайты ДНК, не кодируя аминокислотные последовательности полипептидов, выполняют регуляторные, конценсусные, сервисные и другие функции (см. п. 4.3.3.2). Такие сайты участвуют в процессе формирования фенотипа, влияя на параметры транскрипции и трансляции структурных генов (см. пп. 2.4.5.5-а, 4.3.3.2), пост(после)транскрипционные (см. п. 2.4.5.5) и пост(после)трансляционные (см. п. 2.4.5.6) процессы. В генотипе особи присутствуют также гены, не определяющие развитие конкретных фе-нотипических признаков. В их функцию входит организация своеобразных «координатных сеток» или морфогенетических полей. Эти «сетки» или поля содержат позиционную информацию, благодаря чему клетки определяют свое положение в строящемся организме и, таким образом, осуществляют необходимую для оформления биологически зрелого или дефинитивного фенотипа траекторию развития (см. п. 4.3.3.2). Экзон/интронная организация (см. п. 2.4.5.5) и другие молекулярно-генетические особенности структуры генов эукариот, например наличие у гена нескольких промоторов, дают различный или несовпадающий по степени выраженности фенотипический результат мутаций в разных участках одного и того же гена (см. п. 5.2.2.3-в, пример с муковисцидо-зом), явления генокопирования и фенокопирования делают отношения между генотипом и фенотипом еще более сложными.

По мере накопления новых знаний, особенно в области функциональной геномики (см. пп. 1.1 и 2.4.3.4-д), при условии геномной паспортизации (см. предисловие, геномное тестирование или портретирование) населения представления о закономерностях оформления фенотипа организма на основе определенного генотипа будут приобретать все большую определенность. Учитывая интересы практического здравоохранения, развитие биомедицинской науки в названном направлении в высшей степени желательно. С одной стороны, это важно постольку, поскольку современная медицина располагает методами лечения и/или предотвращения (профилактики) развития нежелательного «проблемного» фенотипа при некоторых формах наследственной патологии. В указанных условиях возрастает значение точной диагностики генетического «дефекта». Так, наряду с классической фенилкетонури-ей I типа (см. п. 5.2.2.8, мутация гена с локализацией на длинном плече хромосомы 12, приводящая к функциональному дефициту фермента фенилаланин-4-гидроксилазы, участвующего в обмене соответствующей аминокислоты, поступающей в организм с пищей), известен ряд генотипических вариантов, дающих сходный патологический фенотип (явление генокопирования). Речь, в частности, идет о мутации гена с локализацией на коротком плече хромосомы 4, приводящей к дефициту фермента дигидроптеридинредуктазы – атипичная фенилкетонурия II типа. Известно, что ведение детей с неблагоприятным генотипом на безфенилаланиновой диете эффективно препятствует оформлению патологического фенотипа в случаях фенилкетонурии I типа, но практически не предотвращает развитие тяжелых неврологических нарушений (умственная отсталость, вплоть до идиотии) при фенилкетонурии II типа. С другой стороны, ускоренными темпами идет накопление знаний о генотипических основах мультифакториальных болезней, в развитии которых значительное место занимает наследственная предрасположенность (см. п. 5.2.2.8). И в этом секторе практической медицины эффективность лечебно-превентивных (профилактических) мероприятий зависит от точной информации о генетической конституции индивидуума (см. п. 5.2.2.3-в, г).

Важная роль в развитии фенотипа принадлежит факторам среды. Наряду с факторами генотипической среды (см. п. 4.3.1.1, среда 1-го порядка), о которых речь шла выше, свой вклад в оформление фенотипа вносят факторы внутренней среды (см. п. 4.3.1.1, среда 2-го порядка, в которой на период внутриутробного развития организма целесообразно выделять внутреннюю среду его самого –

и внутреннюю среду мате-

ринского организма, вынашивающего плод, – 2б)

и, наконец, факторы внешней среды (см. п. 4.3.1.1, среда 3-го порядка).

Можно заключить, что переход «потенциальной» биоинформации генотипа в «актуализированную» действующую биоинформацию фенотипа – сложный процесс. Это обстоятельство при отсутствии знаний о химической природе вещества наследственности, функционально-генетическом многообразии нуклеотидных последовательностей ДНК и тонкой структуре генов, о сути пост(после)транскрипционных и пост(после)трансляционных событий, о механизмах влияния на функциональную активность генов факторов среды 2а и 2б порядка (сигнальные молекулы в форме транскрипционных и ростовых факторов, гормонов, цитокинов и других биологически активных веществ-регуляторов, определяющих поведение клеток, а также узнающие эти молекулы клеточные рецепторы, молекулы-участницы внутриклеточных сигнальных путей) способствовало появлению в классической генетике, опиравшейся практически исключительно на результаты анализа закономерностей наследования признаков, таких важных, в том числе для практики МГК (см. п. 5.2.2.8), связывающих генотип и фенотип организма генетических понятий, как «пенетрантность», «экспрессивность» и «генетическая гетерогенность» (см. п. 4.3.1.1), «широкая» или «узкая» норма реакции (см. п. 4.1.1). Только сейчас, благодаря успехам молекулярной генетики и клеточной биологии, появляется возможность представить себе механизмы, составляющие основу перечисленных генетических феноменов (см. п. 4.3.3.1).

Использование генотипической биоинформации в целях структурно-функционального обеспечения процессов жизнедеятельности путем ее перевода в фенотипическую биоинформацию осуществляется постоянно на всем протяжении жизни особи. Вместе с тем наиболее энергично это происходит в связи с формированием дефинитивного (состояние биологической, а для человека и социальной, зрелости) фенотипа организма. Для млекопитающих, в том числе человека, – это внутриутробный и ранний постнатальный периоды онтогенеза.

Фенотип: краткое определение

Фенотип: краткое определение

 Понятия генотип и фенотип — очень важные понятия в биологии. Совокупность всех генов организма составляет его генотип. Совокупность всех признаков организма (морфологических, анатомических, функциональных и др.) составляет фенотип (phenotype от греч. phaino — являю, обнаруживаю и typos — отпечаток, форма, образец). Фенотип — результат взаимодействия всех генов организма друг с другом и различными факторами среды, совокупность признаков, присущих данному организму. На протяжении жизни организма его фенотип может изменяться, однако генотип при этом остается неизменным. Это объясняется тем, что фенотип формируется под влиянием генотипа и условий среды.

 Итак, фенотип  — это различимые или измеряемые характеристики (физические, биохимические, физиологические) индивидуума. Любые поддающиеся наблюдению свойства и физические характеристики организма. Термин фенотип относится к любым морфологическим, биохимическим, физиологическим и поведенческим характеристикам организмов. Термин признак (trait) — отдельная характеристика организма, например, форма носа, цвет глаз, количество пальцев. Существуют определенные трудности в трактовке термина «признак» (trait) в литературе. Иногда trait отождествляют с англоязычным термином character. В других случаях их различают, и trait рассматривают как частное проявление более общего образа — character. В этом случае термин character относят к таким общим образам, как форма носа, цвет глаз и т.д., тогда как trait обозначет частные проявления этих образов у отдельных индивидуумов — короткий нос, голубые глаза. В этом смысле character в фенотипе соответствует локусу в генотипе , a trait соответствует определенному аллелю локуса.

Термин «фенотип», как и генотип , используется в двух смыслах. В широком смысле — это совокупность всех признаков организма. Но применительно к моногибридному скрещиванию словом фенотип обычно обозначают тот признак, который в этом скрещивании изучается, например высокое растение имеет один фенотип, а карликовое — другой.

 

Ссылки:

Разница между фенотипом и генотипом

Фенотип — это внешний вид организма, а генотип — это генетический состав организма. Фенотип наблюдается и является выражением генов человека. Таким образом, даже организм одного и того же вида может отличаться, с минимальной разницей в их генотипе. Это главное различие между ними.

Мы можем заметить цвет волос, цвет глаз, рост, вес, цвет кожи и т. Д., Но не можем посмотреть на гены, ответственные за этих персонажей, поэтому наблюдаемый физический вид — это фенотип, тогда как

незамеченные гены, ответственные за такие символы, присутствуют в ДНК Клетка индивида имеет генотип.

Чтобы объяснить вышеприведенные линии, вот простой пример того, как цветущее растение чистого красного цвета (RR) скрещивается с цветущим растением белого цвета (rr). Результатом генотипа поколения F1 будет — Rr (гибридный красный цвет), а фенотипом поколения F1 будет — цветущее растение красного цвета .

Генотип и фенотип являются двумя очень близкими и похожими по звучанию словами, но их значение различно. Наша земля обладает динамичным разнообразием организмов, присутствующих в почве, воде и на суше. Но так как геном каждого организма индивидуален, то есть фенотипы, будь то их цвет, рост, вес или другие морфологические особенности. В этом контенте мы попытались объяснить причину, по которой они отличаются, а также краткое описание.

Сравнительная таблица

Основа для сравненияГенотипФенотип
СмыслНаследственная информация организмов в виде гена в ДНК и остается неизменной на протяжении всей жизни.Видимые характеристики фенотипа, который является выражением генов, но эти признаки меняются с периодом, как этап от младенца до взрослого.
Состоит изНаследственные признаки организмов, которые могут или не могут быть выражены в следующем поколении. Один и тот же генотип производит тот же фенотип в конкретной среде.
Эти символы не наследуются. Таким образом, мы можем сказать, что одни и те же фенотипы могут принадлежать или не принадлежать одному и тому же генотипу.
Разный генотип может также продуцировать сходный производящий фенотип, подобно тому, как RR и Rr продуцируют такой же черный цвет глаз, что и доминирующий аллель R, а рецессивный аллель r.
Здесь даже небольшая разница в фенотипе будет иметь другой генотип.
КажетсяВнутри тела, как генетический материал.
Вне тела, как внешность.
унаследованныйОни частично наследуются от индивидуума к потомству как один из двух аллелей в процессе размножения.
Фенотип не наследуется.
Определяется поИспользование научных методов, таких как полимеразная цепная реакция (ПЦР), чтобы определить тип генов на аллеле.Наблюдая за организмами.
Пострадали отНа это влияют гены.На него влияют генотип и другие условия окружающей среды.
ПримерыНемного болезней, групп крови, цвета глаз, роста и т. Д.
Вес, телосложение, цвет глаз, цвет волос, птичий клюв и т. Д.

Определение фенотипа

Наблюдаемые характеристики организма, которые являются следствием генотипа (генетического материала) и окружающей среды, известны как фенотип. Это морфологические признаки, такие как цвет, форма, размер, поведение и другие биохимические свойства.

Из-за изменения условий окружающей среды и других физиологических и морфологических изменений, связанных со старением, может произойти изменение фенотипа, которое является постоянным и на протяжении всей жизни. Различный стиль жизни, доступные продукты, эволюция также способствуют этим изменениям. Фенотип организма распознается по его генотипу (совокупность генов, переносимых организмами).

Например, в одной и той же среде есть разные собаки, которые можно легко распознать по разному цвету, ушам, росту, весу, поведению и т. Д. Это различие обусловлено небольшим изменением их генетического кода.

Определение генотипа

Термин был придуман датским ботаником и генетиком Вильгельмом Йоханнсеном, что означает генетическую структуру индивидуума и влияет на фенотип или физические признаки. Генотип является одним из трех факторов, определяющих фенотип организма, два других являются факторами окружающей среды и другие наследственные эпигенетические факторы.

Хотя это не обязательно, что тот же генотип будет экспрессироваться в следующем поколении, они могут изменяться или изменяться в зависимости от окружающей среды и других условий. Например, существует небольшая разница во всех организмах, даже если они принадлежат к одному и тому же виду.

Геномная последовательность играет жизненно важную роль в дифференциации организмов друг от друга в отношении комбинации аллелей, которые несет индивидуум, который может быть гомозиготным или гетерозиготным. Гомозиготные — это один тип аллелей, а гетерозиготные — это два типа аллелей.

Например, в растении гороха ген, представляющий цвет цветка, имеет два аллеля. Один из аллелей кодирует фиолетовый цветок и обозначается как «V», тогда как другой аллель кодирует белый и представлен как «v». Таким образом, возможное поколение F1 будет иметь свой генотип VV, Vv или vv. Эти генотипы вносят вклад в фенотип и другие физические или внешние проявления. Процесс определения генотипа называется генотипированием.


Ключевые различия между фенотипом и генотипом

Предстоящие пункты будут сосредоточены на существенной разнице между этими двумя терминами;

  1. Генотип состоит из наследственной информации организма, в виде гена в ДНК и остается неизменным на протяжении всей жизни. Напротив, фенотип описывает видимые признаки, которые являются выражением генов, но эти признаки изменяются с периодом, подобным стадии от младенца до взрослого.
  2. Генотип состоит из наследственных признаков организмов, которые могут или не могут быть выражены в следующем поколении. Один и тот же генотип производит тот же фенотип в конкретной среде, но в случае фенотипа признаки не наследуются. Таким образом, мы можем сказать, что одни и те же фенотипы могут принадлежать или не принадлежать одному и тому же генотипу.
  3. Генотип представляет генетический материал и, таким образом, присутствует в клетках тела, иногда другой генотип может также продуцировать сходный фенотип продукции, как, например, RR и Rr продуцируют такой же черный цвет глаз, что и доминирующий аллель R, а рецессивный аллель r. Но в случае фенотипа, даже небольшая разница в фенотипе будет иметь другой генотип, и они распознаются вне тела как физическая внешность.
  4. Генотип частично наследуется от индивида к потомству как один из двух аллелей в процессе репродукции. Фенотип является выражением генетической черты родителя, но они не наследуются .
  5. Физические признаки, такие как рост, цвет волос, цвет глаз, форма тела и т. Д., Могут быть определены при наблюдении за организмом, но генетические признаки идентифицируются с помощью научных инструментов, таких как полимеразная цепная реакция (ПЦР), которые помогают определить тип генов. на аллель.

Вывод

В приведенном выше содержании мы изучили два запутанных термина, которые представляют собой фенотипы и генотипы, и как они отличаются друг от друга, мы также обнаружили их связь и зависимость друг от друга.

это признаки развития организма или влияние окружающей среды?

Некоторых людей интересует вопрос о том, что такое фенотип. Данное определение можно рассмотреть с двух позиций. Если говорить поверхностно, то фенотип – это внешнее представление организма, которое обусловливается какой-либо совокупностью проявлений генотипа. Рассмотрев данное определение более подробно, можно сказать, что это некоторые признаки, регулированием которых занимаются определенные гены.

Характеристики, свойственные фенотипу, проявляются у человека в разные стадии развития. Формирование данных характеристик происходит под воздействием определенных факторов внешней среды и генотипа человека.

Многие молекулы и структуры организма индивидуума, которые входят в расширенный фенотип и кодируются с помощью генетического материала, невозможно обнаружить во внешнем образе организма. К примеру, группу крови внешне определить не получится. Поэтому все характеристики фенотипа определяются с помощью специализированного оборудования, а также посредством медицинских, диагностических и технических процедур.

Фенотип – это такое поведение и реакция организма на воздействие окружающей среды, которые приобретаются со временем, в зависимости от определенных факторов. К примеру, плотину бобров можно считать фенотипом. Из большого многообразия характеристик фенотипа можно выделить две характерные черты – чувствительность и многомерность. Первая черта отвечает за «вынос» определенной генетической информации в ответ на некоторые факторы окружающей среды. Также данная черта фенотипа отвечает за степень чувствительности к подобным факторам. Характеристика, которая определяет точное число вариантов «выноса» информации из генов навстречу факторам и характеризует именно те аспекты, к которым особо чувствителен фенотип, – это многомерность. Данные характеристики отвечают за богатство. Другими словами, чем больше многомерность и чувствительность, тем богаче фенотип. К примеру, фенотип человека более богат, чем у какой-либо бактерии, так так первому более присущи многомерность и чувствительность.

Фенотип живых существ зависит от таких факторов, как генотип, воздействие окружающей среды и случайные изменения организма в связи с мутацией. В том случае, если влияние одного фактора на определенную характеристику больше, воздействие других факторов, соответственно, уменьшается. К примеру, цвет глаза зависит от генотипа, а близнецы могут иметь отличия в таких характеристиках, как рост и вес, которые определяются из-за влияния определенных факторов окружающей среды. Также под воздействием внешних факторов можно приобрести заболевание гепатит С (генотип 1).

В окружающей нас среде находится большое количество разнообразных явлений, таких как фенотип. Это разнообразие может послужить предпосылкой для эволюционного развития живых существ и естественного выживания. В качестве примера можно привести сосны, которые в разных условиях выглядят по-разному: в лесах они стройные и высокие, а в полях и на скалах — более раскидистые.

фенотип | генетика | Британика

фенотип , все наблюдаемые характеристики организма, возникающие в результате взаимодействия его генотипа (полное генетическое наследование) с окружающей средой. Примеры наблюдаемых характеристик включают поведение, биохимические свойства, цвет, форму и размер.

Фенотип может постоянно меняться на протяжении всей жизни человека из-за изменений окружающей среды и физиологических и морфологических изменений, связанных со старением.Различные условия могут влиять на развитие унаследованных признаков (например, на размер влияет доступная пища) и изменять экспрессию сходных генотипов (например, близнецы, созревающие в разных семьях). В природе влияние окружающей среды составляет основу естественного отбора, который первоначально воздействует на особей, способствуя выживанию тех организмов, фенотипы которых лучше всего подходят для их текущей среды. Преимущество в выживании, предоставляемое особям с такими фенотипами, позволяет этим особям размножаться с относительно высокими показателями успеха и, таким образом, передавать успешные генотипы последующим поколениям.Однако взаимодействие между генотипом и фенотипом удивительно сложно. Например, все наследуемые возможности в генотипе не выражены в фенотипе, потому что некоторые являются результатом латентных, рецессивных или заторможенных генов.

типов естественного отбора

Три типа естественного отбора, показывающие влияние каждого из них на распределение фенотипов в популяции. Стрелки вниз указывают на те фенотипы, против которых действует отбор. Стабилизирующий отбор (левый столбец) действует против фенотипов на обоих концах распределения, способствуя размножению промежуточных фенотипов.Направленный отбор (центральный столбец) действует только против одной крайности фенотипов, вызывая сдвиг в распределении в сторону другой крайности. Диверсифицирующий отбор (правый столбец) действует против промежуточных фенотипов, создавая разделение в распределении в сторону каждой крайности.

Британская энциклопедия, Inc.

Подробнее по этой теме

наследственность

…генотип противопоставляется фенотипу , который представляет собой внешний вид организма и результат его развития…

Одним из первых, кто различал элементы, передающиеся от одного поколения к другому («зародышевая» плазма), и организмы, развившиеся из этих элементов («сома»), был немецкий биолог Август Вейсман в конце 19 века. Позже зародышевую плазму отождествили с ДНК, которая несет в себе схемы синтеза белков и их организации в живое тело — сому. Однако современное понимание фенотипа во многом основано на работах датского ботаника и генетика Вильгельма Людвига Йохансена, который в начале 20 века ввел термин фенотип для описания наблюдаемых и измеримых явлений организмов.(Йоханнсен также ввел термин генотип по отношению к наследственным единицам организмов.)

Эта статья была недавно отредактирована и обновлена ​​Карой Роджерс.

границ | Дифференциальный взгляд на отношения генотип-фенотип

Введение

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

(Благородный, 2006 г.)

Один из фундаментальных вопросов биологии состоит в том, чтобы понять, что отличает особей, популяции и виды друг от друга.Концепция фенотипа , который соответствует наблюдаемым признакам индивидуума, была придумана в противовес генотипу , наследственному материалу, передаваемому гаметами. Начиная с раннего предположения, что генотипы и фенотипы образуют два фундаментально разных уровня биологической абстракции (Johannsen, 1911), задача состояла в том, чтобы понять, как они взаимодействуют друг с другом, как генотипы отображаются на фенотипы. За последние 15 лет более 1000 примеров изменений последовательности ДНК были связаны с естественными невредными фенотипическими различиями между особями или видами у эукариот (Martin and Orgogozo, 2013b).У человека каталог OMIM ® (Online Mendelian Inheritance in Man, http://omim.org/), в котором собраны генетические детерминанты фенотипов, связанных с болезнью, насчитывает более 4300 записей и в общей сложности 2493 опубликованных полногеномных ассоциативных исследования. (GWAS) обнаружили множество участков в геноме, которые статистически связаны со сложными признаками (Welter et al., 2014). Поскольку обнаружение причинно-следственных связей между генетическими и фенотипическими вариациями ускоряется, пересмотр наших концептуальных инструментов может помочь нам найти объединяющие принципы в рое данных.Здесь мы размышляем о взаимосвязи между генотипами и фенотипами и адресуем это эссе биологам, которые готовы попытаться бросить вызов своему нынешнему пониманию фенотипов. Выделим одну полезную точку зрения — дифференциальную. Затем мы показываем, что эта простая структура остается полезной в контексте всепроникающей плейотропии, эпистаза и воздействия окружающей среды.

Гены как создатели различий

Мутации, выделенные из лабораторных штаммов, сыграли важную роль в понимании карты GP.В классической схеме мутацию сравнивают с эталоном дикого типа, и ее фенотипические эффекты используются для вывода о функции гена. Эта структура часто приводит к семантическому упрощению: от генетического изменения, вызывающего вариацию фенотипа, 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 приносят научную точность в жертву психологическому воздействию.В соответствии с этим следует ли называть ген, мутация которого летальна, «геном жизни»? На самом деле эти чрезмерно упрощенные формулировки означают, что вариации данного гена вызывают вариации данного фенотипа (Dawkins, 1982; Schwartz, 2000; Waters, 2007). На самом деле ген сам по себе не может ни вызвать наблюдаемый фенотипический признак, ни быть необходимым и достаточным для появления наблюдаемых признаков. Генам нужна клеточная среда, совместное действие множества других генов, а также определенные физико-химические условия, чтобы оказывать заметное влияние на организмы (рис. 1В).Например, пигментация каштановых волос у одного человека является результатом не только генов, кодирующих ферменты, синтезирующие пигмент, но и наличия клеток, продуцирующих пигменты соответствующих молекул субстрата (таких как тирозин для меланина), и количества полученного вещества. солнечный свет (Liu et al., 2013). Таким образом, генетический редукционистский подход, который исследует лишь несколько генетических параметров среди множества причинных факторов, бесполезен для полного решения широкого вопроса о том, что делает волосы коричневыми, что порождает определенную биологическую структуру или процесс в целом.Тем не менее, генетический редукционизм может быть совершенно подходящим для идентификации генетических локусов, где изменение вызывает фенотипические различия (рис. 1С). Различие в цвете волос между двумя людьми в некоторых случаях может быть связано с их генетическими различиями. Заметим, однако, что не все фенотипические изменения можно отнести к генетическим изменениям. Различия в цвете волос также могут быть вызваны негенетическими факторами, такими как возраст, интенсивность солнечного излучения или окраска волос, или сочетанием как генетических, так 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 из примеров таксономически надежного родства GP: SLC45A2 и внутривидовые различия в пигментации у тигров и кур.Отношения GP обозначены пунктирными линиями на панелях (D-E) .

В то время как современная генетика находилась в зачаточном состоянии, Альфред Стертевант сформулировал вопрос о карте ВП простыми словами: «Одной из центральных проблем биологии является проблема дифференцировки — как яйцо развивается в сложный многоклеточный организм? Это, конечно, традиционная главная проблема эмбриологии; но он также появляется в генетике в форме вопроса: как гены производят свои эффекты?» (Стёртевант, 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 выявлял гены, отсутствие или изменение которых (мутации, делеции, дупликации, перестройки и т. д.) приводит к фенотипические различия (сравните рисунок 1А с рисунком 1С). На самом деле предложение «ваши волосы каштановые» можно интерпретировать либо как абсолютное наблюдение (описание определенного набора молекул, содержащих определенные уровни темного пигмента эумеланина и светлого пигмента феомеланина), либо как имплицитную 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. Наше сознание и наш язык часто склонны путать объекты, изменчивость которых рассматривается, с самой вариацией (Keller, 2010), и важно напомнить, что в генетике интересующие нас объекты (например, данный генотип, аллель или фенотип) заслуживают определения относительно другого эталонного состояния.

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

Связь ГП находится между двумя уровнями вариации

Мышление с точки зрения различий делает очевидным абстрактную сущность, которая заключает в себе как генетический, так и фенотипический уровни. Этот объект состоит из вариации генетического локуса (два аллеля), связанного с ним фенотипического изменения (два различных фенотипических состояния) и их взаимоотношений (рис. 1D).Мы втроем называем совокупность этих элементов «гефе», но здесь мы называем это просто «отношением генотип-фенотип» (отношением ГП). Мы покажем, что отношения ГП — 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 отношений с врачами общей практики

В современных базах данных аннотаций генома ген обычно определяется как фрагмент нуклеиновых кислот, который транскрибируется и кодирует РНК или полипептид с известной или предполагаемой функцией (Gerstein et al., 2007). Генетический локус, лежащий в основе фенотипических различий, не обязательно является геном в строгом смысле; он может охватывать определенную пару оснований, кодирующую область, цис- регуляторную область или распространяться на весь ген с его цис -регуляторными областями или даже на генный кластер (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 акцент делается не на сам ген, как он определен в геномных базах данных, а скорее на индивидуальном функциональном разделении генома на определяющие различия локусы. Генотипическая часть родства GP может принимать форму различных аллелей: разные кодоны, кодирующие разные аминокислоты, вставки/делеции в последовательности, кодирующей белок, расходящиеся версии конкретного регуляторного элемента cis-, наличие/отсутствие вставок транспозона. , количество копий генов в кластере генов, склонных к структурной изменчивости, и т. д.В геноме не все нуклеотидные участки связаны с фенотипической изменчивостью. Например, вероятно, существуют фрагменты нуклеотидных последовательностей, в том числе так называемая мусорная ДНК (Graur et al., 2015), присутствие которых не оказывает никакого влияния на наблюдаемые характеристики организма, кроме того, что они реплицируются и, возможно, транскрибируются. Существуют также генетические локусы, которые могли быть связаны с фенотипической изменчивостью в прошлом и больше не связаны с фенотипической изменчивостью.Например, генетическая изменчивость в кодирующих областях, связывающих гистоновую ДНК, могла быть важной во время ранней эволюции эукариотических клеток, но эти генетические локусы больше не содержат фенотипически релевантных вариаций, кроме летальных мутаций. Таким образом, в геноме есть участки нуклеотидов, которые абсолютно необходимы для жизни, но сами по себе не содержат жизнеспособных фенотипически релевантных вариаций.

ТАБЛИЦА 1. Несколько примеров отношений GP.

Фенотипическая часть отношений с ВП

Фенотипический аналог отношения GP относится к разновидности вариации (цвет волос, уровень устойчивости к токсинам и т. д.).), а не к состоянию (светлые волосы, дегустация фенилтиокарбамида и др.; табл. 1).

Фенотип, связанный с генетическим изменением, не обязательно ограничивается организмом, содержащим генетическую мутацию. Например, различие между лево- и правозакрученными раковинами у улитки Lymnaea peregra определяется одним генетическим локусом с материнским эффектом: генотип матери, а не самой особи, отвечает за направление скручивание оболочки (Boycott et al., 1931). В других случаях причинное генетическое изменение связано с бактериями-симбионтами: термостойкость тли может различаться у разных особей из-за точечной мутации в их бактериальном симбионте (Dunbar et al., 2007). Определенные фенотипические эффекты могут проявляться и на более высоком уровне, чем организм, несущий генетическое изменение (Dawkins, 1982), например, социальная организация муравьиной колонии (Wang et al., 2013).

Дифференциальная часть отношений общей практики

Как определено выше, родство GP включает в себя генетическое различие и фенотипическое различие.Связь различия как на генетическом, так и на фенотипическом уровне довольно абстрактна и может соответствовать трем различным различиям в живом мире: (#1) различие между двумя репродуктивно изолированными таксонами (живущими или вымершими), (# 2) различие, сегрегирующее внутри популяции, и (3) различие, впервые появившееся в ходе эволюции, между организмом, имеющим наследственный аллель/признак, и его прямым потомком, развившим новый аллель/признак. Следует отметить, что изменчивость фенотипа не всегда сразу следует за появлением новой вызывающей мутации, но может появиться позже из-за единичного набора аллелей, сегрегирующих в популяции.Например, новый фенотип редуцированных панцирных пластин появился в популяции пресноводной колюшки, когда рецессивный аллель EDA , уже присутствующий на криптических уровнях, оказался в гомозиготном состоянии у одной особи (Colosimo et al., 2005; Jones et al., 2012). Главный концептуальный прорыв, сделанный Чарльзом Дарвином, заключался в том, чтобы связать изменчивость среди особей внутри скрещивающейся группы (различие № 2) с изменчивостью между таксономическими группами в пространстве и времени (различие № 1; Левонтин, 1974а).

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, у этих женщин риск развития рака груди или яичников к 70 годам составляет до 80% по сравнению с женщинами, имеющими две копии дикого типа BRCA1 , из-за появления дополнительных вредных мутаций в диком типе BRCA1 . аллель в их соматических клетках молочной железы (Narod and Foulkes, 2004).

Важно отметить, что разница в GP всегда определяется по отношению к интересующей популяции или таксону (Sober, 1988). В менее развитых с медицинской точки зрения странах люди, несущие две дефектные копии гена фенилаланингидроксилазы, имеют серьезные проблемы со здоровьем, включая судороги и умственную отсталость. Напротив, в большинстве развитых стран такие люди диагностируются при рождении и имеют нормальную продолжительность жизни с нормальным умственным развитием благодаря диете с ограничением фенилаланина (Armstrong and Tyler, 1955).Таким образом, взаимосвязь с GP, включающая мутацию с дефектом фенилаланингидроксилазы, зависит от контекста: мутация связана с проблемами со здоровьем в менее развитых в медицинском отношении 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 в случае фенилаланингидроксилазы) в рамках предположения о «при прочих равных условиях».

Таким образом, связь GP лучше всего рассматривать как связь между двумя вариациями, одна на уровне генотипа, а другая на уровне фенотипа. Человеческий разум может разрабатывать понятия возрастающей абстракции: понятия вещей (например, клетки), понятия изменения (например, эволюции) и понятия отношений (например, гомологии; Cassirer, 1910; Simondon, 1968). Здесь концепция отношения ГП 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 отвергают дифференциальный взгляд

Выше мы утверждали, что при размышлениях о связи между генотипами и фенотипами всегда следует помнить о дифференциальном подходе. GWAS, представляющие собой наиболее популярный метод выявления геномных локусов, ассоциированных со сложными признаками в популяциях, основаны на анализе различий (Visscher et al., 2012). Тем не менее, в современных исследованиях дифференцированная точка зрения иногда неявно отвергается.Когда наблюдается влияние нескольких факторов на фенотипические черты (рис. 1B), дифференциальный взгляд считается слишком упрощенным, и исследователи часто предпочитают снова сосредоточиться на фенотипах отдельных особей, не связывая их явно с фенотипической ссылкой.

В большинстве современных статей проблема связи генотипа с фенотипом формулируется в терминах карт генотипа и фенотипа. Первая карта ВП была представлена ​​Ричардом Левонтином в его книге «Генетическая основа эволюционных изменений» (Левонтин, 1974а; рис. 2А).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 разбит на четыре этапа: (1) средний фенотип возникает в результате развития различных генотипов в различных условиях; (2) миграция, спаривание и естественный отбор действуют в пространстве P, чтобы изменить средний фенотип исходной популяции на средний фенотип особей, которые будут иметь потомство; (3) идентичность 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 отдельной особи (Fontana, 2002; Landry and Rifkin, 2012). При таком представлении абстрактный объект, который мы определили выше как отношение ГП, будет соответствовать «ходу» в пространстве генотипов, связанному с «ходом» в пространстве фенотипа (или, лучше, сумме нескольких «ходов» в пространстве генотипа, и пространства фенотипов, потому что несколько различных геномов могут нести два альтернативных аллеля данного родства GP).В третьем представлении, предложенном Вагнером (1996; рис. 2С), отдельные гены связаны с отдельными признаками.

Хотя эти три графических изображения карт ВП могут облегчить наше понимание некоторых аспектов биологии, во всех из них взаимосвязь ВП и дифференциальное представление понять нелегко. Вызывает недоумение тот факт, что первым, кто нарисовал такую ​​карту ВП, был Ричард Левонтин, красноречивый сторонник дифференциального взгляда (см., например, его предисловие к Oyama, 2000, шедевр убеждения).Поскольку эти графики сосредоточены на индивидуальных, а не на дифференциальных объектах, мы полагаем, что эти три репрезентации имплицитно побуждают нас вернуться к более интуитивной идее об одном генотипе, связанном с одним фенотипом. Упускание из виду дифференциального взгляда также может 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, либо как кодирующего белок, либо как вызывающего фенотипическое изменение (Griffiths and Stotz, 2013), легко перейти от дифференциального взгляда к недифференциальному взгляду на отношения GP.

Таким образом, многие современные ментальные представления о связи между генотипом и фенотипом имплицитно 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 взаимосвязей 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 вопрос состоит в том, чтобы определить разложение на признаки, наиболее адекватное интересующему вопросу. Для вопросов, связанных с отношениями между органами различных особей или видов (таких как гомология), может быть уместно сохранить традиционную декомпозицию на анатомические структуры (Wagner, 2014). Рихард Левонтин и Гюнтер Вагнер определили характеры как элементы внутри организма, которые отвечают на адаптивные вызовы и представляют собой квазинезависимые единицы эволюционных изменений (Левонтин, 1978; Вагнер, 2000).Их определение касается абсолютных признаков, наблюдаемых у отдельных организмов (например, форма крыла или количество пальцев у особи), и поэтому далеко от дифференциального взгляда. Здесь, чтобы лучше понять эволюцию и фенотипическое разнообразие живого мира, мы предлагаем разложить наблюдаемые признаки организма на множество элементарных вариаций ГП, которые накапливались в течение многих поколений, начиная с исходного 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 изношенной кожаной обуви определенной формы. Можно либо собрать разные атомы в одну организацию, либо можно купить в магазине ботинок, а затем подвергнуть его ряду механических воздействий. Мы естественно склонны сравнивать организмы с машинами и мыслить в терминах частей, которые должны быть собраны, чтобы создать функциональное целое. Однако безудержной метафоры дизайнера или создателя недостаточно для понимания происхождения современных организмов (Coen, 2012).Чтобы понять фенотипические особенности данного организма, более эффективно разложить его на абстрактные изменения, которые происходили последовательно на протяжении эволюционного времени, а не на протяжении времени развития. Исходное состояние является гипотетическим предком изучаемого организма.

Наблюдается, что некоторые мутации (квалифицированные как плейотропные) поражают сразу несколько органов, в то время как другие изменяют только один за раз (Paaby, Rockman, 2013; Zhang, Wagner, 2013). Для плейотропных мутаций мы считаем, что связь ГП должна включать все фенотипические изменения (в разных органах, на разных стадиях и т.), связанные с генетической разницей. Например, мутация V370A рецептора EDAR связана не только с толщиной волос, но и с изменением плотности потовых и молочных желез в азиатских популяциях (Камберов и др., 2013). Отношения GP в таких случаях являются один-ко-многим. Рассмотрение кожи и глаза как независимых анатомических модулей человеческого тела может показаться подходящим для многих эволюционных изменений, но несколько неадекватным в тех случаях, когда эти два органа одновременно развили новый признак пигментации посредством единственной мутации в гене SLC45A2 (Liu и другие., 2013). Рассуждения в терминах взаимосвязей ГП снимают проблему нахождения соответствующей декомпозиции на элементарные анатомические структуры. Сами элементарные отношения ГП представляются адекватными полунезависимыми модулями, комбинация которых может объяснить наблюдаемые характеристики организма.

Проблема непрерывных комплексных признаков

В соответствии с дифференциальной концепцией взаимоотношений ГП одним из важнейших моментов является разложение наблюдаемых признаков на ряд полунезависимых фенотипических вариаций, то есть выявление элементарных изменений, происшедших в ходе эволюции.Доступны экспериментальные подходы для разложения данного фенотипического различия на соответствующие более тонкие подвариации. Например, скрещивание растений с разной формой листьев дает потомство, которое демонстрирует составной набор промежуточных форм листьев. Анализ основных компонентов выявил элементарные изменения формы листа, которые вместе могут объяснить разницу в форме между родительскими линиями и, по-видимому, вызваны различными геномными областями (Langlade et al., 2005). Это в какой-то степени предполагает, что «сумма затемняет части.«То, что мы традиционно считаем сложными чертами, можно составить из более простых черт, более поддающихся генетическому анализу. Другим ярким примером является пигментация брюшка в группе Drosophila dunni . Взятые как единая переменная, уровни пигментации демонстрируют сложную генетическую архитектуру, но разложение взрослых паттернов на анатомические субъединицы раскрывает дискретный генетический контроль для каждого субпризнака (Hollocher et al., 2000). Более известным случаем является эволюция цвета тела пляжных мышей.Различие в окраске между светлыми пляжными мышами и темными мышами можно разложить на отдельные фенотипы (оттенок спины, яркость спины, ширина полосы на хвосте и дорсовентральная граница), которые все связаны с различными мутациями в гене Agouti . Linnen et al., 2013; рис. 3). Каждый генетический локус Agouti , по-видимому, предназначен для спецификации пигментации в данной части тела. Вместе они образуют группу тесно связанных локусов, связанных с изменениями пигментации шерсти.

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

Хотя сложные признаки не всегда можно свести к набору простых взаимосвязей ГП, возможно, что такие признаки, как рост взрослого человека, наиболее показательный количественный признак, который, по прогнозам, состоит из множества генетических эффектов небольшого размера (Fisher, 1930), могут также разложить на элементарные вариации, каждая из которых объясняет более дискретные субпризнаки. 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 стадийных исследованиях, посвященных росту плода и скорости роста в период полового созревания (Lettre, 2011).Другими словами, эти данные предполагают, что рост человека может быть составным признаком, который модулируется несколькими отношениями GP, каждое из которых действует на разных фазах развития.

Проблема эпистаза и GxE

Взаимодействие генов с окружающей средой (GxE) происходит, когда фенотипический эффект данного генетического изменения зависит от параметров окружающей среды. Сходным образом, эпистаз или взаимодействие GxG возникает, когда фенотипический эффект данного генетического изменения зависит от аллельного состояния по крайней мере одного другого локуса (Phillips, 2008; Hansen, 2013).Появляется все больше доказательств 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 вводят уровень контекстной зависимости и приводят к различиям, встроенным в различия.

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 4Б). Эффект мутации MC1R виден только в присутствии ассоциированного со светлым цветом 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 различия (изменение пигментации шерсти или полное отсутствие изменений). Выбор между этими двумя фенотипическими различиями определяется генетическим фоном (здесь локус Agouti ).Дифференциальный взгляд, таким образом, остается относительно простым для взаимодействия двух локусов: зависимость фенотипа от контекста транслируется в выбор между двумя возможными фенотипическими различиями. Мы предполагаем, что отношения GP, включающие мутацию, подверженную множественным эпистатическим взаимодействиям, должны включать все возможные фенотипические различия, которые могут возникнуть в результате мутации во всех генетических фонах. Среди всех возможных фенотипических вариаций фенотипическое различие, которое будет наблюдаться, определяется другими генетическими локусами.В общем, взаимодействия GxG включают несколько сайтов, разбросанных по всему геному (Bloom et al., 2013).

РИСУНОК 4. Взаимодействие генов с окружающей средой (GxE) и GxG. (A) Мутация, кодирующая npr-1 , влияет на агрегационное поведение нематод при уровне кислорода 21%, но не при 10% (Andersen et al., 2014). (B) Мутация, кодирующая Mc1R , влияет на пигментацию тела мыши в присутствии доминантных светлых аллелей Agouti , но не в 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 в растениях Arabidopsis , который связан с ускоренным ростом и повышенной приспособленностью к кислым почвам, а также с сильно ослабленной корневой системой. роста по сравнению с диким типом в нормальных почвах (Gujas et al., 2012). Взаимодействия GxE обычно анализируют в форме нормы реакции , которая представляет все наблюдаемые черты одного 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. Таким образом, связанное с этим фенотипическое изменение представляет собой разницу между двумя нормами реакции. Примером из учебника является изменение правила размера и температуры у C. elegans . Как и большинство других животных, нематоды C. elegans увеличиваются в размерах при низкой температуре, но лабораторный штамм дикого типа C.elegans , происходящий с Гавайских островов, не показывает изменений в размерах тела при различных температурах. Аминокислотное изменение в кальций-связывающем белке ответственно за снижение способности гавайского штамма увеличиваться в размерах при низкой температуре (Kammenga et al., 2007). Здесь норма реакции (представляющая размер тела нематоды в диапазоне температур) различается между нематодами, и связанное с ней отношение GP охватывает разницу между этими двумя наклонами.

Диапазон фенотипических вариаций, воплощенных в отношениях GP, подверженных взаимодействиям GxG и GxE, может быть весьма огромным, особенно в случаях, когда одна и та же мутация затрагивает несколько тканей, и когда на фенотипическую изменчивость 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 можно считать, что любые отношения GP испытывают эпистаз. 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 сформировать эффективные зрительные нейронные цепи. Для того чтобы дифференцированный взгляд был приемлемым, мы советуем не рассматривать все возможные генетические предпосылки и условия окружающей среды, а ограничивать возможности потенциальной средой и выделять аллели, которые имеют отношение к интересующей популяции (Sober, 1988).

Таким образом, при наличии эпистаза или взаимодействий GxE генетическое изменение связано не с одним фенотипическим отличием, а с множеством возможных фенотипических различий, среди которых будет достигнуто одно, в зависимости от окружающей среды и генетического фона. Зависимость от контекста может быть схематически представлена ​​как различия ГП, встроенные в другие различия генотипа и среды.

Дифференциальный взгляд на генетические и экологические эффекты на фенотипы

Как подчеркивали многие авторы (прежде всего Waddington, 1957; Oyama, 2000; Keller, 2010), гены и среда действуют на фенотип совместно, и в большинстве случаев невозможно отделить влияние одного от другого.Здесь мы показываем, что рассуждения с точки зрения различий помогают прояснить сравнение между генетическими и экологическими эффектами на фенотипы. Однако мы выделяем некоторые случаи, когда сравнение остается затруднительным.

По аналогии с отношением ГП мы можем определить отношение среда-фенотип как вариацию среды (две среды), связанное с ней фенотипическое изменение (различные фенотипические состояния) и их взаимосвязь. Например, у многих видов черепах изменение температуры во время развития яиц связано с различием полов между самцами и самками (рис. 5А), и в филогенезе черепах произошло по крайней мере шесть переходов от определения пола в зависимости от окружающей среды к генетическому (рис. 5В) (Pokorná). и Кратохвиль, 2009).В этом случае средовые и генетические эффекты можно сопоставить: половые хромосомы и температура оказывают одинаковое фенотипическое влияние на черепах. Такие наблюдения привели Уэст-Эберхард (West-Eberhard, 2003, 2005) к предложению гипотезы «гены как последователи», которая предполагает, что новые фенотипические состояния с большей вероятностью возникают в первую очередь из-за изменения окружающей среды, чем из-за генетической мутации, и что мутации происходят только позже, при изменении порога экспрессии нового признака. Уэст-Эберхард (2003, 2005) экстраполировал различия, сегрегирующие внутри популяций (различие № 2), на различия, возникшие во времени во время эволюции популяции (различие № 1).

РИСУНОК 5. Связь между средой и фенотипом в сравнении с зависимостью 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 многих линиях предоставила главный аргумент в поддержку гипотезы «ген как последователь» (Palmer, 2004).В рамках этой схемы оговаривается, что направленная асимметрия, при которой все люди односторонние, часто развилась из состояния «случайной асимметрии», когда направленность будет зависеть от факторов окружающей среды и, таким образом, различаться между генетически идентичными людьми. Например, самая сильная клешня омара будет развиваться в зависимости от использования и имеет априори равные вероятности развития с левой или с правой стороны. Мы можем видеть, как здесь работает формула «гены как последователи»: окружающая среда запускает асимметрию, и позже в ходе эволюции некоторые генетические эффекты могут изменить ее направленность в ту или иную сторону.Но в то время как асимметрия «происходит до того, как существует генетическая изменчивость, чтобы контролировать ее», дифференциальная точка зрения ясно дает понять, что генетическое влияние на направленность несопоставимо с влиянием окружающей среды, которое запускает асимметрию. Генетическое изменение приводит к переключению между окончательным 100% односторонним состоянием и начальным состоянием, при котором 50% случаев являются правосторонними и 50% левосторонними. Напротив, два альтернативных фенотипических состояния, возникающие в результате изменчивости в окружающей среде, считаются 100% правосторонним и 100% левосторонним.Этот пример показывает, что ради точности важно явно указать различия, которые учитываются в отношениях GP.

Дифференциальное представление обеспечивает теоретическую основу, которая может помочь в разработке экспериментов для исследования соответствующих переменных: можно сравнивать разные генотипы в фиксированной среде (классическая взаимосвязь GP), сравнивать реакцию фиксированного генотипа на две разные среды (фенотипическая пластичность). , или сравнить чувствительность двух разных генотипов к двум разным средам (где фенотипическая вариация становится различием в различии; см., например, Engelman et al., 2009; Томас, 2010).

Были разработаны различные количественные методы, чтобы отделить генетику от эффектов 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 воздействий окружающей среды, даже если рассуждать в терминах различий (Lewontin, 1974b). Популяции жука Calathus melanocephalus представлены двумя морфами: длиннокрылой и короткокрылой (Schwander, Leimar, 2011).Длиннокрылая морфа развивается только из гомозиготных особей по рецессивному аллелю, сегрегирующему в популяции, и только при хороших пищевых условиях. В этом случае генетические и экологические эффекты смешиваются (рис. 6А, В). В теоретическом случае популяции, состоящей только из короткокрылых гетерозиготных животных, выращенных в условиях голодания, и длиннокрылых, за разницу крыльев между особями ответственны как гены, так и среда, и невозможно оценить соотношение факторов среды и среды. генетические эффекты, поскольку гены и окружающая среда действуют на различных уровнях сложной причинно-следственной связи между генотипами и фенотипами.

РИСУНОК 6. Перспективы взаимосвязи среда-фенотип и отношения GP для полиморфизма длины крыла у жука Calathus melanocephalus . (A) С точки зрения взаимосвязи среда-фенотип изменение условий питания связано с изменением размера крыла, но только в гомозиготном фоне по рецессивному аллелю ( l ) локуса размера крыла. (B) С точки зрения взаимосвязи GP, генетическое изменение в локусе размера крыла связано с изменением размера крыла, но только при 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 меньшее 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 кишечного симбионта. Причиной фенотипических различий является не простое изменение в последовательности ДНК, не простое изменение окружающей среды, не связанное с генетическими изменениями, а переключение между присутствием и отсутствием фактора, который можно рассматривать как фактор окружающей среды, — бактерий, — который содержит ДНК, мутации которой могут также изменить фенотип хозяина.

В заключение, рассуждения с точки зрения различий могут помочь прояснить сравнение между генетическими и экологическими эффектами на фенотипы. Тем не менее, вопросы не более чем простые. Поскольку гены и среда действуют на разных уровнях сложной причинной связи между генотипами и фенотипами, в некоторых случаях невозможно распутать обе причины.

Разъяснение терминологии «прибыль/убыток» и «разрешительный/инструктивный»

Фенотипические различия, по-видимому, подпадают под две основные категории: либо наличие/отсутствие чего-либо (например, волосы на теле или способность переваривать молоко), либо сдвиг между двумя альтернативами, которые присутствуют одновременно (например, два цвета волос).Точно так же со стороны генотипа мутация может соответствовать присутствию/отсутствию соответствующей последовательности ДНК или полиморфизму нуклеотидов. Дифференциальная точка зрения делает очевидным, что потеря фенотипа не обязательно связана с потерей генетического материала, и наоборот. Например, эволюционное приобретение темных пигментов, покрывающих всю шерсть животных, часто связывают с утратой гена Mc1R (Gompel, Prud’homme, 2009). Кроме того, как ранее отмечал один из нас (приложение Stern and Orgogozo, 2008), усиление или потеря фенотипа субъективны.Например, выпадение волос также можно рассматривать как приобретение обнаженного эпидермиса. Большинство эпидермальных клеток насекомых дифференцируются в одно из этих двух альтернативных состояний, и в обоих состояниях участвуют большие сети регуляции генов. Неясно, какое фенотипическое состояние представляет собой выигрыш или потерю по сравнению с другим. Даже с точки зрения генотипа определение потерь и приобретений может быть затруднено. Вставка мобильного элемента может сбить ген, тогда как делеция иногда может создать новый сайт связывания для активатора транскрипции.На самом деле, эволюционное усиление экспрессии desatF у D. melanogaster произошло за счет серии из трех делеций, каждая из которых создает гексамерный мотив, необходимый для экспрессии desatF (Shirangi et al., 2009).

Точно так же дифференциальная точка зрения на воздействие окружающей среды выдвигает на первый план ошибочность различия между разрешительными и инструктивными сигналами. Разрешающий сигнал связан с наличием/отсутствием фенотипа, а инструктивный сигнал — со сдвигом между двумя присутствующими альтернативами.Как утверждалось выше, эти различия на фенотипическом уровне не являются четкими.

В заключение мы предлагаем с осторожностью использовать термины «прибыль/потеря» и «поучительная/разрешительная» терминология.

Таксономически устойчивые связи ГП

Ожидается, что мутация приведет к некоторой воспроизводимой фенотипической вариации в популяции. Такая воспроизводимость фенотипического исхода необходима для обеспечения генетической эволюции и адаптации путем естественного отбора (Lewontin, 1974a; Kirschner and Gerhart, 1998).В самом деле, вновь образованный аллель, который будет генерировать еще один фенотип каждый раз, когда он попадает в другой организм, не будет подвергаться естественному отбору. Рассуждение с точки зрения изменчивости, а не рассмотрение аллелей как изолированных объектов, проясняет, что конкуренция происходит между аллелями, которые охватывают один и тот же генетический локус. Естественный отбор воздействует непосредственно на аллельную вариацию, которая устойчиво связана с данной фенотипической вариацией, что и является родством ГП. Таким образом, отношения ГП являются базовой единицей эволюционных изменений, на которые действует естественный отбор.

Главное открытие последних 20 лет состоит в том, что изменчивость в определенных генетических локусах приводит к сопоставимой фенотипической изменчивости не только у разных особей одной популяции, но и у чрезвычайно разных таксонов (Martin and Orgogozo, 2013b). Другими словами, определенные отношения GP являются таксономически надежными и присутствуют у большого количества видов. Это означает, что генетические и экологические предпосылки оставались относительно постоянными или неоднократно появлялись на протяжении эволюции, что позволяло генетическим локусам генерировать сходные фенотипические изменения в различных таксономических группах.Это важное открытие было совершенно неожиданным около 50 лет назад. Долгое время ожидалось, что сингулярность, наблюдаемая в живом мире, будет отражать сравнимую сингулярность на генетическом уровне, затрагивая несопоставимые и неконсервативные гены, специфичные для каждой линии (Mayr, 1963). Как однажды предположил Майр (1963) в 1963 году: «Многое из того, что было известно о физиологии генов, делает очевидным, что поиск гомологичных генов совершенно бесполезен, за исключением очень близких родственников […]. Поговорка «Многие дороги ведут в Рим» справедлива как в эволюции, так и в повседневных делах» (Mayr, 1963).Другими словами, ожидалось, что генетические локусы, которые делают человека мужчиной, будут отличаться от тех, которые делают собаку или рыбу. Позднее, в 80–90-х годах, некоторые исследователи предположили, что эволюция происходит за счет мутаций 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). Накопившиеся на сегодняшний день данные о мутациях, ответственных за естественную изменчивость, ясно показывают, что разнообразие живых организмов имеет общую генетическую основу как минимум в трех пунктах.Во-первых, сравнительная биология развития показала, что животные имеют общие наборы ключевых регуляторных генов с законсервированными функциями (Wilkins, 2002, 2014; Carroll et al., 2005). Во-вторых, большинство межвидовых различий у животных и растений, для которых хотя бы частично идентифицирована лежащая в основе генетическая основа (154 случая из 160), обусловлено мутациями в гомологичных генах, и очень немногие (6/160) обусловлены 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 линиях (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-транспортера SLC45A2 (Xu et al., 2013), и этот ген также был связан с гипопигментацией глаз, кожи , волосы и перья у людей и кур (Xu et al., 2013; Рисунок 1Е). Более ярким примером является недавняя эволюция устойчивости к токсинам у трех видов, которые разошлись более 500 миллионов лет назад – моллюска, змеи и иглобрюха – посредством замены одной и той же аминокислоты в законсервированном гене (Bricelj et al., 2005). ; Geffeney et al., 2005; Venkatesh et al., 2005; Feldman et al., 2012). Такие поразительные паттерны генетического повторения в настоящее время обнаружены для более чем 100 генов животных и растений (Martin and Orgogozo, 2013b). Несмотря на существующие методологические предубеждения в пользу консервативных генов при поиске локусов количественных признаков (Rockman, 2012; Martin and Orgogozo, 2013b), уровень генетического повторения остается поразительным и предполагает, что для эволюции по крайней мере некоторых фенотипических различий требуется 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 из видов бабочек Heliconius , обеспечивает сходные 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 или человека человеком, теперь частично объясняется уникальным набором таксономически устойчивых отношений ГП, которые обнаруживаются во многих ветвях линии.

Определенные отношения между средой и фенотипом также таксономически устойчивы.Например, у большинства таксонов на размер тела влияет питание; Дефицит железа может вызвать анемию, а некоторые токсичные соединения могут привести к летальному исходу. У экзотермов температура организма зависит от температуры окружающей среды. Учитывая устрашающее количество условий окружающей среды, которые можно представить, вероятно, невозможно определить, преобладают ли таксономически устойчивые отношения GP или таксономически устойчивые отношения среда-фенотип. Кроме того, вопрос о том, представляют ли таксономически устойчивые отношения GP исключительную и небольшую долю или значительную долю всех отношений GP, является предметом споров.В любом случае, существование таксономически устойчивых взаимосвязей GP теперь ясно и должно быть широко признано исследовательским сообществом.

Некоторые из самых поразительных учений современной биологии включают в себя 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 механизм. Таким образом, далеко не парадоксально, что индивидуальные различия строятся на сходствах, и тот факт, что определенные отношения ГП сохраняются на протяжении длительного времени эволюции, завершает картину.

Точная предсказательная сила, возникающая в результате существования таксономически устойчивых взаимосвязей GP, редко встречается в биологии и только начинает использовать свой полный потенциал. Сохранение связей GP на большие расстояния теперь полностью оправдывает использование подходов сравнительной генетики для решения прагматических проблем. Например, одомашнивание сельскохозяйственных культур приняло 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 (Патерсон и др., 1995; Мартин и Оргогозо, 2013b). Это наблюдение открывает интересные возможности для применения, поскольку мы можем использовать эту новую совокупность генетических знаний, чтобы помочь одомашниванию будущих культур или использовать стратегии с помощью маркеров для производства и поддержания биоразнообразия сельскохозяйственных культур (Lenser and Theißen, 2013). Предсказуемость ГП уже используется для идентификации штаммов, которые развили устойчивость к различным стратегиям борьбы с вредителями, причем крайние случаи нацелены на толерантность 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 драматично, антропогенная эволюция устойчивости к инсектицидам у различных групп насекомых, независимо от их статуса вредителя (Ffrench-Constant и др., 2004; Мартин и Оргогозо, 2013b).

Кроме того, повторяемость генетической основы фенотипической изменчивости предполагает, что клинические исследования также могут выиграть от генетических исследований большого числа модельных видов (Robinson and Webber, 2014).Например, естественная изменчивость толерантности к метотрексату, химиотерапевтическому препарату, была картирована у плодовых мушек Drosophila с генами, чьи человеческие ортологи также связаны с реакцией пациентов на этот препарат (Кислухин и др., 2013), что расширило использование модельных организмов в качестве моделей болезней.

На пути к генной классификации фенотипов

Одним из оригинальных аспектов описания связи GP с точки зрения индивидуальных отношений GP является то, что это позволяет классифицировать фенотипы в соответствии с лежащей в их основе генетической основой.На первом уровне отношения GP, затрагивающие разные регионы одного и того же гена и дающие сопоставимые фенотипические результаты, могут быть сгруппированы вместе. Простые случаи взаимодействия GxG были обнаружены между тесно сцепленными мутациями, как правило, внутри кодирующей последовательности или внутри цис- регуляторного элемента, когда они вызывают неаддитивный эффект на фенотип. Например, было обнаружено, что определенная мутация в энхансере вызывает различные сдвиги в паттерне экспрессии нижестоящего кодирующего гена в зависимости от соседней последовательности ДНК (Frankel et al., 2011; Роджерс и др., 2013). Сходным образом было обнаружено, что аминокислотные мутации в гене гемоглобина увеличивают или уменьшают сродство к кислороду в зависимости от аллельного состояния других сайтов (Natarajan et al., 2013). В таких случаях интуитивно понятно сгруппировать такие генетически связанные сайты вместе, поскольку все они влияют на один и тот же тип фенотипического признака.

Отсутствие пигментов меланина у животных было связано с мутациями в нескольких генах, включая OCA2 , kit-лиганд или Mc1R (рассмотрено в Gompel and Prud’homme, 2009; Liu et al., 2013). В то время как отсутствие меланина традиционно рассматривается как одно из состояний признака, альбинизм, независимо от лежащей в основе генетической основы, мы предлагаем здесь различать OCA2 -ассоциированный альбинизм от Mc1R -ассоциированного альбинизма или альбинизма, связанного с любым другим геном. Одним из преимуществ разложения изменчивости живого мира на эти множественные элементарные отношения ЗП является то, что эти элементы затем могут быть сгруппированы в последовательно увеличивающиеся группы.Элементарные фенотипические изменения, затрагивающие разные гены, 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 неоднократно связывались с изменениями функции яичников у людей и пород домашних овец (обзор в Luong et al., 2011).

Другим важным следствием перспективы родства ГП является то, что очевидно различные фенотипические изменения, вызванные сходными генетическими локусами в различных организмах, могут быть исследованы далее, чтобы выявить то, что может быть общим основным фенотипическим изменением (Deans et al., 2015). Например, личинки мух и черви-нематоды имеют разное поведение при поиске пищи, но было показано, что мутации в одном и том же ортологическом гене ( вместо / egl-4 ) изменяют интенсивность поведения при поиске пищи у обоих организмов (Osborne et al. , 1997; Мери и др., 2007; Хонг и др., 2008). Таким образом, вполне вероятно, что основное поведенческое изменение, которое лежит в основе кажущихся отличительными изменений поиска пищи мухами и нематодами, представляет собой консервативное отношение 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 заболеванию человека? Можем ли мы считать, что фенотип мыши подобен состоянию человека, если его генетическая основа иная? Мы и другие прогнозируем, что поиск ортологичных фенотипов, или «фенологов» (McGary et al., 2010), станет главной 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 генетические и экологические эффекты на фенотипы и их связь. Это также открывает новые возможности для размышлений, в частности, в отношении декомпозиции наблюдаемых признаков внутри организма и представления карт GP. Кроме того, существование таксономически устойчивых взаимосвязей GP поощряет беззастенчивое использование сравнительной генетики для предсказания генетической основы фенотипической изменчивости в различных группах организмов, и эта предсказательная сила имеет важный потенциал для трансляционных исследований в области агрономии и клинических исследований.

Заявление о конфликте интересов

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

Благодарности

Мы глубоко признательны Мари-Анн Феликс за содержательные обсуждения и Томасу Прадеу за то, что он привлек наше внимание к нескольким важным документам. Мы также благодарим Giuseppe Baldacci, Marie-Anne Félix, Pierre-Henri Gouyon, Alexandre Peluffo, Mark Siegal, David Stern и рецензентов за их проницательные комментарии к рукописи.Исследование, предшествовавшее написанию этой статьи, финансировалось Европейским исследовательским советом в рамках Седьмой рамочной программы Европейского сообщества (соглашение о гранте FP7/2007-2013 № 337579) и Фондом Джона Темплтона (грант № 43903).

Сокращения

GP, генотип-фенотип.

Каталожные номера

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

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Блум, Дж. С., Эренрайх, И. М., Лоо, В. Т., Лайт, Т.-Л. В. и Кругляк Л. (2013). Поиск источников отсутствующей наследственности при скрещивании дрожжей. Природа 494, 234–237. doi: 10.1038/nature11867

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Бойкот, А. Э., Дайвер, К., Гарстанг, С. Л., и Тернер, Ф.М. (1931). Наследование левосторонней формы у limnæa peregra (Mollusca, Pulmonata). Филос. Транс. Р. Соц. Лонд. сер. В 219, 51–131. doi: 10.1098/rstb.1931.0002

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Браво, Дж. А., Форсайт, П., Чу, М. В., Эскаравэдж, Э., Савиньяк, Х. М., Динан, Т. Г., и соавт. (2011). Прием внутрь штамма Lactobacillus регулирует эмоциональное поведение и экспрессию центрального рецептора ГАМК у мышей через блуждающий нерв. Проц.Натл. акад. науч. США 108, 16050–16055. doi: 10.1073/pnas.1102999108

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

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

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

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

Академия Google

Кассирер, Э. (1910). Вещество и функция , 2010 Edn. Париж: Набу Пресс.

Академия Google

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

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Колозимо, П.Ф., Хосеманн, К.Е., Балабхадра, С., Вильяреал, Г. мл., Диксон, М., Гримвуд, Дж., и соавт. (2005). Широко распространенная параллельная эволюция у колюшек путем повторной фиксации аллелей эктодисплазина. Наука 307, 1928–1933. doi: 10.1126/science.1107239

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

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

Академия Google

Динс, А.R., Lewis, S.E., Huala, E., Anzaldo, S.S., Ashburner, M., Balhoff, J.P., et al. (2015). Находим свой путь через фенотипы. PLoS Биол. 13:e1002033. doi: 10.1371/journal.pbio.1002033

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Данбар, Х.Е., Уилсон, А.К.С., Фергюсон, Н.Р., и Моран, Н.А. (2007). Термическая устойчивость тли определяется точечной мутацией в бактериальных симбионтах. PLoS Биол. 5:e96. doi: 10.1371/journal.pbio.0050096

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Энгельман, К.D., Baurley, J.W., Chiu, Y.-F., Joubert, B.R., Lewinger, J.P., Maenner, M.J., et al. (2009). Обнаружение взаимодействий генов и окружающей среды в данных полногеномной ассоциации. Жен. Эпидемиол. 33(Прил. 1), S68–S73. doi: 10.1002/gepi.20475

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Feldman, C.R., Brodie, E.D. Jr., Brodie, E.D. III, and Pfrender, ME (2012). Ограничение формирует конвергенцию в устойчивых к тетродотоксину натриевых каналах змей. Проц.Натл. акад. науч. США 109, 4556–4561. doi: 10.1073/pnas.1113468109

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

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

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Геффени, С.Л., Фуджимото, Э., Броди, Э.Д. III, Броди, Э.Д. младший, и Рубен, П.С. (2005). Эволюционная диверсификация устойчивых к ТТХ натриевых каналов во взаимодействии хищник-жертва. Природа 434, 759–763. doi: 10.1038/nature03444

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Gerstein, M.B., Bruce, C., Rozowsky, J.S., Zheng, D., Du, J., Korbel, J.O., et al. (2007). Что такое ген после кодирования? История и обновленное определение. Рез. генома. 17, 669–681.doi: 10.1101/gr.6339607

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Гилберт, С. Ф. (2000). «Классические гены и гены развития: различное использование генов в эволюционном синтезе», в The Concept of the Gene in Development and Evolution , eds P. Beurton, R. Falk, and H.-J. 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.

Академия Google

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

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Гриффитс, П., и Стоц, К. (2013). Генетика и философия: введение . Кембридж: Издательство Кембриджского университета.дои: 10.1017/CBO9780511744082

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Гуджас, Б., Алонсо-Бланко, К., и Хардтке, К.С. (2012). Природные аллели потери функции Arabidopsis brx обеспечивают адаптацию корней к кислой почве. Курс. биол. 22, 1962–1968. doi: 10.1016/j.cub.2012.08.026

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Холлочер, Х., Хэтчер, Дж. Л., и Дайресон, Э. Г. (2000). Генетический анализ и анализ развития различий в пигментации брюшка у разных видов подгруппы Drosophila dunni . Эволюция. Междунар. Дж. Орг. Эвол. 54, 2057–2071. doi: 10.1111/j.0014-3820.2000.tb01249.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Хонг, Р. Л., Витте, Х., и Соммер, Р. Дж. (2008). Естественная вариация в привлечении феромонов насекомых Pristionchus pacificus включает протеинкиназу EGL-4. Проц. Натл. акад. науч. США 105, 7779–7784. doi: 10.1073/pnas.0708406105

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

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

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Камберов Ю.Г., Ван С., Тан Дж., Жербо П., Варк А., Тан Л. и соавт. (2013). Моделирование недавней эволюции человека у мышей путем экспрессии выбранного варианта EDAR. Сотовый 152, 691–702. дои: 10.1016/j.cell.2013.01.016

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Камменга, Дж. Э., Доросук, А., Риксен, Дж. А. Г., Хазендонк, Э., Спиридон, Л., Петреску, А.-Дж., и соавт. (2007). Caenorhabditis elegans дикого типа не поддается правилу «температура-размер» из-за полиморфизма одного нуклеотида в tra-3. PLoS Genet 3:e34. doi: 10.1371/journal.pgen.0030034

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Келлер, Э.Ф. (2010). Мираж пространства между природой и воспитанием . Дарем, Северная Каролина: Издательство Университета Дьюка. дои: 10.1215/9780822392811

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Киршнер М. и Герхарт Дж. (1998). Эволюционируемость. Проц. Натл. акад. науч. США 95, 8420–8427. doi: 10.1073/pnas.95.15.8420

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ландри, Ч.Р., и Рифкин, С.А. (2012). Генотип-фенотипические карты системной биологии и количественной генетики: различные и взаимодополняющие. Доп. Эксп. Мед. биол. 751, 371–398. дои: 10.1007/978-1-4614-3567-9_17

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ланглад, Н. Б., Фэн, X., Дрансфилд, Т., Копси, Л., Ханна, А. И., Thebaud, C., et al. (2005). Эволюция через генетически контролируемое аллометрическое пространство. Проц. Натл. акад. науч. США 102, 10221–10226. doi: 10.1073/pnas.0504210102

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

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

Академия Google

Левонтин, Р. К. (1974b). Дисперсионный анализ и анализ причин. утра. Дж. Хам. Жене. 26, 400–411.

Академия Google

Linnen, C.R., Poh, Y.-P., Peterson, B.K., Barrett, R.D.H., Larson, J.G., Jensen, J.D., et al. (2013). Адаптивная эволюция нескольких признаков посредством множественных мутаций в одном гене. Наука 339, 1312–1316. doi: 10.1126/science.1233213

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Luong, H.T.T., Chaplin, J., McRae, A.F., Medland, S.E., Willemsen, G., Nyholt, D.R., et al. (2011). Вариации BMPR1B, TGFRB1 и BMPR2 и контроль дизиготного двойникования. Двойной рез. Гум. Жене. Выключенный. Дж. Междунар. соц. Твин Стад. 14, 408–416. doi: 10.1375/twin.14.5.408

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

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

Академия Google

МакКаллум, Д. М., Кост, А., Ишер, Ф., Якобсен, М. Д., Оддс, Ф. К., и Санглард, Д. (2010). Генетическое исследование механизмов резистентности к азолам у Candida albicans и их проверка на мышиной модели диссеминированной инфекции. Антимикроб. Агенты Чемотер. 54, 1476–1483. doi: 10.1128/AAC.01645–1649

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Манске М., Миотто О., Кампино С., Оберн С., Альмагро-Гарсия Дж., Маслен Г. и др. (2012). Анализ разнообразия Plasmodium falciparum при естественных инфекциях методом глубокого секвенирования. Природа 487, 375–379. doi: 10.1038/nature11174

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Мартин А. и Оргогозо В. (2013b). Локусы повторной эволюции: каталог генетических очагов фенотипической изменчивости. Эволюция. Междунар. Дж. Оргн. Эвол. 67, 1235–1250. doi: 10.1111/evo.12081

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

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 с помощью ортологических фенотипов. Проц. Натл. акад. науч. США 107, 6544–6549. doi: 10.1073/pnas.0

0107

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Мери, Ф., Белай, А.Т., Со, А.К.-С., Соколовский, М.Б., и Кавецкий, Т.Дж. (2007). Природный полиморфизм, влияющий на обучение и память у Drosophila . Проц. Натл. акад. науч. США 104, 13051–13055.doi: 10.1073/pnas.0702

4

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Натараджан С., Иногути 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

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

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

Академия Google

Осборн, К. А., Робишон, А., Берджесс, Э., Батланд, С., Шоу, Р. А., Култхард, А., и соавт. (1997). Естественный полиморфизм поведения, обусловленный цГМФ-зависимой протеинкиназой Drosophila . Наука 277, 834–836. doi: 10.1126/наука.277.5327.834

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ояма, С. (2000). Онтогенез информации: системы развития и эволюция , 2-е изд.Кембридж, Нью-Йорк: Издательство Университета Дьюка. дои: 10.1215/9780822380665

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Перуц, М.Ф. (1983).Видовая адаптация в белковой молекуле. Мол. биол. Эвол. 1, 1–28.

Академия Google

Покорна, М., и Кратохвил, Л. (2009). Филогения механизмов определения пола у чешуйчатых рептилий: половые хромосомы — эволюционная ловушка? Зоол. Дж. Линн. соц. 156, 168–183. doi: 10.1111/j.1096-3642.2008.00481.x

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Рокман, М. В. (2012). Программа QTN и аллели, имеющие значение для эволюции: все золото не блестит. Эволюция. Междунар. Дж. Оргн. Эвол. 66, 1–17. doi: 10.1111/j.1558-5646.2011.01486.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Роджерс, В. А., Саломоне, Дж. Р., Тейси, Д. Дж., Камино, Э. М., Дэвис, К. А., Ребейс, М., и соавт. (2013). Рекуррентная модификация консервативного цис-регуляторного элемента лежит в основе разнообразия пигментации плодовых мушек. PLoS Genet 9:e1003740. doi: 10.1371/journal.pgen.1003740

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ромеро-Эррера, А.E., Lehmann, H., Joysey, K.A., и Friday, A.E. (1978). Об эволюции миоглобина. Филос. Транс. Р. Соц. Лонд. Б. биол. науч. 283, 61–163. doi: 10.1098/rstb.1978.0018

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Саркар, С. (1999). От нормы реакции к норме адаптации: норма реакции, 1909–1960 гг. Биол. Филос. 14, 235–252. дои: 10.1023/A:10066

648

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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 (Cambridge, NY: Cambridge University Press), 26–39. . дои: 10.1017/CBO9780511527296.004

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

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

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

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

Академия Google

Steiner, C.C., Weber, JN, and Hoekstra, H.E. (2007). Адаптивная вариация у пляжных мышей, вызванная двумя взаимодействующими генами пигментации. PLoS Биол. 5:e219.doi: 10.1371/journal.pbio.0050219

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Стерн, Д.Л. (2000). Эволюционная биология развития и проблема изменчивости. Эволюция. Междунар. Дж. Оргн. Эвол. 54, 1079–1091. doi: 10.1111/j.0014-3820.2000.tb00544.x

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Стоц, К. (2012). Убийство на экспрессе развития: кто убил природу/воспитание? Биол . Филос. 27, 919–929.doi: 10.1007/s10539-012-9343-1

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Стертевант, А. Х. (1932). Использование мозаики в изучении влияния генов на развитие. Проц. Шестой межд. конгр. Жене. Итака, штат Нью-Йорк, 1, 304–307.

Саппл, М., Папа, Р., Контрман, Б., и Макмиллан, В. О. (2014). Геномика адаптивного излучения: понимание континуума видообразования геликониуса. Доп. Эксп. Мед. Биол . 781, 249–271. дои: 10.1007/978-94-007-7347-9_13

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Таутц, Д.и Шмид, К. Дж. (1998). От генов к индивидуумам: гены развития и формирование фенотипа. Филос. Транс. Р. Соц. Лонд. Б. биол. науч. 353, 231–240. doi: 10.1098/rstb.1998.0205

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Венкатеш, Б., Лу, С.К., Дандона, Н., См., С.Л., Бреннер, С., и Сунг, Т.В. (2005). Генетическая основа устойчивости к тетродотоксину у иглобрюхов. Курс. биол. 15, 2069–2072. doi: 10.1016/j.cub.2005.10.068

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Waddington, CH (1957). Стратегия генов, 2014 Эдн Репринт. Лондон: Рутледж.

Академия Google

Вагнер, Г. П. (1996). Гомологи, природные виды и эволюция модульности. утра. Зоол. 36, 36–43. doi: 10.1093/icb/36.1.36

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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

Академия Google

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

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Wang, J., Wurm, Y., Nipitwattanaphon, M., Riba-Grognuz, O., Huang, Y.-C., Shoemaker, D., et al. (2013). Y-подобная социальная хромосома вызывает альтернативную организацию колонии у огненных муравьев. Природа 493, 664–668.doi: 10.1038/nature11832

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Уотерс, CK (2007). Причины, которые имеют значение. Дж. Филос. 104, 551–579.

Академия Google

Велтер, Д., Макартур, Дж., Моралес, Дж., Бердетт, Т., Холл, П., Джанкинс, Х., и др. (2014). Каталог NHGRI GWAS, курируемый ресурс ассоциаций SNP-признаков. Рез. нуклеиновых кислот. 42, Д1001–Д1006. doi: 10.1093/nar/gkt1229

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

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

Академия Google

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

Академия Google

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

Академия Google

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

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Связь между генотипом и фенотипом — Science Learning Hub

Какую роль играют гены в развитии? Как ваш генотип влияет на ваш фенотип? Или, точнее, как гены работают вместе, чтобы произвести РНК, которая кодирует белки, из которых состоят ваши клетки, ткани и органы, что приводит к вашему фенотипу (физическому выражению ваших генов)?

Этот вопрос интересует профессора Питера Дирдена, директора отдела генетики Отаго, который считает его одним из самых важных вопросов в биологии.

Фенотип и генотип

Генотип организма определяется как сумма всех его генов. Фенотип организма — это наблюдаемые физические или биохимические характеристики организма, определяемые как генетическими особенностями, так и влиянием окружающей среды.

Проект «Геном человека» повысил значимость исследований генома – в настоящее время секвенированы геномы более 1000 организмов. Это дало много информации о генах и геномах и позволило исследовать связь между генотипом и фенотипом.

Исследователи обнаружили, что между геномами разных организмов больше сходства, чем различий, и что многие фенотипические различия между организмами обусловлены различиями в том, как их гены включаются и выключаются, а не тем, какие гены у них есть .

Использование моделей насекомых

Эволюция и развитие являются особыми темами исследований, проводимых Питером и его коллегами. Текущая работа сосредоточена на изучении того, как процессы, происходящие во время развития организма, меняются в эволюционных масштабах времени, чтобы дать разные формы одного и того же организма.Одним из ключевых аспектов этого исследования является изучение того, как генотип организма приводит к определенному фенотипу.

Для проведения этого исследования Питер и его коллеги работают с рядом модельных организмов, включая медоносных пчел ( Apis mellifera ) и плодовых мушек ( Drosophila melanogaster ).

Природа науки

Животные и клеточные модели часто необходимы для изучения сложности человеческого развития и генетики. Биологические пути между моделями животных и людьми не идентичны, но открытия, сделанные с использованием модельного организма, часто позволяют ученым лучше понять развитие человека и болезни.Конкретное направление научного исследования будет информировать модель животного, которую выберет ученый.

Включение и выключение генов

Подход Питера к пониманию роли генов в процессе развития включает в себя включение и выключение генов, чтобы увидеть, как это влияет на фенотип. Тем не менее, этот тип исследования очень сложен!

В 20 -м веке D. melanogaster был популярной моделью насекомых для генетических исследовательских проектов. Включение или выключение гена у плодовой мушки — это хорошо отработанный метод, который позволяет ученым определить роль гена в развитии организма.Когда ген отключается химическими или физическими средствами, продукт его гена (белок) не производится, и можно увидеть влияние отсутствия этого белка на развитие. Однако включить или выключить ген в эмбрионе пчелы сложнее.

Недавняя работа Питера была сосредоточена на разработке лабораторных методов отключения генов у медоносных пчел. Модифицируя технику, называемую РНК-интерференцией, они открыли способ отключения генов у эмбриона медоносной пчелы. Теперь они могут перейти к новому этапу исследований, где они могут манипулировать отдельными генами и смотреть, что происходит.Это позволит им сравнить роли, которые разные гены играют в развитии плодовой мушки по сравнению с медоносной пчелой.

Один и тот же ген, другой результат

Питер и его коллеги обнаружили, что D. melanogaster и A. mellifera имеют почти одинаковые гены, но во многих случаях их работа совершенно различна. Например, у обоих видов есть ген, называемый каудальным. У D. melanogaster включается ген, называемый гигантским, а у A.mellifera , выключается гигант. Его роль эволюционировала от включения гена до выключения гена.

Это не уникальная находка сама по себе. Их исследования показывают, что эволюционирует то, как гены влияют друг на друга, а не сами гены. Хотя это исследование все еще развивается, Питер надеется, что их работа внесет значительный вклад в текущее понимание развития и эволюции.

Посмотрите видеоклип ниже, в котором лауреат Нобелевской премии сэр Пол Нерс обсуждает влияние проекта «Геном человека» на научные исследования.

Изучение экспрессии и функций генов — молекулярная биология клетки

В конечном счете, нужно определить, как гены и белки, которые они кодируют, функционируют в интактном организме. Хотя это может показаться нелогичным, один из самых прямых способов узнать, что делает ген, — это посмотреть, что происходит с организмом, когда этот ген отсутствует. Изучение мутантных организмов, которые приобрели изменения или делеции в своих нуклеотидных последовательностях, является проверенной временем практикой в ​​биологии.Поскольку мутации могут прерывать клеточные процессы, мутанты часто являются ключом к пониманию функции генов. При классическом подходе к важной области генетики начинают с выделения мутантов, имеющих интересный или необычный внешний вид: например, дрозофилы с белыми глазами или завитыми крыльями. Работая в обратном направлении от фенотипа — внешности или поведения особи — затем определяют генотип организма, форму гена, ответственного за эту характеристику (рис. 8-1).

Сегодня, когда многочисленные геномные проекты ежедневно добавляют в общедоступные базы данных десятки тысяч последовательностей нуклеотидов, исследование функции генов часто начинается с последовательности ДНК. Здесь задача состоит в том, чтобы перевести последовательность в функцию. Один из подходов, обсуждавшийся ранее в этой главе, заключается в поиске в базах данных хорошо охарактеризованных белков, которые имеют сходную аминокислотную последовательность с белком, кодируемым новым геном, и на этой основе использовать некоторые из методов, описанных в предыдущем разделе, для изучения структуры гена. функционировать дальше.Но для непосредственного решения проблемы функционирования гена в клетке или организме наиболее эффективным подходом является изучение мутантов, у которых либо отсутствует ген, либо экспрессируется его измененная версия. Определение того, какие клеточные процессы были нарушены или скомпрометированы у таких мутантов, часто дает представление о биологической роли гена.

В этом разделе мы описываем несколько различных подходов к определению функции гена, начиная с последовательности ДНК или организма с интересным фенотипом.Мы начнем с классического генетического подхода к изучению генов и функций генов. Эти исследования начинаются с генетического скрининга для выделения представляющих интерес мутантов, а затем переходят к идентификации гена или генов, ответственных за наблюдаемый фенотип. Затем мы рассмотрим набор методов, подпадающих под определение обратной генетики , в которой начинают с гена или последовательности гена и пытаются определить его функцию. Этот подход часто включает некоторые разумные догадки — поиск гомологичных последовательностей и определение того, когда и где экспрессируется ген, — а также создание мутантных организмов и характеристику их фенотипа.

Классический подход начинается со случайного мутагенеза

До появления технологии клонирования генов большинство генов идентифицировали по процессам, нарушенным при мутации гена. Этот классический генетический подход — идентификация генов, ответственных за мутантные фенотипы, — легче всего осуществить в организмах, которые быстро размножаются и поддаются генетическим манипуляциям, таких как бактерии, дрожжи, черви-нематоды и плодовые мушки. Хотя спонтанные мутанты иногда могут быть обнаружены при исследовании очень больших популяций — тысяч или десятков тысяч отдельных организмов — процесс выделения мутантов можно сделать гораздо более эффективным, генерируя мутации с помощью агентов, повреждающих ДНК.Обрабатывая организмы мутагенами, можно быстро создать очень большое количество мутантов, а затем провести их скрининг на наличие интересующего конкретного дефекта, как мы скоро увидим.

Альтернативный подход к химическому или радиационному мутагенезу называется инсерционным мутагенезом . Этот метод основан на том факте, что экзогенная ДНК, случайно вставленная в геном, может вызывать мутации, если вставленный фрагмент прерывает ген или его регуляторные последовательности. Вставленная ДНК, последовательность которой известна, затем служит молекулярной меткой, помогающей в последующей идентификации и клонировании нарушенного гена (14).У Drosophila использование мобильного элемента P для инактивации генов произвело революцию в изучении функции генов у плодовой мушки. Мобильные элементы (см. Таблицу 5-3, стр. 287) также использовались для создания мутантов в бактериях, дрожжах и в цветковом растении Arabidopsis . Ретровирусы, которые копируют себя в геном хозяина (см. Ресурсы), использовались для разрушения генов у рыбок данио и мышей.

Рисунок 8-55

Вставочный мутант львиного зева, Antirrhinum. Мутация в одном гене, кодирующем регуляторный белок, вызывает развитие листовых побегов вместо цветов. Мутация позволяет клеткам приобретать характер, соответствующий другому (далее…)

Такие исследования хорошо подходят для анализа биологических процессов у червей и мух, но как мы можем изучать функции генов у людей? В отличие от организмов, которые мы обсуждали, люди не размножаются быстро, и их не обрабатывают намеренно мутагенами. Более того, любой человек с серьезным дефектом в таком важном процессе, как репликация ДНК, умрет задолго до рождения.

Есть два ответа на вопрос, как мы изучаем человеческие гены. Во-первых, поскольку гены и их функции сохранялись на протяжении всей эволюции, изучение менее сложных модельных организмов дает важную информацию о сходных генах и процессах у людей. Соответствующие гены человека можно затем дополнительно изучить в культивируемых клетках человека. Во-вторых, многие нелетальные мутации — например, тканеспецифические дефекты в лизосомах или рецепторах клеточной поверхности — возникают спонтанно в человеческой популяции.Анализ фенотипов пораженных людей вместе с исследованиями их культивируемых клеток предоставил множество уникальных сведений о важных функциях клеток человека. Хотя такие мутации редки, они очень эффективно обнаруживаются благодаря уникальному человеческому свойству: особи-мутанты привлекают к себе внимание, обращаясь за специальной медицинской помощью.

Генетический скрининг идентифицирует мутантов с дефицитом клеточных процессов

После создания коллекции мутантов в модельном организме, таком как дрожжи или мухи, обычно необходимо исследовать тысячи особей, чтобы найти интересующий измененный фенотип.Такой поиск называется генетическим скринингом. Поскольку получение мутации в интересующем гене зависит от вероятности того, что ген будет инактивирован или иным образом мутирован во время случайного мутагенеза, чем больше геном, тем меньше вероятность того, что какой-либо конкретный ген будет мутирован. Следовательно, чем сложнее организм, тем больше мутантов нужно исследовать, чтобы не потерять гены. Исследуемый фенотип может быть простым или сложным. Легче всего обнаружить простые фенотипы: например, метаболический дефицит, при котором организм больше не может расти в отсутствие определенной аминокислоты или питательного вещества.

Более сложные фенотипы, например мутации, вызывающие дефекты в обучении или памяти, могут потребовать более тщательного скрининга (). Но даже генетические скрининги, используемые для анализа сложных физиологических систем, должны быть как можно проще по конструкции и, по возможности, должны позволять одновременно исследовать большое количество мутантов. Например, один особенно элегантный экран был разработан для поиска генов, участвующих в зрительной обработке у рыбок данио. В основе этого экрана, отслеживающего реакцию рыб на движение, лежит изменение поведения.Рыбы дикого типа склонны плавать в направлении воспринимаемого движения, в то время как мутанты с дефектами зрительной системы плавают в случайных направлениях — поведение, которое легко обнаружить. Один мутант, обнаруженный в этом скрине, называется lakritz , у которого отсутствуют 80% ганглиозных клеток сетчатки, которые помогают передавать визуальные сигналы от глаза к мозгу. Поскольку клеточная организация сетчатки рыбок данио отражает клеточную организацию всех позвоночных, изучение таких мутантов также должно дать представление об обработке изображений у людей.

Рисунок 8-56

Скрининг может обнаруживать мутации, влияющие на поведение животного. (A) Дикий тип C. elegans участвует в социальном кормлении. Черви плавают, пока не встретят своих соседей и не начнут питаться. (B) Животные-мутанты питаются сами по себе. (Courtesy of Cornelia (подробнее…)

Поскольку дефекты в генах, которые необходимы для фундаментальных клеточных процессов — например, синтеза и процессинга РНК или контроля клеточного цикла — обычно смертельны, функции этих генов часто изучают при температуре -чувствительные мутанты.У этих мутантов белковый продукт мутантного гена нормально функционирует при средней температуре, но может быть инактивирован небольшим повышением или понижением температуры. Таким образом, аномалию можно включать и выключать экспериментально, просто изменяя температуру. Клетка, содержащая чувствительную к температуре мутацию в гене, необходимом для выживания при непермиссивной температуре, может, тем не менее, расти при нормальной или пермиссивной температуре. Ген, чувствительный к температуре, у таких мутантов обычно содержит точечную мутацию, вызывающую незначительные изменения в его белковом продукте.

Рисунок 8-57

Скрининг мутантов бактерий или дрожжей, чувствительных к температуре. Мутагенизированные клетки высевали при разрешающей температуре. Полученные колонии переносят на две идентичные чашки Петри методом посева реплик; одна из этих чашек инкубируется при (подробнее…)

Многие чувствительные к температуре мутанты были выделены в генах, кодирующих бактериальные белки, необходимые для репликации ДНК, путем скрининга популяций обработанных мутагеном бактерий на наличие клеток, которые перестают производить ДНК, когда они нагреваются от 30°C до 42°C.Позднее эти мутанты были использованы для идентификации и характеристики соответствующих белков репликации ДНК (обсуждается в главе 5). Чувствительные к температуре мутанты также позволили идентифицировать многие белки, участвующие в регуляции клеточного цикла и в перемещении белков по секреторному пути у дрожжей (см. панель 13-1). Связанные подходы к скринингу продемонстрировали функцию ферментов, участвующих в основных метаболических путях бактерий и дрожжей (обсуждается в главе 2), а также обнаружили многие генные продукты, ответственные за упорядоченное развитие эмбриона дрозофилы (обсуждается в главе 21).

Тест на комплементацию показывает, относятся ли две мутации к одному или к разным генам.

Крупномасштабный генетический скрининг может выявить много разных мутантов с одинаковым фенотипом. Эти дефекты могут быть связаны с разными генами, которые функционируют в одном и том же процессе, или они могут представлять собой разные мутации в одном и том же гене. Как же тогда мы можем сказать, происходят ли две мутации, приводящие к одному и тому же фенотипу, в одном и том же гене или в разных генах? Если мутации являются рецессивными — если, например, они представляют собой потерю функции определенного гена, — можно использовать тест на комплементацию, чтобы установить, относятся ли мутации к одному и тому же или к разным генам.В самом простом типе комплементарного теста особь, гомозиготная по одной мутации, то есть обладающая двумя идентичными аллелями рассматриваемого мутантного гена, спаривается с особью, гомозиготной по другой мутации. Если две мутации происходят в одном и том же гене, потомство демонстрирует мутантный фенотип, потому что у них по-прежнему не будет нормальных копий рассматриваемого гена (см. панель 8-1, стр. 526–527). Если, напротив, мутации приходятся на разные гены, в результате потомство будет иметь нормальный фенотип.Они сохраняют одну нормальную копию (и одну мутантную копию) каждого гена. Таким образом, мутации дополняют друг друга и восстанавливают нормальный фенотип. Тестирование комплементации мутантов, идентифицированных во время генетического скрининга, показало, например, что дрожжам требуется 5 генов для переваривания сахарной галактозы; что 20 генов необходимы для E. coli , чтобы построить функциональный жгутик; что 48 генов участвуют в сборке вирусных частиц бактериофага Т4; и что сотни генов участвуют в развитии взрослого червя-нематоды из оплодотворенной яйцеклетки.

После идентификации набора генов, участвующих в конкретном биологическом процессе, следующим шагом является определение порядка функционирования генов. Определение того, когда действует ген, может облегчить реконструкцию целых генетических или биохимических путей, и такие исследования сыграли центральную роль в нашем понимании метаболизма, передачи сигналов и многих других процессов развития и физиологических процессов. По сути, распутывание порядка, в котором функционируют гены, требует тщательной характеристики фенотипа, вызванного мутациями в каждом отдельном гене.Представьте, например, что мутации в нескольких генах вызывают остановку клеточного деления на раннем этапе развития эмбриона. Тщательное изучение каждого мутанта может выявить, что некоторые действуют очень рано, препятствуя делению оплодотворенной яйцеклетки на две клетки. Другие мутации могут способствовать раннему делению клеток, но препятствуют достижению эмбрионом стадии бластулы.

Чтобы проверить предсказания о порядке функционирования генов, можно создать организмы, мутантные по двум разным генам.Если эти мутации влияют на две разные стадии одного и того же процесса, то такие двойные мутанты должны иметь фенотип, идентичный фенотипу мутации, которая действует на самом раннем пути. Например, таким образом был расшифрован путь секреции белка у дрожжей. Различные мутации в этом пути вызывают аберрантное накопление белков в эндоплазматическом ретикулуме (ER) или в аппарате Гольджи. Когда клетка сконструирована так, чтобы содержать как мутацию, которая блокирует процессинг белка в ER , так и мутацию , которая блокирует процессинг в компартменте Гольджи, белки накапливаются в ER.Это указывает на то, что белки должны пройти через ЭПР, прежде чем попасть в аппарат Гольджи перед секрецией (12).

Рисунок 8-58

Использование генетики для определения порядка функционирования генов. В нормальных клетках белки загружаются в везикулы, которые сливаются с плазматической мембраной и секретируют свое содержимое во внеклеточную среду. В секреторном мутанте А белки накапливаются в (подробнее…)

Гены могут быть обнаружены с помощью анализа сцепления

Имея в руках мутанты, следующим шагом является идентификация гена или генов, которые, по-видимому, ответственны за измененный фенотип.Если для исходного мутагенеза использовался инсерционный мутагенез, локализация нарушенного гена довольно проста. Фрагменты ДНК, содержащие вставку (например, транспозон или ретровирус), собирают и амплифицируют, после чего определяют нуклеотидную последовательность фланкирующей ДНК. Эта последовательность затем используется для поиска в базе данных ДНК, чтобы идентифицировать ген, который был прерван вставкой мобильного элемента.

Если для создания мутантов использовалось химическое вещество, повреждающее ДНК, то идентификация инактивированного гена часто является более трудоемкой и может быть достигнута с помощью нескольких различных подходов.В одном из них первым шагом является определение того, где в геноме расположен ген. Чтобы нанести на карту недавно обнаруженный ген, сначала определяют его примерное хромосомное расположение путем оценки того, насколько далеко ген находится от других известных генов в геноме. Оценка расстояния между генетическими локусами обычно выполняется с помощью анализа сцепления — метода, основанного на том факте, что гены, расположенные рядом друг с другом в хромосоме, имеют тенденцию наследоваться вместе. Чем ближе гены, тем выше вероятность того, что они перейдут потомству в паре.Однако даже близко сцепленные гены могут быть разделены рекомбинацией во время мейоза. Чем больше расстояние между двумя генетическими локусами, тем выше вероятность того, что они будут разделены кроссовером (см. панель 8-1, стр. 526–527). Рассчитав частоту рекомбинации между двумя генами, можно определить приблизительное расстояние между ними.

Поскольку гены не всегда расположены достаточно близко друг к другу, чтобы можно было точно определить их положение, анализ сцепления часто опирается на физические маркеры вдоль генома для оценки местоположения неизвестного гена.Эти маркеры обычно представляют собой фрагменты нуклеотидов с известной последовательностью и расположением в геноме, которые могут существовать по крайней мере в двух аллельных формах. Однонуклеотидные полиморфизмы (SNP), например, представляют собой короткие последовательности, которые различаются на один или несколько нуклеотидов у разных людей в популяции. SNP могут быть обнаружены методами гибридизации. Многие такие физические маркеры, распределенные по всей длине хромосом, были собраны для различных организмов, в том числе более 10 6 для человека.Если распределение этих маркеров достаточно плотное, можно с помощью анализа сцепления, проверяющего тесную конаследственность одного или нескольких SNP с мутантным фенотипом, сузить потенциальное местоположение гена до хромосомной области, которая может содержать только несколько последовательности генов. Затем они считаются генами-кандидатами, и их структура и функция могут быть проверены напрямую, чтобы определить, какой ген отвечает за исходный мутантный фенотип.

Анализ сцепления можно использовать таким же образом для идентификации генов, ответственных за наследственные заболевания человека.Такие исследования требуют, чтобы образцы ДНК были собраны у большого числа семей, затронутых этим заболеванием. Эти образцы проверяются на наличие физических маркеров, таких как SNP, которые, по-видимому, тесно связаны с геном болезни — эти последовательности всегда будут наследоваться больными людьми, а не их здоровыми родственниками. Затем ген болезни располагается, как описано выше (). Так, например, были открыты гены муковисцидоза и болезни Гентингтона.

Рисунок 8-59

Генетический анализ сцепления с использованием физических маркеров в ДНК для поиска человеческого гена. В этом примере изучается конаследственность определенного человеческого фенотипа (здесь генетического заболевания) с SNP-маркером. Если люди, которые наследуют болезнь, почти всегда (подробнее…)

Поиск гомологии может помочь предсказать функцию гена

После идентификации гена его функцию часто можно предсказать, идентифицируя гомологичные гены, функции которых уже известны.Как мы обсуждали ранее, можно проводить поиск в базах данных, содержащих нуклеотидные последовательности различных организмов, включая полные последовательности геномов многих десятков микробов, C. elegans , A. thaliana , D. melanogaster и человека. для последовательностей, сходных с последовательностями неохарактеризованного гена-мишени.

При анализе недавно секвенированного генома такой поиск служит попыткой первого прохода присвоить функции как можно большему количеству генов, этот процесс называется аннотацией .Затем проводятся дальнейшие генетические и биохимические исследования, чтобы подтвердить, кодирует ли ген продукт с предсказанной функцией, как мы вскоре обсудим. Гомологический анализ не всегда раскрывает информацию о функции: в случае генома дрожжей 30% ранее не охарактеризованных генов можно было определить с помощью гомологического анализа предполагаемую функцию; у 10% были гомологи, функция которых также была неизвестна; и еще 30% не имели гомологов ни в одной из существующих баз данных. (Остальные 30% генов были идентифицированы до секвенирования генома дрожжей.)

В некоторых случаях поиск по гомологии обнаруживает ген в организме А, который продуцирует белок, который в другом организме сливается со вторым белком, продуцируемым независимым геном в организме А. Например, у дрожжей , два отдельных гена кодируют два белка, которые участвуют в синтезе триптофана; однако в E. coli эти два гена сливаются в один (). Знание того, что эти два белка у дрожжей соответствуют двум доменам в одном бактериальном белке, означает, что они, вероятно, функционально связаны и, вероятно, работают вместе в белковом комплексе.В более общем плане этот подход используется для установления функциональных связей между генами, которые у большинства организмов широко разнесены в геноме.

Рисунок 8-60

Слияние доменов выявляет отношения между функционально связанными генами. В этом примере функциональное взаимодействие генов 1 и 2 в организме А определяется слиянием гомологичных доменов в один ген (ген 3) в организме В.

Репортерные гены показывают, когда и где экспрессируется ген

Подсказки функции гена часто можно получить, изучив, когда и где ген экспрессируется в клетке или во всем организме.Определение характера и времени экспрессии гена можно осуществить, заменив кодирующую часть исследуемого гена репортерным геном. В большинстве случаев экспрессию репортерного гена затем отслеживают, отслеживая флуоресценцию или ферментативную активность его белкового продукта (стр. 518–519).

Как подробно обсуждалось в главе 7, экспрессия генов контролируется регуляторными последовательностями ДНК, расположенными выше или ниже кодирующей области, которые обычно не транскрибируются.Эти регуляторные последовательности, которые контролируют, какие клетки будут экспрессировать ген и при каких условиях, также могут управлять экспрессией репортерного гена. Просто заменяют кодирующую последовательность целевого гена последовательностью репортерного гена и вводят эти рекомбинантные молекулы ДНК в клетки. Уровень, время и клеточная специфичность продукции репортерного белка отражают действие регуляторных последовательностей, принадлежащих исходному гену (12).

Рисунок 8-61

Использование репортерного белка для определения характера экспрессии гена.(A) В этом примере последовательность, кодирующая белок X, заменена последовательностью, кодирующей белок Y. (B) Различные фрагменты ДНК, содержащие регуляторные последовательности-кандидаты, (подробнее…)

Несколько других методов, обсуждавшихся ранее, могут также можно использовать для определения паттерна экспрессии гена. Методы гибридизации, такие как Нозерн-анализ (см. ) и гибридизация in situ для обнаружения РНК (см. ), могут выявить, когда гены транскрибируются и в какой ткани, а также сколько мРНК они продуцируют.

Микрочипы Мониторинг экспрессии тысяч генов одновременно

До сих пор мы обсуждали методы, которые можно использовать для одновременного мониторинга экспрессии только одного гена. Многие из этих методов довольно трудоемки: создание конструкций репортерных генов или слияний GFP требует манипулирования ДНК и трансфекции клеток полученными рекомбинантными молекулами. Даже северные анализы ограничены количеством образцов, которые можно запустить на агарозном геле. Разработанные в 1990-х годах ДНК-микрочипы произвели революцию в том, как сейчас анализируется экспрессия генов, позволяя одновременно отслеживать РНК-продукты тысяч генов.Изучая экспрессию столь многих генов одновременно, мы теперь можем начать идентифицировать и изучать паттерны экспрессии генов, лежащие в основе клеточной физиологии: мы можем увидеть, какие гены включаются (или выключаются) по мере того, как клетки растут, делятся или реагируют на гормоны или гормоны. к токсинам.

ДНК-микрочипы представляют собой не более чем предметные стекла микроскопа, усеянные большим количеством фрагментов ДНК, каждый из которых содержит нуклеотидную последовательность, служащую зондом для определенного гена. Самые плотные массивы могут содержать десятки тысяч таких фрагментов на площади меньше почтовой марки, что позволяет параллельно проводить тысячи реакций гибридизации (1).Некоторые микрочипы генерируются из больших фрагментов ДНК, полученных с помощью ПЦР, а затем наносимых на предметные стекла роботом. Другие содержат короткие олигонуклеотиды, которые синтезируются на поверхности стеклянной пластины методами, аналогичными тем, которые используются для вытравливания схем на компьютерных чипах. В любом случае известна точная последовательность и положение каждого зонда на чипе. Таким образом, любой фрагмент нуклеотида, который гибридизуется с зондом на матрице, может быть идентифицирован как продукт определенного гена просто путем определения положения, с которым он связан.

Рисунок 8-62

Использование микрочипов ДНК для одновременного мониторинга экспрессии тысяч генов. Для подготовки микроматрицы фрагменты ДНК, каждый из которых соответствует определенному гену, наносятся роботом на предметное стекло. Подготовленные массивы также доступны в продаже. (подробнее…)

Чтобы использовать ДНК-микрочип для мониторинга экспрессии генов, мРНК из исследуемых клеток сначала выделяют и превращают в кДНК (см. ). Затем кДНК метят флуоресцентным зондом. Микроматрицу инкубируют с этим меченым образцом кДНК и дают возможность произойти гибридизации (см. ).Затем массив промывают для удаления кДНК, которая не является прочно связанной, и положения в микрочипе, с которыми связаны меченые фрагменты ДНК, идентифицируют с помощью автоматизированного сканирующего лазерного микроскопа. Затем позиции массива сопоставляются с конкретным геном, образец ДНК которого был обнаружен в этом месте.

Обычно флуоресцентную ДНК из экспериментальных образцов (помеченную, например, красным флуоресцентным красителем) смешивают с эталонным образцом фрагментов кДНК, помеченных флуоресцентным красителем другого цвета (например, зеленым).Таким образом, если количество РНК, экспрессируемой из определенного гена в представляющих интерес клетках, увеличивается по сравнению с эталонным образцом, результирующее пятно становится красным. И наоборот, если экспрессия гена снижена по сравнению с эталонным образцом, пятно становится зеленым. Используя такую ​​внутреннюю ссылку, профили экспрессии генов могут быть сведены в таблицу с большой точностью.

До сих пор ДНК-микрочипы использовались для изучения всего: от изменений в экспрессии генов, заставляющих клубнику созревать, до «признаков» экспрессии генов различных типов раковых клеток человека (см. Ресурсы).Массивы, содержащие зонды, представляющие все 6000 генов дрожжей, использовались для мониторинга изменений, происходящих в экспрессии генов по мере перехода дрожжей от ферментации глюкозы к росту на этаноле; как они реагируют на внезапный переход к теплу или холоду; и как они проходят через разные стадии клеточного цикла. Первое исследование показало, что по мере того, как дрожжи израсходовали последнюю глюкозу в своей среде, характер экспрессии их генов заметно меняется: почти 900 генов транскрибируются более активно, а активность других 1200 снижается.Около половины этих генов не имеют известной функции, хотя это исследование предполагает, что они каким-то образом участвуют в метаболическом перепрограммировании, которое происходит, когда дрожжевые клетки переключаются с ферментации на дыхание.

Всесторонние исследования экспрессии генов также предоставляют дополнительный уровень информации, который полезен для прогнозирования функции генов. Ранее мы обсуждали, как идентификация партнеров по взаимодействию с белком может дать ключ к пониманию функции этого белка. Аналогичный принцип справедлив и для генов: информацию о функции гена можно вывести, идентифицируя гены, которые разделяют его паттерн экспрессии.Используя технику, называемую кластерным анализом , можно идентифицировать наборы генов, которые координированно регулируются. Гены, которые одновременно включаются или выключаются при различных обстоятельствах, могут работать в клетке согласованно: они могут кодировать белки, являющиеся частью одной и той же мультипротеиновой машины, или белки, участвующие в сложной скоординированной деятельности, такой как ДНК. репликации или сплайсинга РНК. Характеристика функции неизвестного гена путем группирования его с известными генами, которые разделяют его транскрипционное поведение, иногда называют «виной по ассоциации».Кластерный анализ применялся для анализа профилей экспрессии генов, лежащих в основе многих интересных биологических процессов, в том числе заживления ран у человека ().

Рисунок 8-63

Использование кластерного анализа для выявления наборов генов, которые координированно регулируются. Гены, принадлежащие к одному и тому же кластеру, могут быть вовлечены в общие клеточные пути или процессы. Для проведения кластерного анализа данные микрочипов получают из образцов клеток (подробнее…)

Целевые мутации могут раскрыть функцию гена

Хотя в быстро размножающихся организмах часто нетрудно получить мутанты, дефектные в определенном процессе, таких как репликация ДНК или развитие глаза, может потребоваться много времени, чтобы отследить дефект до определенного измененного белка.В последнее время технология рекомбинантной ДНК и бурное развитие секвенирования генома сделали возможным другой тип генетического подхода. Вместо того, чтобы начинать со случайно сгенерированного мутанта и использовать его для идентификации гена и его белка, можно начать с конкретного гена и приступить к его мутациям, создавая мутантные клетки или организмы, чтобы проанализировать функцию гена. Поскольку новый подход меняет традиционное направление генетических открытий — от генов и белков к мутантам, а не наоборот, — его обычно называют обратной генетикой.

Обратная генетика начинается с клонированного гена, белка с интересными свойствами, выделенного из клетки, или просто последовательности генома. Если отправной точкой является белок, то сначала идентифицируют кодирующий его ген и, при необходимости, определяют его нуклеотидную последовательность. Затем последовательность гена может быть изменена in vitro для создания мутантной версии. Этот сконструированный мутантный ген вместе с соответствующей регуляторной областью переносится в клетку. Внутри клетки он может интегрироваться в хромосому, становясь постоянной частью генома клетки.Все потомки модифицированной клетки теперь будут содержать мутантный ген.

Если исходной клеткой, используемой для переноса гена, является оплодотворенная яйцеклетка, могут быть получены целые многоклеточные организмы, содержащие мутантный ген, при условии, что мутация не вызывает летального исхода. У некоторых из этих животных измененный ген будет включен в зародышевые клетки — мутация зародышевой линии — что позволит передать мутантный ген их потомству.

Генетические преобразования такого рода в настоящее время регулярно проводятся с такими сложными организмами, как плодовые мушки и млекопитающие.Технически даже люди теперь могут быть преобразованы таким образом, хотя такие процедуры не предпринимаются даже в терапевтических целях из-за опасения непредсказуемых аберраций, которые могут возникнуть у таких людей.

Ранее в этой главе мы обсуждали другие подходы к обнаружению функции гена, включая поиск гомологичных генов в других организмах и определение того, когда и где экспрессируется ген. Этот тип информации особенно полезен для предположения, какие фенотипы следует искать в мутантных организмах.Например, ген, который экспрессируется только во взрослой печени, может играть роль в деградации токсинов, но вряд ли влияет на развитие глаза. Все эти подходы можно использовать либо для изучения отдельных генов, либо для проведения крупномасштабного анализа функции каждого гена в организме — это развивающаяся область, известная как функциональная геномика .

Клетки и животные, содержащие мутированные гены, могут быть изготовлены на заказ

Мы видели, что поиск гомологичных генов и анализ паттернов экспрессии генов могут дать представление о функции генов, но они не раскрывают, что именно ген делает внутри клетки.Генетика предлагает мощное решение этой проблемы, потому что мутанты, у которых отсутствует конкретный ген, могут быстро выявить функцию белка, который он кодирует. Как мы увидим, методы генной инженерии позволяют специально производить такие нокауты генов. Однако можно также получить мутантов, которые экспрессируют ген на аномально высоких уровнях (сверхэкспрессия), в неправильной ткани или в неподходящее время (неправильная экспрессия) или в слегка измененной форме, проявляющей доминантный фенотип. Чтобы облегчить такие исследования функции генов, можно сконструировать кодирующую последовательность гена и его регуляторные области для изменения функциональных свойств белкового продукта, количества производимого белка или конкретного типа клеток, в которых производится белок.

Измененные гены вводятся в клетки различными способами, некоторые из которых подробно описаны в главе 9. ДНК можно вводить в клетки млекопитающих с помощью стеклянной микропипетки или вводить с помощью вируса, созданного для переноса чужеродных генов. В клетки растений гены часто вводятся с помощью метода, называемого бомбардировкой частицами: образцы ДНК наносятся на крошечные золотые шарики, а затем буквально выстреливаются сквозь клеточную стенку из специально модифицированного пистолета. Электропорация является методом выбора для введения ДНК в бактерии и некоторые другие клетки.В этом методе кратковременный электрический удар временно делает клеточную мембрану проницаемой, позволяя чужеродной ДНК проникнуть в цитоплазму.

Теперь мы рассмотрим, как изучение таких мутантных клеток и организмов позволяет анализировать биологические пути.

Нормальный ген в клетке может быть непосредственно заменен сконструированным мутантным геном в бактериях и некоторых низших эукариотах

В отличие от высших эукариот (которые являются многоклеточными и диплоидными), бактерии, дрожжи и клеточные слизевики Dictyostelium обычно существуют как гаплоидные одиночные клетки.В этих организмах искусственно введенная молекула ДНК, несущая мутантный ген, может с относительно высокой частотой заменить единственную копию нормального гена путем гомологичной рекомбинации (см. стр. 276), так что легко получить клетки, в которых мутантный ген заменил нормальный ген (). Таким образом, клетки могут быть созданы для производства измененной формы любого конкретного белка или молекулы РНК вместо нормальной формы молекулы. Если мутантный ген полностью неактивен, а продукт гена в норме выполняет важную функцию, клетка погибает; но в этом случае менее сильно мутировавшая версия гена может быть использована для замены нормального гена, так что мутантная клетка выживает, но является аномальной в процессе, для которого требуется ген.Часто предпочтительным мутантом является мутант, продуцирующий чувствительный к температуре генный продукт, который нормально функционирует при одной температуре, но инактивируется, когда клетки перемещаются в более высокую или более низкую температуру.

Рисунок 8-64

Замена гена, нокаут гена и добавление гена. Нормальный ген может быть изменен несколькими способами в генно-инженерном организме. (A) Нормальный ген (зеленый) может быть полностью заменен мутантной копией гена (красный) , этот процесс называется заменой гена.(подробнее…)

Возможность осуществлять прямую замену генов у низших эукариот в сочетании с возможностями стандартного генетического анализа этих гаплоидных организмов в значительной степени объясняет, почему исследования этих типов клеток так важны для разработки детали тех процессов, которые являются общими для всех эукариот. Как мы увидим, замены генов возможны, но более трудны для осуществления у высших эукариот по причинам, которые до конца не понятны.

Сконструированные гены можно использовать для создания специфических доминантных негативных мутаций в диплоидных организмах

Высшие эукариоты, такие как млекопитающие, дрозофилы или черви, являются диплоидными и поэтому имеют две копии каждой хромосомы.Более того, трансфекция измененным геном обычно приводит к добавлению гена, а не к замещению гена: измененный ген вставляется в случайное место в геноме, так что клетка (или организм) в конечном итоге получает мутировавший ген в дополнение к своему нормальному гену. копии.

Поскольку в высших эукариотических клетках добавить ген гораздо проще, чем заменить ген, полезно создавать специфические доминантно-негативные мутации, при которых мутантный ген устраняет активность своих нормальных аналогов в клетке.Один оригинальный подход использует специфичность реакций гибридизации между двумя комплементарными цепями нуклеиновых кислот. Обычно только одна из двух цепей ДНК в данной части двойной спирали транскрибируется в РНК, и это всегда одна и та же цепочка для данного гена (см. Ресурсы). Если клонированный ген сконструировать таким образом, чтобы вместо него транскрибировалась противоположная цепь ДНК, он будет продуцировать антисмысловые молекулы РНК, последовательность которых комплементарна нормальным транскриптам РНК. Такая антисмысловая РНК при синтезе в достаточно больших количествах часто может гибридизоваться со «смысловой» РНК, продуцируемой нормальными генами, и тем самым ингибировать синтез соответствующего белка ().Родственный метод включает химический или ферментативный синтез коротких молекул антисмысловой нуклеиновой кислоты, а затем их инъекцию (или иную доставку) в клетки, снова блокируя (хотя и только временно) производство соответствующего белка. Чтобы избежать деградации введенной нуклеиновой кислоты, вместо обычной РНК часто используют стабильный синтетический аналог РНК, называемый морфолино-РНК.

Рисунок 8-65

Стратегия антисмысловой РНК для создания доминантно-негативных мутаций.Мутантные гены, которые были сконструированы для производства антисмысловой РНК, комплементарной по последовательности РНК, вырабатываемой нормальным геном X, могут вызывать образование двухцепочечной РНК внутри (подробнее…)

По мере того, как исследователи продолжали изучать антисмысловые РНК, они сделали интересное открытие. Антисмысловая нить РНК может блокировать экспрессию гена, но препарат двухцепочечной РНК (дцРНК), содержащий как смысловую, так и антисмысловую цепи гена-мишени, еще более эффективно ингибирует активность генов-мишеней (см. ).Это явление, получившее название РНК-интерференции (РНКи), , в настоящее время используется для изучения функции генов у нескольких организмов.

Метод РНК-интерференции широко использовался для изучения функции генов у нематод C. elegans . При работе с червями введение дцРНК достаточно просто: РНК можно вводить непосредственно в кишечник животного, либо червя можно скармливать E. coli , экспрессирующим целевой ген дцРНК (). РНК распределяется по всему телу червя и, как обнаружено, ингибирует экспрессию гена-мишени в различных типах тканей.Кроме того, как объяснено в , интерференция часто наследуется потомством животного, которому была сделана инъекция. Поскольку весь геном C. elegans был секвенирован, РНКи используется для помощи в назначении функций всему набору генов червей. В одном исследовании исследователи смогли подавить 96% из примерно 2300 предсказанных генов на C. elegans хромосомы III. Таким образом, они идентифицировали 133 гена, участвующих в делении клеток у эмбрионов C. elegans ().Из них только 11 функция была ранее приписана прямым экспериментом.

Рисунок 8-66

Доминантные негативные мутации, созданные интерференцией РНК. (A) Двухцепочечная РНК (дцРНК) может быть введена в C. elegans (1) путем кормления червей E. coli , экспрессирующих дцРНК, или (2) путем инъекции дцРНК непосредственно в кишечник. (B) Эмбрион червя дикого типа. (подробнее…)

По неизвестным причинам РНК-интерференция не эффективно инактивирует все гены.И интерференция иногда может подавлять активность целевого гена в одной ткани, но не в другой. Альтернативный способ получения доминантно-негативной мутации использует тот факт, что большинство белков функционируют как часть более крупного белкового комплекса. Такие комплексы часто можно инактивировать включением всего одного нефункционального компонента. Таким образом, сконструировав ген, продуцирующий большое количество мутантного белка, который является неактивным, но все еще способным собираться в комплекс, часто можно получить клетку, в которой все комплексы инактивированы, несмотря на присутствие нормального белка. .

Рисунок 8-67

Доминантный негативный эффект белка. Здесь ген создается для производства мутантного белка, который не позволяет нормальным копиям того же белка выполнять свою функцию. В этом простом примере нормальный белок должен образовывать мультисубъединичный комплекс (подробнее…)

Если белок необходим для выживания клетки (или организма), доминантно-негативный мутант погибает, что делает невозможным тестирование функцию белка. Чтобы избежать этой проблемы, можно соединить мутантный ген с контрольными последовательностями, которые были сконструированы так, чтобы производить продукт гена только по команде, например, в ответ на повышение температуры или присутствие специфической сигнальной молекулы.Клетки или организмы, содержащие такой доминантный мутантный ген под контролем индуцируемого промотора , могут быть лишены определенного белка в определенное время, и затем можно проследить эффект. Индуцибельные промоторы также позволяют включать и выключать гены в определенных тканях, что позволяет исследовать эффект мутантного гена в выбранных частях организма. В будущем методы получения доминантно-негативных мутаций для инактивации определенных генов, вероятно, будут широко использоваться для определения функций белков в высших организмах.

Мутации с усилением функции дают представление о роли, которую гены играют в клетке или организме

Таким же образом можно сконструировать клетки для экспрессии доминантно-негативной версии белка, что приводит к фенотипу потери функции , они также могут быть сконструированы для отображения нового фенотипа посредством мутации с приобретением функции . Такие мутации могут придавать новую активность конкретному белку или вызывать экспрессию белка с нормальной активностью в неподходящее время или в неподходящей ткани животного.Независимо от механизма, мутации с приобретением функции могут привести к появлению нового фенотипа в клетке, ткани или организме.

Часто мутанты с приобретением функции генерируются путем экспрессии гена на гораздо более высоком уровне, чем обычно, в клетках. Такая сверхэкспрессия может быть достигнута путем присоединения гена к мощной промоторной последовательности и помещения его на многокопийную плазмиду или интеграции его в нескольких копиях в геном. В любом случае ген присутствует во многих копиях, и каждая копия направляет транскрипцию необычно большого количества молекул мРНК.Хотя эффект, который такая сверхэкспрессия оказывает на фенотип организма, следует интерпретировать с осторожностью, этот подход позволил получить бесценную информацию об активности многих генов. В альтернативном типе мутации с приобретением функции мутантный белок вырабатывается в нормальных количествах, но гораздо более активен, чем его нормальный аналог. Такие белки часто обнаруживаются в опухолях, и их использовали для изучения путей передачи сигналов в клетках (обсуждается в главе 15).

Гены также могут быть экспрессированы в организме в неподходящее время или в неподходящем месте — часто с поразительными результатами ().Такая неправильная экспрессия чаще всего достигается путем реинжиниринга самих генов, тем самым снабжая их регуляторными последовательностями, необходимыми для изменения их экспрессии.

Рисунок 8-68

Эктопическая неправильная экспрессия Wnt, сигнального белка, влияющего на развитие оси тела у раннего эмбриона Xenopus . В этом эксперименте мРНК, кодирующую Wnt, вводили в вентральный вегетативный бластомер, индуцируя вторую ось тела (обсуждается в (подробнее…)

Гены могут быть переработаны для производства белков любой желаемой последовательности

При изучении действия гена и белка, который он кодирует, не всегда хочется вносить радикальные изменения — заливать клетки огромным количеством гиперактивного белка или полностью устранять продукт гена.Иногда полезно внести небольшие изменения в структуру белка, чтобы можно было начать анализировать, какие части белка важны для его функции. Например, активность фермента можно изучить, заменив одну аминокислоту в его активном центре. Для изменения генов и их белковых продуктов такими тонкими способами требуются специальные методы. Первым шагом часто является химический синтез короткой молекулы ДНК, содержащей желаемую измененную часть нуклеотидной последовательности гена.Этот синтетический ДНК-олигонуклеотид гибридизуется с одноцепочечной плазмидной ДНК, содержащей изменяемую последовательность ДНК, с использованием условий, которые позволяют несовершенно согласованным цепям ДНК спариваться (). Синтетический олигонуклеотид теперь будет служить праймером для синтеза ДНК с помощью ДНК-полимеразы, тем самым создавая двойную спираль ДНК, которая включает измененную последовательность в одну из двух ее цепей. После трансфекции получают плазмиды, несущие полностью модифицированную последовательность гена. Затем соответствующую ДНК встраивают в вектор экспрессии, чтобы реконструированный белок можно было продуцировать в соответствующем типе клеток для детального изучения его функции.Изменяя таким образом выбранные аминокислоты в белке — метод, называемый сайт-направленным мутагенезом, — можно точно определить, какие части полипептидной цепи важны для таких процессов, как фолдинг белка, взаимодействие с другими белками и ферментативный катализ.

Рисунок 8-69

Использование синтетического олигонуклеотида для модификации области гена, кодирующей белок, путем сайт-направленного мутагенеза. (A) Рекомбинантная плазмида, содержащая вставку гена, разделена на две нити ДНК.Синтетический олигонуклеотидный праймер, соответствующий (подробнее…)

Сконструированные гены можно легко встроить в зародышевую линию многих животных

нормальный ген с измененным, чтобы можно было проанализировать функцию мутантного белка в отсутствие нормального белка. Как обсуждалось выше, это может быть легко достигнуто у некоторых гаплоидных одноклеточных организмов. В следующем разделе мы увидим, что были разработаны гораздо более сложные процедуры, позволяющие проводить замены генов такого типа у мышей.Однако чужеродная ДНК может быть довольно легко интегрирована в случайные положения геномов многих животных. У млекопитающих, например, линейные фрагменты ДНК, введенные в клетки, быстро лигируются встык под действием внутриклеточных ферментов с образованием длинных тандемных массивов, которые обычно интегрируются в хромосому в явно случайном месте. В этом отношении оплодотворенные яйца млекопитающих ведут себя как другие клетки млекопитающих. Яйцеклетка мыши, которой инъецировали 200 копий линейной молекулы ДНК, часто развивается в мышь, содержащую во многих своих клетках тандемный набор копий инъецированного гена, интегрированного в одном случайном месте одной из ее хромосом.Если модифицированная хромосома присутствует в клетках зародышевой линии (яйцеклетки или сперматозоиды), мышь передаст эти чужеродные гены своему потомству.

Животные, подвергшиеся перманентной реинжинирингу путем вставки гена, делеции гена или замены гена, называются трансгенными организмами, а любые добавленные чужеродные или модифицированные гены называются трансгенами . Когда нормальный ген остается, в фенотипическом анализе будут проявляться только доминирующие эффекты изменения. Тем не менее, трансгенные животные со вставленными генами предоставили важную информацию о том, как регулируются гены млекопитающих и как определенные измененные гены (называемые онкогенами) вызывают рак.

Также возможно получение трансгенных плодовых мушек, у которых отдельные копии гена вставляются случайным образом в геном дрозофилы . В этом случае фрагмент ДНК сначала вставляется между двумя концевыми последовательностями транспозона дрозофилы , называемого Р-элементом. Концевые последовательности позволяют P-элементу интегрироваться в хромосомы Drosophila , когда также присутствует фермент транспозаза P-элемента (см. стр. 288). Таким образом, для получения трансгенных плодовых мушек соответствующим образом модифицированный фрагмент ДНК вводят в очень молодой эмбрион плодовой мушки вместе с отдельной плазмидой, содержащей ген, кодирующий транспозазу.Когда это делается, инъецированный ген часто входит в зародышевую линию в единственной копии в результате события транспозиции.

Нацеливание на гены делает возможным получение трансгенных мышей, у которых отсутствуют определенные гены

Если молекула ДНК, несущая мутировавший ген мыши, переносится в клетку мыши, она обычно вставляется в хромосомы случайным образом, но примерно один раз из тысячи , он заменяет одну из двух копий нормального гена путем гомологичной рекомбинации. Используя эти редкие события «нацеливания на гены», любой конкретный ген может быть изменен или инактивирован в клетке мыши путем прямой замены гена.В особом случае, когда интересующий ген инактивирован, полученное животное называют «нокаутной» мышью.

Методика работает следующим образом: на первом этапе фрагмент ДНК, содержащий желаемый мутантный ген (или фрагмент ДНК, предназначенный для прерывания гена-мишени), встраивается в вектор, а затем вводится в особую линию эмбриональных мышей. стволовые клетки, называемые эмбриональными стволовыми клетками или клетками ЭС, которые растут в клеточной культуре и способны продуцировать клетки многих различных типов тканей.После периода клеточной пролиферации выделяют редкие колонии клеток, в которых событие гомологичной рекомбинации, вероятно, вызвало замену гена. Правильные колонии среди них идентифицируют с помощью ПЦР или Саузерн-блоттинга: они содержат рекомбинантные последовательности ДНК, в которых встроенный фрагмент полностью или частично заменил одну копию нормального гена. На втором этапе отдельные клетки из идентифицированной колонии помещают в тонкую микропипетку и вводят эмбриону ранней мыши.Трансфицированные стволовые клетки, полученные из эмбриона, взаимодействуют с клетками эмбриона-хозяина, чтобы получить нормально выглядящую мышь; большие части этого химерного животного, включая — в благоприятных случаях — клетки зародышевой линии, часто происходят из искусственно измененных стволовых клеток (4).

Рисунок 8-70

Краткое изложение процедур, используемых для замены генов у мышей. На первом этапе (А) измененную версию гена вводят в культивируемые ЭС (эмбриональные стволовые) клетки. Только в некоторых редких ЭС клетках будут заменены их соответствующие нормальные гены (больше…)

Мышей с трансгеном в зародышевой линии скрещивают для получения как самца, так и самки животного, каждая из которых гетерозиготна по замещению гена (то есть у них есть одна нормальная и одна мутантная копия гена). При скрещивании этих двух мышей четверть их потомства будет гомозиготна по измененному гену. Исследования этих гомозигот позволяют исследовать функцию измененного гена или эффекты устранения активности гена в отсутствие соответствующего нормального гена.

Возможность получения трансгенных мышей, лишенных известного нормального гена, стала большим достижением, и в настоящее время этот метод используется для анализа функций большого количества генов млекопитающих (). Связанные методы можно использовать для получения условных мутантов, при которых выбранный ген разрушается в определенной ткани в определенный момент развития. Стратегия использует систему рекомбинации для конкретного сайта, чтобы вырезать и, таким образом, отключить ген-мишень в определенном месте или в определенное время.Наиболее распространенная из этих систем рекомбинации, называемая Cre/lox , широко используется для создания замен генов у мышей и растений (см.). В этом случае ген-мишень в ES-клетках заменяется полностью функциональной версией гена, фланкированной парой коротких последовательностей ДНК, называемых lox-сайтами, которые распознаются белком рекомбиназы Cre. Полученные трансгенные мыши фенотипически нормальны. Затем их скрещивают с трансгенными мышами, экспрессирующими ген рекомбиназы Cre под контролем индуцибельного промотора.В специфических клетках или тканях, в которых Cre включен, он катализирует рекомбинацию между последовательностями lox, вырезая ген-мишень и устраняя его активность. Подобные системы рекомбинации используются для получения условных мутантов Drosophila (см.).

Рис. 8-71

Мышь со сконструированным дефектом фактора роста фибробластов 5 (FGF5). FGF5 является негативным регулятором образования волос. У мыши, лишенной FGF5 (справа) , шерсть длиннее по сравнению с ее гетерозиготным однопометником (слева) .Трансгенные мыши с фенотипами, которые (подробнее…)

Трансгенные растения важны как для клеточной биологии, так и для сельского хозяйства

Когда растение повреждено, оно часто может восстанавливаться в процессе, при котором зрелые дифференцированные клетки «дедифференцируются», пролиферируют, а затем редифференцируются в другие типы клеток. В некоторых случаях дедифференцированные клетки могут даже образовывать апикальную меристему, которая затем может дать начало целому новому растению, включая гаметы. Эта замечательная пластичность растительных клеток может быть использована для создания трансгенных растений из клеток, растущих в культуре.

Когда кусочек растительной ткани культивируется в стерильной среде, содержащей питательные вещества и соответствующие регуляторы роста, многие клетки стимулируются к неопределенно долгому беспорядочному размножению, образуя массу относительно недифференцированных клеток, называемую каллюсом. Если тщательно манипулировать питательными веществами и регуляторами роста, можно вызвать образование побега, а затем корневых апикальных меристем внутри каллюса, и у многих видов можно регенерировать целое новое растение.

Культуры каллуса также можно механически диссоциировать на отдельные клетки, которые будут расти и делиться как суспензионная культура. У некоторых растений, включая табак, петунию, морковь, картофель и Arabidopsis , одну клетку из такой суспензионной культуры можно вырастить в небольшой комок (клон), из которого можно регенерировать целое растение. Такая клетка, обладающая способностью давать начало всем частям организма, считается тотипотентной . Точно так же, как мутантные мыши могут быть получены путем генетических манипуляций с эмбриональными стволовыми клетками в культуре, так и трансгенные растения могут быть созданы из одиночных тотипотентных растительных клеток, трансфицированных ДНК в культуре.

Рисунок 8-72

Процедура получения трансгенного растения. (A) Схема процесса. Из листа вырезают диск и инкубируют в культуре с Agrobacteria , которые несут рекомбинантную плазмиду как с селектируемым маркером, так и с желаемым трансгеном. Раненые клетки в (подробнее…)

Возможность получения трансгенных растений значительно ускорила прогресс во многих областях биологии клеток растений. Он сыграл важную роль, например, в выделении рецепторов регуляторов роста и в анализе механизмов морфогенеза и экспрессии генов у растений.Это также открыло много новых возможностей в сельском хозяйстве, которые могут принести пользу как фермеру, так и потребителю. Это позволило, например, изменить запасы липидов, крахмала и белка, зарезервированные в семенах, придать растениям устойчивость к вредителям и вирусам, а также создать модифицированные растения, устойчивые к экстремальным средам обитания, таким как солончаки или почва с недостатком воды. .

Многие важные достижения в понимании развития животных были достигнуты благодаря исследованиям плодовой мушки Drosophila и червя-нематоды Caenorhabditis elegans , которые поддаются обширному генетическому анализу, а также экспериментальным манипуляциям.По сравнению с этим прогресс в биологии развития растений в прошлом был относительно медленным. Многие растения, наиболее поддающиеся генетическому анализу, такие как кукуруза и помидоры, имеют длительный жизненный цикл и очень большие геномы, что делает проведение как классического, так и молекулярно-генетического анализа трудоемким. Следовательно, все большее внимание уделяется быстрорастущему мелкому сорняку, кресс-салату обыкновенному (Arabidopsis thaliana), , который имеет несколько основных преимуществ в качестве «образцового растения» (см. и ).Относительно небольшой геном Arabidopsis был первым полностью секвенированным геномом растения.

Большие коллекции меченых нокаутов предоставляют инструмент для изучения функции каждого гена в организме

В настоящее время ведутся обширные совместные усилия по созданию полных библиотек мутаций в нескольких модельных организмах, включая S. cerevisiae, C. elegans , Drosophila , Arabidopsis и мышь. Конечной целью в каждом случае является создание коллекции мутантных штаммов, в которых каждый ген в организме либо систематически удален, либо изменен таким образом, что его можно условно разрушить.Коллекции такого типа обеспечат бесценный инструмент для исследования функции генов в геномном масштабе. В некоторых случаях каждый из отдельных мутантов в коллекции будет иметь отдельную молекулярную метку — уникальную последовательность ДНК, предназначенную для быстрой и рутинной идентификации измененного гена.

В S. cerevisiae задача создания набора из 6000 мутантов, в каждом из которых отсутствует только один ген, упрощается благодаря склонности дрожжей к гомологичной рекомбинации. Для каждого гена готовят «делеционную кассету».Кассета состоит из специальной молекулы ДНК, содержащей 50 нуклеотидов, идентичных по последовательности каждому концу гена-мишени, окружающих селектируемый маркер. Кроме того, в эту молекулу ДНК встроена специальная метка последовательности «штрих-код», чтобы облегчить последующую быструю идентификацию каждого полученного мутантного штамма (). Затем можно выращивать большую смесь таких мутантов с нокаутом гена в различных условиях селективного тестирования, таких как лишение питания, температурный сдвиг или присутствие различных лекарств, и выжившие клетки можно быстро идентифицировать по их уникальным меткам последовательности.Оценивая, насколько хорош каждый мутант в смеси, можно начать оценивать, какие гены необходимы, полезны или не важны для роста в различных условиях.

Рисунок 8-73

Создание коллекций мутантных организмов. (A) Делеционная кассета для использования в дрожжах содержит последовательности, гомологичные каждому концу гена-мишени х (красный), селективный маркер (синий), и уникальную последовательность «штрих-кода», примерно 20 нуклеотидов (больше. ..)

Сложность получения информации при изучении таких мутантов дрожжей заключается в определении активности или биологической роли гена на основе мутантного фенотипа.Некоторые дефекты — например, неспособность жить без гистидина — прямо указывают на функцию гена дикого типа. Другие связи могут быть не столь очевидны. Что может свидетельствовать внезапная чувствительность к холоду о роли, которую тот или иной ген играет в дрожжевой клетке? Таких проблем еще больше в организмах, которые являются более сложными, чем дрожжи. Потеря функции одного гена у мыши, например, может повлиять на множество различных типов тканей на разных стадиях развития, в то время как потеря других генов не имеет очевидного эффекта.Адекватная характеристика мутантных фенотипов у мышей часто требует тщательного изучения, а также обширных знаний об анатомии, гистологии, патологии, физиологии и сложном поведении мышей.

Тем не менее, изучение библиотек мутантов принесет много пользы. Например, исследования обширной коллекции мутантов Mycoplasma genitalium — организма с наименьшим из известных геномов — выявили минимальный набор генов, необходимых для клеточной жизни.Анализ пула мутантов предполагает, что 265–350 из 480 кодирующих белок генов в M. genitalium необходимы для роста в лабораторных условиях. Приблизительно 100 из этих важных генов имеют неизвестную функцию, что позволяет предположить, что удивительное количество основных молекулярных механизмов, лежащих в основе клеточной жизни, еще предстоит открыть.

Резюме

Генетика и генная инженерия предоставляют мощные инструменты для изучения функций генов как в клетках, так и в организмах.В классическом генетическом подходе случайный мутагенез сочетается со скринингом для выявления мутантов, дефектных в конкретном биологическом процессе. Затем эти мутанты используются для обнаружения и изучения генов, ответственных за этот процесс.

Функцию гена также можно установить с помощью методов обратной генетики. Методы инженерии ДНК можно использовать для мутации любого гена и повторной вставки его в хромосомы клетки, чтобы он стал постоянной частью генома. Если клетка, используемая для этого переноса гена, представляет собой оплодотворенную яйцеклетку (для животного) или тотипотентную растительную клетку в культуре, могут быть получены трансгенные организмы, которые экспрессируют мутантный ген и передают его своему потомству.Особенно важной для клеточной биологии является способность изменять клетки и организмы весьма специфическими способами, что позволяет определить влияние на клетку или организм запланированного изменения в отдельном белке или молекуле РНК.

Многие из этих методов расширяются для изучения функции генов в масштабе всего генома. Такие технологии, как ДНК-микрочипы, можно использовать для одновременного мониторинга экспрессии тысяч генов, обеспечивая подробные и всесторонние снимки динамических паттернов экспрессии генов, которые лежат в основе сложных клеточных процессов.И создание мутантных библиотек, в которых каждый ген в организме был систематически удален или нарушен, предоставит бесценный инструмент для изучения роли каждого гена в сложной молекулярной кооперации, которая дает начало жизни.

Как ген выражается в виде физического признака

Фенотип определяется как выраженные физические признаки организма. Фенотип определяется индивидуальным генотипом и выраженными генами, случайными генетическими вариациями и влиянием окружающей среды.

Примеры фенотипа организма включают такие черты, как цвет, рост, размер, форма и поведение. Фенотипы бобовых включают цвет стручка, форму стручка, размер стручка, цвет семян, форму семян и размер семян.

Связь между генотипом и фенотипом

Генотип организма определяет его фенотип. Все живые организмы имеют ДНК, которая содержит инструкции по производству молекул, клеток, тканей и органов. ДНК содержит генетический код, который также отвечает за направление всех клеточных функций, включая митоз, репликацию ДНК, синтез белка и транспортировку молекул.Фенотип организма (физические черты и поведение) определяется унаследованными генами. Гены — это определенные сегменты ДНК, которые кодируют производство белков и определяют определенные признаки. Каждый ген расположен на хромосоме и может существовать более чем в одной форме. Эти различные формы называются аллелями, которые расположены в определенных местах на определенных хромосомах. Аллели передаются от родителей к потомству при половом размножении.

Диплоидные организмы наследуют по два аллеля каждого гена; по одному аллелю от каждого родителя.Взаимодействия между аллелями определяют фенотип организма. Если организм наследует два одинаковых аллеля определенного признака, он гомозиготен по этому признаку. Гомозиготные особи проявляют один фенотип по данному признаку. Если организм наследует два разных аллеля определенного признака, он является гетерозиготным по этому признаку. Гетерозиготные особи могут проявлять более одного фенотипа по данному признаку.

Признаки могут быть доминантными или рецессивными. При полном доминантном наследовании фенотип доминантного признака полностью маскирует фенотип рецессивного признака.Бывают также случаи, когда отношения между разными аллелями не проявляют полного доминирования. При неполном доминировании доминантный аллель не полностью маскирует другой аллель. Это приводит к фенотипу, который представляет собой смесь фенотипов, наблюдаемых в обоих аллелях. В кодоминантных отношениях оба аллеля выражены полностью. Это приводит к фенотипу, в котором оба признака наблюдаются независимо друг от друга.

Генетическая связь Черта Аллели Генотип Фенотип
Полное господство цветочный цвет Р — красный, р — белый Рр Красный цветок
Неполное доминирование цветочный цвет Р — красный, р — белый Рр Розовый цветок
Содоминирование цветочный цвет Р — красный, р — белый Рр Красный и белый цветок

Фенотип и генетическая вариация

Генетическая изменчивость может влиять на фенотипы, наблюдаемые в популяции.Генетическая изменчивость описывает генные изменения организмов в популяции. Эти изменения могут быть результатом мутаций ДНК. Мутации — это изменения в последовательности генов в ДНК. Любое изменение в последовательности гена может изменить фенотип, выраженный в унаследованных аллелях. Поток генов также способствует генетической изменчивости. Когда новые организмы мигрируют в популяцию, вводятся новые гены. Введение новых аллелей в генофонд делает возможными новые комбинации генов и разные фенотипы.Во время мейоза образуются различные комбинации генов. В мейозе гомологичные хромосомы случайным образом расходятся в разные клетки. Перенос генов может происходить между гомологичными хромосомами в процессе кроссинговера. Эта рекомбинация генов может привести к появлению новых фенотипов в популяции.

BIO101 — От генов к признакам: как генотип влияет на фенотип учебник, которым я пользовался в то время, но не совсем уверен.

Как вы, возможно, знаете, я преподаю БИО101 (а также лабораторию БИО102) нетрадиционным студентам в рамках программы обучения взрослых уже около двенадцати лет. Время от времени я публично размышляю об этом в блоге (см. это, это, это, это, это, это и это несколько коротких сообщений о различных аспектах этого — от использования видео до использования классной комнаты). блог, важность открытого доступа, чтобы студенты могли читать основную литературу).Качество студентов, участвующих в этой программе, неуклонно росло с годами, но я по-прежнему сильно ограничен во времени: у меня восемь 4-часовых встреч со студентами в течение восьми недель. В этот период я ​​должен преподавать им всю биологию, необходимую им для их ненаучных специальностей, а также оставлять достаточно времени для каждого студента, чтобы сделать презентацию (по науке об их любимых растениях и животных) и сдать два экзамена. Таким образом, я должен разобрать лекции до голых костей и надеяться, что эти голые кости и есть то, что действительно нужно знать тем, кто не занимается наукой: концепции, а не факты, отношения с остальной частью их жизни, а не отношения с другими науками.Таким образом, я сопровождаю свои лекции видео и обсуждениями в классе, а их домашняя работа состоит в том, чтобы найти классные видео или статьи по биологии и разместить ссылки в блоге в классе для всеобщего обозрения. Пару раз я использовал малярию как нить, связывающую все темы — от клеточной биологии до экологии, от физиологии до эволюции. Я думаю, что это сработало хорошо, но это трудно сделать. Они также пишут заключительную статью по некоторым аспектам физиологии.

Другим нововведением стало то, что администрация осознала, что большинство преподавателей работают в школе уже много лет.У нас есть опыт, и, видимо, мы знаем, что делаем. Таким образом, недавно они дали нам гораздо больше свободы в разработке собственной программы вместо того, чтобы следовать заранее определенной, до тех пор, пока конечные цели класса остаются прежними. Я не совсем уверен, когда я снова буду читать лекции BIO101 (поздней осенью, весной?), но я хочу начать переосмысливать свой класс пораньше. Меня также беспокоит то, что, поскольку я не провожу активных исследований в лаборатории и, следовательно, не слежу за литературой так внимательно, некоторые вещи, которым я обучаю, сейчас устарели.Не то, чтобы кто-то мог идти в ногу со всеми достижениями во всех областях биологии, которые настолько огромны, но, по крайней мере, большие обновления, которые влияют на преподавание вводных курсов, — это то, что мне нужно знать.

Мне нужно наверстать упущенное и обновить свои конспекты лекций. И что может быть лучше, чем краудсорсинг! Итак, в течение следующих нескольких недель я повторно опубликую свои старые конспекты лекций (обратите внимание, что это всего лишь вступления — обсуждения, видео и т. д. следуйте за ними в классе) и попрошу вас проверить меня.Если я что-то понял не так или что-то устарело, дайте мне знать (но не выдвигайте только свою предпочитаемую гипотезу, если вопрос еще не решен — вместо этого дайте мне полное объяснение спора). Если чего-то явно не хватает, дайте мне знать. Если что-то можно сказать более приятным языком — редактируйте мои предложения. Если вам известны интересные изображения, статьи, сообщения в блогах, видео, подкасты, визуализации, анимации, игры и т. д., которые можно использовать для объяснения этих основных понятий, дайте мне знать. И в конце, как только мы проделаем это со всеми лекциями, давайте обсудим общую программу — есть ли лучший способ организовать весь этот материал для такого динамичного занятия.

Сегодня я берусь за важную, но трудную задачу объяснить, почему идея «ген для» неверна, и как более сложно представить себе, как гены влияют на фенотип.

————————————————————- —

Влияние генотипа на фенотип

В новостях часто можно услышать сообщения об открытии «гена X», например, гена алкоголизма, гена гомосексуализма, гена рака молочной железы и т. д.Это неправильный способ думать о генах, поскольку он предполагает однозначное соответствие между генами и признаками.

Это недоразумение связано с историческими прецедентами. Самые первые гены были обнаружены десятилетия назад с помощью довольно примитивных технологий. Таким образом, единственные гены, которые можно было обнаружить, оказывали сильное и резкое влияние на признаки. Например, небольшая мутация (изменение последовательности нуклеотидов) в гене, кодирующем РНК, кодирующую один из четырех элементов белка гемоглобина, приводит к серповидноклеточной анемии.В результате эритроциты деформируются, а способность эритроцитов переносить достаточное количество кислорода к клеткам снижается.

Из-за таких драматических последствий небольших мутаций в то время считалось, что каждый ген кодирует определенный признак. Сегодня можно измерить незначительные эффекты нескольких генов, и хорошо известно, что парадигма «один ген/один признак» в значительной степени неверна. На большинство признаков влияет множество генов, и большинство генов участвуют в развитии нескольких признаков.

Геном – это вся генетическая информация индивидуума. Каждая клетка тела содержит полный геном. Геномы (т. е. последовательности ДНК) немного различаются между особями одного и того же вида, немного больше — между геномами близкородственных видов и еще больше — между отдаленно родственными видами.

Точная последовательность ДНК человека является его генотипом. Совокупность всех наблюдаемых и измеримых черт этого индивидуума называется фенотипом.

Если бы каждое положение и каждая функция каждой клетки нашего тела были генетически предопределены, нам понадобились бы триллионы генов, чтобы определить всю эту информацию.Тем не менее, у нас есть только около 26 000 генов. Все наши гены очень похожи на эквивалентные гены шимпанзе, но очевидно, что мы сильно отличаемся от шимпанзе по анатомии, физиологии и поведению. Кроме того, у нас много общих генов с рыбами, насекомыми и даже растениями, но различия в фенотипах огромны.

Таким образом, логически следует, что метафора генома как плана построения тела неверна. Не то, какие у вас гены, а то, как эти гены взаимодействуют друг с другом в процессе развития, отличает вас от другого представителя того же вида, от лосося или капусты.

Но как гены взаимодействуют друг с другом? Гены кодируют белки. Некоторые белки взаимодействуют с другими белками. Некоторые белки регулируют транскрипцию или репликацию ДНК. Другие белки представляют собой ферменты, модифицирующие другие химические вещества. Однако другие белки являются структурными, т. е. входят в состав мембран и других структур.

Небольшое различие в последовательности ДНК повлияет на последовательность РНК и последовательность полученного белка, влияя на первичную, вторичную и третичную структуру этого белка.Изменения в трехмерной форме белка повлияют на его эффективность в выполнении своей функции.

Например, если два белка взаимодействуют друг с другом и для этого должны связываться друг с другом, а они связываются, потому что их формы подходят друг к другу, как замок и ключ, то изменение формы одного белка будет изменить эффективность связывания двух. Изменение формы обоих белков может как замедлять, так и ускорять реакцию. Изменение скорости этой одной реакции в клетке повлияет на какую-то другую реакцию в клетке, в том числе на то, как клетка реагирует на сигналы извне.

Таким образом, на признак влияют гены, белки, другие химические вещества внутри клетки, межклеточные взаимодействия и внешняя среда. Самое главное, поскольку черты формируются во время развития, именно взаимодействия между всеми этими игроками на всех уровнях организации во время развития определяют окончательный фенотип организма.

Значение среды видно из явления нормы реакции. Один и тот же генотип при выращивании в разных условиях приводит к разным фенотипам.Более того, разные генотипы по-разному реагируют на одни и те же изменения окружающей среды. Один генотип может дать более высокое растение на большей высоте, в то время как немного другой генотип может дать совершенно противоположный результат: дать более низкое растение на большей высоте.

Итак, если гены не кодируют признаки, а геном — это не план, как лучше всего думать о геноме и картировании генотипа/фенотипа? Я дал вам раздаточный материал (см. ниже) с четырьмя различными альтернативными метафорами, по крайней мере одна из которых, я надеюсь, будет понятной и запоминающейся для каждого ученика.Сейчас я дам вам пятую такую ​​метафору, одну из моих собственных:

Представьте себе, что ячейка — это завод по производству самолетов. Он покупает сырье и продает готовые самолеты. Как это делается? Белки — фабричные рабочие. Некоторые из них импортируют материалы, другие занимаются продажей самолетов. Одни охраняют фабрику от воров, другие готовят и подают еду в заводской столовой.

Но наиболее важными белками этой клетки являются те, которые собирают части самолетов.Когда им нужна деталь, например, пропеллер, они идут на склад (нуклеус), проверяют Каталог деталей (ДНК) и нажимают кнопку, чтобы разместить заказ на конкретную деталь. Другие белки (управляющие складом) проникают внутрь, находят нужную деталь и отправляют ее на сборочный цех (эндоплазматический ретикулум).

Но, белковые рабочие сами роботы, собранные из деталей тут же на том же заводе, а инструкции по их сборке есть и в Каталоге деталей (ДНК) в ядре.

Дальнейшее чтение:

Как вы носите свои гены? (PDF) Ричарда Докинза.

Аналогия генома Ричарда Хартера.

Это не просто гены, это связи между ними Пол Майерс

Собственная оригинальная, космическая и эксцентричная аналогия PZ Майерса о том, как работает геном — ИЛИ — High Geekology Пола Майерса

Это больше, чем гены, это сети и системы Пола Майерса.

Ранее в этой серии:

Биология и научный метод

BIO101 – Структура клетки

BIO101 – Синтез белков: транскрипция и трансляция

BIO101: межклеточные взаимодействия

BIO101 – От одной клетки к двум: деление клеток и репликация ДНК

BIO101 – От двух клеток к множеству: дифференцировка клеток и эмбриональное развитие

Интегрированный фенотип | Интегративная и сравнительная биология

Аннотация

Для правильного функционирования сложных фенотипов необходимо, чтобы несколько признаков работали вместе.Изучение взаимосвязей между чертами внутри сложных признаков и между ними, а также того, как они взаимодействуют, чтобы функционировать как целостный организм, имеет решающее значение для продвижения нашего понимания эволюционной пластичности развития. Фенотипическая интеграция относится к отношениям между несколькими признаками сложного фенотипа и их отношениям с другими функциональными единицами (модулями) в организме. В этом обзоре я резюмирую краткую историю концепции фенотипической интеграции в биологии растений и животных.После введения концепций, включая модульность, я использую эмпирический подход к изучению конкретных случаев, чтобы подчеркнуть недавний прогресс в прояснении эволюционной и геномной основы интеграции. Я заканчиваю выделением некоторых новых подходов к геномным и эпигенетическим возмущениям, которые обещают дальнейшее рассмотрение роли фенотипической интеграции в эволюционной диверсификации. В эпоху фенотипа исследования, изучающие геномные и связанные с развитием изменения во взаимоотношениях признаков в различных средах, составят следующую главу в наших поисках понимания эволюции сложных признаков.

Введение

Быстрое расширение общедоступных геномных данных за последнее десятилетие предоставило обширную генетическую информацию о модельных и немодельных организмах, а также о репликативных популяциях внутри видов (например, проект 1000 геномов у человека и проект 1001 генома у Arabidopsis thaliana ). . Расширение этих данных будет продолжаться по мере дальнейшего снижения затрат и повышения эффективности методов (Lister et al. 2009). Кроме того, информация из этих наборов данных способствует прогрессу в широких областях эволюционной биологии, от филогенетических взаимоотношений видов до эволюции геномов (Alföldi et al.2011 г.; Раттер и др. 2012). В то время как генетические и геномные данные стали обильными за последнее десятилетие, синтез сопутствующих фенотипических данных отстает.

Наступила эра фенотипа или феноменики (Houle et al. 2010; Furbank and Tester 2011). К классическим подходам к сбору фенотипических данных присоединяются новые технологии (например, mircroarray, RNAseq и анализ изображений) и инновационные статистические методологии, которые со временем могут способствовать расширению возможностей сбора фенотипических данных (Cheng et al.2011 г.; Фурбанк и Тестер 2011; Соццани и Бенфи, 2011). Быстрое распространение геномных данных в последнее десятилетие сопровождалось концептуальным и аналитическим ростом биоинформатики. Аналогичный концептуальный и методологический набор достижений необходим, чтобы объединить обширные исторические и современные наборы фенотипических данных и интерпретировать эти большие наборы фенотипических данных самостоятельно, в процессе развития и в свете геномных данных. Общий вопрос эволюционной биологии — это связь между изменчивостью на геномном уровне и изменчивостью сложных фенотипов.Одним из мест, с которого можно начать понимание сложных фенотипов и влияния геномных, онтогенетических и экологических вариаций, является изучение фенотипической интеграции.

История и происхождение

Фенотипическая интеграция относится к биологическим отношениям между многочисленными признаками сложного фенотипа и их отношениям с другими функциональными единицами (или модулями) в организме (Schlichting 1989; Pigliucci and Preston 2004).Правильное функционирование сложных фенотипов требует, чтобы признаки работали вместе в одном модуле. Модульность описывает относительную независимость сложных признаков. Взаимодействие между персонажами может меняться в процессе развития и в разных средах (Murren 2002). Формализация концепции фенотипической интеграции началась более полувека назад, вдохновленная исследованиями, восходящими к описательной работе Томпсона (1917) начала 1900-х годов (Pigliucci and Preston 2004). Олсон и Миллер (1958) определили термин «морфологическая интеграция» как взаимозависимость морфологических признаков для создания организованного функционального организма.В их книге подчеркивалась роль развития в функции признаков и аргументировалась важность использования статистических подходов для изучения морфологической интеграции. Их взгляды на сложные морфологические фенотипы вдохновили на многочисленные последующие исследования морфологии и эволюции формы (см. Afterword Chernoff and Magwene 1999 в Olson and Millers 1958; также см. Cheverud 1982, 1996; Klingenberg 2010). Из ранних формальных дискуссий о фенотипической интеграции стало очевидным совместное значение развития, окружающей среды и дифференциации в паттернах интеграции между видами или популяциями.История концепции сформировала современное исследование интеграции таким образом, что изучение экологических, генетических и связанных с развитием влияний на сложные черты переплетаются воедино.

Примерно в то время, когда Олсон и Миллер изучали морфологию животных, Clausen et al. (1940) и Clausen and Heisey (1958, 1960) проводили долгосрочные исследования ряда видов растений, высаженных на склонах Сьерра-Невады. Эти ботаники и цитогенетики выдвинули гипотезу, что различия видов в значительной степени обусловлены различиями в паттернах того, что они назвали когерентностью признаков (паттернов взаимоотношений между признаками).В их работе подчеркивалась роль окружающей среды как в поддержании связности характера, так и в пластичности фенотипов (хотя в то время это не называлось пластичностью). Эти исследования закономерностей изменчивости отношений признаков стимулировали смещение акцента исследований в области биологии растений в сторону исследований, изучающих влияние среды на признаки и их функциональные связи на интеграцию. Берг (1960) разработала и проверила гипотезы о том, различаются ли модели взаимоотношений признаков (которые она назвала корреляционными плеядами) между таксонами, опыляемыми специализированными или обобщенными системами опылителей.Она обнаружила доказательства большей интеграции в цветки растений с системами опыления, специфичными для вида, чем растений с системами общего опыления. Проверки гипотез Берга на различных видах и сообществах в настоящее время многочисленны, но имеют неоднозначную поддержку (Armbruster et al., 1999; Hansen et al., 2007; Edwards and Weinig, 2011).

Небольшая, но активная группа исследователей работала над аспектами интеграции в 1980-х и 1990-х годах, собирая доказательства важности развития и изменения окружающей среды (Cheverud 1982; Schlichting 1989; Cheverud 1996; Wagner and Altenberg 1996; Callahan and Waller 2000).После публикации тома «Фенотипическая интеграция » под редакцией Пиглиуччи и Престона (2004) концептуальная основа фенотипической интеграции переместилась в основную часть эволюционной биологии. На момент подготовки этой статьи более 100 цитат с ключевым словом фенотипическая интеграция были проиндексированы в Web of Science (ISI) с 2004 г.; с растениями и позвоночными животными — наиболее широко изученными организмами. Различные взгляды на эволюцию сложных признаков и фенотипическую интеграцию у этих двух основных линий эукариот отчасти объясняются различиями в строении тела и влиянием исследовательских вопросов, сформулированных Бергом и его коллегами в отношении растений, а также Олсоном и Миллер со стороны животных.

В первом разделе этой статьи я делаю краткий обзор концепций модулей, модульности и морфологической интеграции — специфического аспекта фенотипической интеграции. Исчерпывающее освещение модульности выходит за рамки этого обзора; скорее, цель этого раздела статьи состоит в том, чтобы дать доступ к быстро растущей литературе и обеспечить основу для обсуждения новых эмпирических достижений и будущих проблем. Во второй половине этой статьи я использую эмпирические тематические исследования, чтобы выделить недавнюю работу по фенотипической интеграции, которая дает надежду в наших поисках синтетического понимания сложных признаков.В частности, я привлеку внимания к недавним исследованиям, изучающим (1), о том, как возмущение экологической возмущения влияет на развитие и морфологическую интеграцию, (2) влияние материнского воздействия на интеграцию внутри и между поколениями, (3) подходами к расследованию модулей и (4) геномных подходов. к изучению генетической основы интеграции. Я заканчиваю, подчеркивая новые эмпирические подходы, которые содержат обещание для связывания геномики, развития и окружающей среды в будущих исследованиях по интеграции. На протяжении всего этого обзора я подчеркиваю аспекты запроса, которые поддерживают как в системах животных, так и в растительных системах.Я также подчеркиваю перспективы, уникальные для исследований растений или животных, чтобы способствовать перекрестному опылению между подходами, применяемыми в этих различных кладах многоклеточных эукариотических организмов.

Фенотипическая интеграция и модульность

Термин «модуль» используется в широком смысле для описания аспекта фенотипа организма, когда существуют тесные связи между признаками внутри сложного признака, но связи с другими комплексами признаков не столь сильны (см. также Wagner 1996; Schlichting and Pigliucci 1998; Муррен, 2002 г.; Халлгримссон и Холл, 2005 г.; Клингенберг, 2010 г.).Этот образец ассоциаций черт приводит к полуавтономному характеру (называемому модульностью), при котором определенные черты могут взаимодействовать с другими модулями в зависимости от задействованной функции. Несмотря на то, что они полунезависимы, разные модули организма должны на каком-то уровне работать вместе как единый функциональный организм.

Построение или поддержание фенотипического модуля происходит посредством комбинации неисключительных процессов: общих или тесно связанных компонентов развития или генетических компонентов (Schlichting 1989; Conner 2002; Roseman et al.2009), или компромиссы, возникающие в результате различных моделей распределения (Tonsor and Scheiner 2007). Наборы признаков, которые работают вместе как особая функциональная единица, такая как цветок (Коннер и Стерлинг, 1996) или нижняя челюсть (рис. 1) (Шеверуд, 1982), могут быть определены как функциональные модули. Эти модули могут состоять из дополнительных подмодулей с определенными подфункциями (Murren 2002; Bissell and Diggle 2008). Предполагается, что организмы с сильной взаимосвязью (высокой корреляцией) между признаками внутри модуля обладают наиболее эффективными функциональными характеристиками (Brock and Weinig, 2007; Pélabon et al.2011). Отбор может воздействовать на отношения признаков, поэтому интеграция может быть адаптивной (Ордано и др., 2008). Предполагая, что фенотипическая интеграция имеет в основе наследственную основу, хотя и сложную, потенциальные эволюционные траектории признаков в пределах фенотипического модуля будут зависеть от других признаков в модуле и от селективной среды.

Рис. 1

Из Roseman et al. (2009). Штриховой рисунок, изображающий ( A ) две области нижней челюсти мыши, восходящую ветвь и альвеолярную область, и ( B ) 22 ориентира, использованных в морфометрическом анализе.

Рис. 1

Из Roseman et al. (2009). Штриховой рисунок, изображающий ( A ) две области нижней челюсти мыши, восходящую ветвь и альвеолярную область, и ( B ) 22 ориентира, использованных в морфометрическом анализе.

Модули могут выполнять расширенные функции при высокой корреляции между чертами; таким образом, отбор может воздействовать на интеграцию. Кроме того, степень эволюционной гибкости сложного характера может определяться тем, является ли изменчивость модульной или интегрированной с другими аспектами фенотипа организма (Wagner and Altenberg 1996; Roseman et al.2009 г.; Дрейк и Клингенберг, 2010). Модульность может усиливать потенциальную реакцию на выбор, поскольку полуавтономные наборы символов, выполняющие разные функции, могут независимо реагировать на выбор (Бисселл и Диггл, 2010). С другой стороны, сильная интеграция между функциональными единицами может ограничивать эволюционные изменения, если отбор действует в противоположных направлениях на различные аспекты сложного фенотипа с сильными внутренними корреляциями (Wagner and Altenberg, 1996). Поэтому считается, что отбор по фенотипическому взаимодействию благоприятствует модульным системам генетики и развития (Hallgrímsson et al.2009), включая гормональную регуляцию (Ketterson et al. 2009). Хотя я описал модули в основном с фенотипической точки зрения, модули и их интеграцию можно рассматривать с других биологических точек зрения, в том числе с точки зрения развития, функциональности и генетики. На практике то, как мы определяем функциональные модули, когда возникают ограничения функционального модуля, будет влиять на нашу интерпретацию их эволюции (см. подходы к изучению модулей ниже и Fornoni et al. 2009).

Синтетическая теория фенотипической интеграции и модульности еще не появилась (Arnold 2005).С точки зрения количественной генетики оценка пригодности G-матрицы сформировала большую часть теоретической основы интеграции. Эти исследования были в значительной степени вдохновлены Cheverud (1982). Количественные генетические модели сыграли важную роль в разработке гипотез многомерного отбора наборов признаков, и новые инструменты для матричного сравнения могут направить будущую работу с этой точки зрения (Arnold 2005; Marroig et al. 2011). Однако другие аспекты теории интеграции развиты не так хорошо.Как красноречиво описал Мочек, синтетическая теория эволюции развития еще не появилась. Развитие и эпигенетические подходы лежат в основе многих современных работ по фенотипической интеграции (Hallgrímsson et al. 2009). Концептуальная модель карты G→P, предложенная Вагнером (1996), Вагнером и Альтенбергом (1996) и Пиглиуччи (2010), описывает связи между наборами генов и наборами признаков. Эта концептуальная основа особенно ценна в свете быстро расширяющихся геномных данных (например,g., см. обсуждение подходов к локусам количественных признаков (QTL) ниже). В качестве расширения этой модели Клингенберг (2003) включил развитие в качестве дополнительного концептуального компонента. Он добавил, что система развития (а также система окружающей среды) может модулировать путь между наборами генов и фенотипическими модулями. Эмпирические исследования интеграции в настоящее время быстро накапливаются в литературе, поэтому большая часть этого обзора посвящена эмпирическим работам.

Генетика фенотипической интеграции

Фенотипические модули могут также иметь связанную с ними генетическую модульность, прежде всего за счет плейотропии или генетического сцепления (Cheverud 1982; Wagner 1996; Cheverud et al.1997 год; Юнгер и др. 2000 г.; Чеверуд 2004; Муррен и Ковер, 2004). Генетическая основа ковариации или паттернов корреляции между фенотипическими признаками объясняется аспектами генетической архитектуры, такими как плейотропия (или плейотропный QTL), близкое сцепление или неравновесное сцепление (LD) между физически несцепленными генами (Cheverud 2004; Murren and Kover 2004; Roseman). и др., 2009). Один плейотропный ген или область QTL одновременно влияет на изменчивость нескольких признаков, которые могут проявляться в процессах развития (Hallgrímsson et al.2009). Таким образом, плейотропия может быть важным механизмом в формировании или ограничении паттернов эволюции множественных признаков. Альтернативно, LD среди физически несцепленных генов может возникать в результате естественного отбора определенных комбинаций аллелей, повышающих функциональную эффективность (Conner and Sterling 1995).

Морфологическая интеграция

Сильной стороной исследований интеграции в биологии животных было изучение морфологических фенотипов, основанных на форме (Raff 1996; Klingenberg 2010).Акцент на морфологическую интеграцию следует из традиции Олсона и Миллера (1958). Исследования морфологической интеграции в значительной степени опираются на данные, собранные о положениях ориентиров — точном расположении определенных морфологических признаков, которые можно идентифицировать у всех организмов, исследованных в ходе исследования (рис. 1) (Cooper et al. 2011). Чтобы изучить эволюцию формы, эти наборы данных об ориентирах часто анализируются с помощью наложения Прокруста — метода, который использует информацию об ориентирах для извлечения вариаций формы, стандартизированных по размеру и ориентации (более подробную информацию см. в Klingenberg 2010; Viscosi and Cardini 2011). ).Эти инструменты широко использовались для изучения морфологии наземных беспозвоночных (Клингенберг и др., 2010) и позвоночных (Янг и Бадяев, 2010). Недавно этот метод был применен для изучения формы сложного листа (Клингенберг и др., 2012), что позволяет предположить, что некоторые аспекты формы растений, такие как цветы (методику см. van der Niet et al., 2010; Ордано и др. ., 2008; Benitez-Vieyra et al., 2009), может хорошо подходить для анализа ориентиров.

Разработка и модульность

Развитие считалось ключевым компонентом изучения интеграции с момента формализации концепции (Олсон и Миллер, 1958).Экологические или генетические нарушения могут сместить пути развития, что часто приводит к фенотипическим изменениям. Расхождение во времени развития цветков между двумя видами Clarkia — одним самоопыляющимся и одним ауткроссинговым, — которые занимают дискретные местообитания, различающиеся по влагообеспеченности, предполагает, что отбор, действующий на процессы развития, способствует различным моделям фенотипической интеграции и, возможно, диверсификации (Runions и Гебер 2000). Возможность разделения отдельных аспектов, таких как время и скорость развития (Runions and Geber 2000), повлияет на эволюционную гибкость черт развития и результирующие паттерны интеграции.Часто развитие и функцию (Олсон и Миллер, 1958) обсуждают в тандеме, поскольку во многих исследованиях эти биологические механизмы неразличимы. Два основных подхода пытались отделить развитие от функции. Во-первых, исследования нестабильности развития рассматривают вариации, вызванные случайными событиями во время развития, путем изучения ковариации паттернов асимметрии между чертами внутри индивидуумов. О влиянии общего развития можно сделать вывод, когда обнаруживаются высокие ковариации между нестабильностями развития, поскольку окружающая среда (в целом) и геномика остаются постоянными.Во-вторых, нарушение генов, которые, как известно, влияют на развитие всего фенотипа организма, может выявить общие процессы развития, когда ковариантность между множественными признаками изменяется при введении изменчивости в систему. Исследования возмущений окружающей среды на пластичность развития привлекают внимание к влиянию эпигенетики на фенотипическую интеграцию (Hallgrímsson et al. 2007, 2009).

Подходы к изучению модулей

Существует большое количество литературы по модульности (Schlosser and Wagner 2004; Hallgrimsson and Hall 2005; Hallgrimsson et al.2009 г.; Клингенберг 2010). При исследовании того, как сложные символы распределяются по модулям, применяется один из двух основных подходов: изучение модулей, идентифицированных с помощью наборов данных (определяемых данными), и модулей, описанных априори (определяемых исследователем).

Модули, которые «определяются данными», идентифицируются с помощью различных статистических подходов, которые исследуют закономерности ковариации признаков. К фенотипическим данным применялись многочисленные статистические методологии для определения принадлежности признаков к модулям, а также модели интеграции внутри модулей и между ними.Эти методы основаны на измеримых вариациях паттернов ковариации и особенно хорошо описаны в литературе по морфологической интеграции с использованием ориентиров (например, среди прочего, Mitteroecker and Bookstein 2007; Marquez 2008; Bissell and Diggle 2008; Magwene 2009; Bissell and Diggle). 2010). Эти подходы, основанные на данных, полезны для выявления модулей со специализированными функциями в более широком комплексе символов. Например, два набора признаков с различными функциями (привлечение опылителя и перенос пыльцы) внутри цветка были обнаружены у двух близкородственных видов: Nicotiana alata и Nicotiana забывчивая (Bissell and Diggle 2010).Комбинированный фенотипический и количественный генетический анализ показал, что эти модули стабильны в течение эволюционного времени, но связи между модулями эволюционно лабильны. Сети коэкспрессии, построенные на обширных фенотипах микрочипов (особенно для сельскохозяйственных культур и др. модельных организмов), были построены для выяснения предполагаемых генных модулей (Ficklin et al. 2010). Эти подходы, основанные на данных, также оказались информативными для выявления механистической основы интеграции, включая совместное развитие и общую генетику, когда наблюдаются наблюдаемые различия в паттернах совместной вариации (см. ниже).Халлгримссон и др. (2009) предупреждают, что, если в выборке не существует фенотипической изменчивости, многие модули развития могут быть не обнаружены с помощью анализа паттернов данных фенотипической (например, морфологической) ковариации.

Модули, «определяемые исследователем», основаны на предшествующих исследованиях и знаниях организма для описания фенотипических модулей. Исследования фенотипической интеграции, которые определяют функциональные модули априори , часто обращаются к конкретным гипотезам (например, гипотезе Берга, описанной выше, относительно большей корреляции между признаками в цветочных и вегетативных модулях и связанной с избирательной средой, опосредованной опылителями) (рис.2) (Armbruster et al. 2004; Ordano et al. 2008; Pélabon et al. 2011), изучить изменения в процессе развития или в различных средах по силе интеграции или фенотипическому составу модулей (Murren et al. 2002; Bossdorf and Pigliucci 2009). ; Pélabon et al., 2011), или оценить дифференциальную функциональную роль смежных частей (Klingenberg et al., 2010). Пелабон и др. (2011) исследовали гипотезу Берга о разделении цветочных и вегетативных признаков в двух популяциях Dalechampia scandens (неотропическая лоза) при градиентах питательных веществ и доступности света.Цветы Dalechampia на самом деле представляют собой соцветия, включающие как мужские, так и женские подсоцветия (рис. 2). Эффектная часть цветка представляет собой обертку (видоизмененный лист). Изучение ближайших к развитию структур или гомологичных структур с различными функциями позволяет разделить вклад функции и развития. Большее разнообразие было обнаружено в признаках, не связанных с опылением, чем в признаках, участвующих в опылении. Эта закономерность сохранялась в разных средах, и их данные согласовывались с гипотезой Берга о закономерностях вариаций внутри и между признаками опыления по сравнению с вегетативными признаками.Паттерны изменчивости признаков гомологичных структур листьев и прицветников у Dalachampia предполагают, что функциональные различия между вегетативными и связанными с опылением признаками имеют большее значение, чем близость аспектов фенотипа или общих элементов пути развития. Таким образом, любые потенциальные ограничения развития, вероятно, были нарушены естественным отбором.

Рис. 2

Из Pelabon et al. Штриховые рисунки Dalechampia scadens в исследовании интеграции цветочных и вегетативных структур и гомологичных структур.( A ) Лист и цветок. ( B ) Адаксиальный лист и прилистники (выросты под листом). ( C ) Цветение. ( D ) Абаксиальный лист и прилистники. Прицветники цветка представляют собой видоизмененные листья, а центральная часть цветка включает мужские и женские цветки, образующие соцветие.

Рис. 2

Из Pelabon et al. Штриховые рисунки Dalechampia scadens в исследовании интеграции цветочных и вегетативных структур и гомологичных структур.( A ) Лист и цветок. ( B ) Адаксиальный лист и прилистники (выросты под листом). ( C ) Цветение. ( D ) Абаксиальный лист и прилистники. Прицветники цветка представляют собой видоизмененные листья, а центральная часть цветка включает мужские и женские цветки, образующие соцветие.

Хорошо изученной системой, используемой для проверки гипотез фенотипической интеграции, является нижняя челюсть мыши. Описано, что нижняя челюсть имеет две функциональные области: альвеолярную область и область восходящей ветви (рис.1) (Чеверуд и др., 1997; Мезей и др., 2000). Альвеолярная область – это область, в которую входят зубы. Восходящий ремус представляет собой область прикрепления мышц и соединения с остальной частью черепа (Cheverud et al., 1997; Roseman et al., 2009). Роузман и др. (2009) поставили под сомнение идею о том, что эта пара фенотипических регионов образует два дискретных модуля, поскольку различные исследования не смогли найти паттерны интеграции и модульности, которые последовательно попадают в один или другой из этих двух регионов.Используя точку зрения, согласно которой общая генетическая основа определяет модули (в данном случае общий QTL и плейотропию), Roseman et al. (2009) определили два класса плейотропных QTL: локальные и глобальные. Если эффекты QTL распределены в более узкой фенотипической области (или среди тех признаков, которые сильно коррелированы), чем ожидалось случайно, они считаются локально плейотропными. Если эффекты QTL более широко распространены по всему исследуемому фенотипу, они считаются глобально плейотропными.Используя подход «определяемый данными» для изучения согласованности двух «определяемых исследователем» модулей, из набора данных нижней челюсти мыши были получены два класса QTL. Первый класс включал большую долю плейотропных QTL, которые более сильно коррелируют, чем случайно, а второй набор распределялся как бы случайно. Распределение эффектов QTL в их наборе данных свидетельствует в пользу концепции модульности, основанной на физической близости признаков вдоль континуума как для фенотипической корреляции признаков, так и для наборов данных экспрессии QTL.

Определение относительной ценности «определяемого исследователем» или «определяемого данными» подхода к изучению модулей частично зависит от конкретных проверяемых гипотез. Подход, основанный на данных, может оказаться полезным для идентификации QTL, значимость которых меняется на протяжении онтогенеза (см. также Hallgrímsson and Lieberman 2008), выявления экологически и эволюционно важных функциональных модулей, ранее не определенных (Bissell and Diggle 2008, 2010), или выявления признаков, которые изменяют функциональные роли во время развития, что приводит к признакам, которые различаются по степени перекрытия функций на разных стадиях развития, что приводит к континууму вариаций модульности, например, в нижней челюсти мыши (Roseman et al.2009). Бисселл и Диггл (2010) предположили, что исследования широких функциональных модулей (таких как цветок), определенных априорно , могут скрывать модели интеграции и, возможно, привели к неоднозначной поддержке гипотез Берга в разных системах. Роузман и др. (2009) пришли к выводу, что модули, определенные априори , ограничивают способность обнаруживать нюансы в паттернах взаимоотношений признаков и эффектов плейотропного QTL, которые могут варьироваться от пятнистых до непрерывных. Тем не менее, модули, «определяемые исследователем», подходят, когда конкретно рассматриваются конкретные гипотезы передвижения, функции цветка или физиологии.

Моделирование структурными уравнениями (SEM) вместе с подходами к выбору модели сочетают в себе аспекты точек зрения, определяемых исследователями, и точек зрения, основанных на данных (Tonsor and Scheiner, 2007; Bissell and Diggle, 2010; Santos and Cannatella, 2011) и могут помочь в оценке предполагаемых функциональные модули. Этот подход, основанный на регрессии, позволяет проверять гипотезы о причинно-следственной структуре, а также обнаруживать ранее неизвестные взаимосвязи, а также потенциально сравнивать паттерны различных воздействий окружающей среды или классов мутантов (Tonsor and Scheiner 2007).Применение SEM к признакам апосематизма, диеты, скорости роста и размера лягушек-дендробатид выявило две фенотипические сети: одна связана с апосематизмом, а другая связана с чешуей (Santos and Cannatella 2011). Первоначальные модели SEM были построены на основе априорных знаний об апосематизме и размерах тела, а затем сравнивались с альтернативными моделями, которые включали другие признаки. Используя новый филогенетически обоснованный анализ и реконструкцию предков в этой кладе, Сантос и Каннателла (2011) смогли сузить альтернативные гипотезы эволюции сложной черты, позволяющей избежать превращения в жертву, до двух.Филогенетические подходы, такие как представленные Сантосом и Каннателлой (2011) (см. также Колбе и др., 2011), дают надежду на понимание эволюционных шагов, которые приводят к сложным признакам с поведенческими, физиологическими, экологическими и размерными компонентами. . Сочетание в анализе сильных сторон «определяемых исследователем» и «определяемых данными» модулей может быть особенно важным, поскольку мы выходим за рамки модельных систем в исследованиях эво-дево и стремимся оценить, соответствуют ли паттерны фенотипической ковариации, а также их онтогенетические и генетические основы. , являются видоспецифичными.

Пластичность развития и интеграция

Фенотипическая пластичность — это термин, обычно используемый для описания различных фенотипов одного признака, проявляющихся в ответ на воздействие окружающей среды (Pigliucci and Marlow 2001). Несколько признаков могут одновременно реагировать на градиент окружающей среды; таким образом, паттерны интеграции сами по себе могут быть пластичными, раскрывая различные наборы фенотипических вариаций (Schlichting and Pigliucci 1998). Процессы развития могут способствовать возникновению этих дифференциальных паттернов пластичности и, в конечном счете, диверсификации (Pfennig et al.2010). Здесь я сосредоточусь на двух новых перспективах, которые связывают развитие и окружающую среду: (1) эффект краткосрочного возмущения окружающей среды во время развития и (2) эффект долгосрочного материнского воздействия на модели интеграции.

Возмущения окружающей среды во время разработки

Нарушения окружающей среды в раннем развитии могут повлиять на будущее развитие и, в конечном счете, на взрослую форму. Во время беременности возмущение окружающей среды в виде снижения качества питательных веществ в рационе влияло на модели интеграции черепа крысы в ​​онтогенезе (Gonzalez et al.2011а). Эти результаты подчеркивают, как пластические реакции могут возникать через альтернативные пути развития и компенсаторные механизмы. В сопутствующем исследовании изучалась фенотипическая интеграция в процессе развития после снижения количества питательных веществ на нескольких этапах развития (Gonzalez et al. 2011b). У крыс время и продолжительность возмущения среды питания влияют на изменения в структуре ковариации. Хотя все три основные структуры черепа уменьшились в размерах при лечении с низким содержанием питательных веществ, свод, лицо и основание претерпели наибольшие изменения, зависело от времени развития, в которое произошло возмущение окружающей среды.В обоих исследованиях возмущение окружающей среды влияло на изменчивость морфологии черепа, подтверждая пластичность развития как решающее влияние на паттерны фенотипической интеграции.

Материнские эффекты

Материнские эффекты влияют на модели интеграции признаков между поколениями. В исследовании полиморфного вида ящериц Uta stansburiana Landcaster et al. (2010) представили доказательства того, что материнские эффекты влияют на фенотипическую интеграцию поведения с окраской горла и спины, размером яиц и формой тела.Более того, самки ящериц влияют на черты потомства за счет уровня гормонов, регулируемых социальными сигналами окружающей среды, такими как цвет горла соседей и партнера и уровень стресса. Результатом является подходящее сочетание цветов спины и горла, размера яиц, а также поведенческих и структурных черт, направленных против хищников, у потомства. Адаптивные материнские эффекты в этой системе поддерживают фенотипическую интеграцию, поскольку в противном случае полезные комбинации признаков были бы нарушены рекомбинацией.

В системе растений Galloway and Burgess (2009) экспериментально манипулировали временем цветения Campanulastrum americana , чтобы изучить влияние фенологии на репродуктивную интеграцию и особенности жизненного цикла в потомстве.Сдвиг набора репродуктивных признаков (включая цветение, созревание плодов и расселение) происходил одновременно, независимо от того, было ли цветение экспериментально смещено раньше или позже. Однако время материнского размножения влияло на частоту потомства, выражающего годовую историю жизни. Несмотря на пластичность, тесная интеграция репродуктивных признаков предполагает, что реакции цветения на климатические изменения будут включать сдвиги во всем наборе репродуктивных признаков и существенно влиять на развитие и историю жизни потомства.

Геномный анализ с использованием подходов QTL

Исследования

QTL как у растений, так и у животных указывают на плейотропию (или близкое сцепление) как на первичный компонент генетической основы интеграции (Cheverud 2004). Совместная локализация QTL для разных признаков является метрикой для идентификации генетических модулей. В сельскохозяйственной культуре масличного рапса ( Brassica rapa ) анализ цветочных и вегетативных признаков в наборе RIL (рекомбинантных инбредных линий) выявил высокий уровень интеграции в цветочном модуле и небольшую дифференциацию между цветочным и вегетативным модулями (Эдвардс и Вайниг 2011).Эдвардс и Вайниг (2011) предположили плейотропию или тесную физическую связь как вероятные генетические механизмы, лежащие в основе этих паттернов интеграции, учитывая две линии доказательств. Рекомбинация в большом наборе RIL снижает LD среди физически удаленных генов. Колокализация QTL для вегетативных и цветочных признаков согласуется с плейотропией или близким сцеплением, двумя генетическими механизмами, которые неразличимы при использовании подхода QTL. Купер и др. (2011) представили доказательства совместно локализованного QTL для признаков с общей функцией питания и формой черепа у цихлид.Кроме того, были доказательства QTL для корреляций между самими признаками. Для описания эволюционного влияния плейотропии использовались две альтернативные точки зрения. Плейотропия может ограничивать независимую эволюцию сильно коррелированных признаков (Edwards and Weinig, 2011) или способствовать адаптивной диверсификации посредством фенотипической интеграции (Cooper et al., 2011).

Геномные подходы к изучению генетической основы фенотипической интеграции за последнее десятилетие в значительной степени (хотя и не полностью) были сосредоточены на анализе QTL.Будущие исследования, включающие точное картирование (Murren and Kover 2004; Edwards and Weinig 2011), помогут разобраться в относительной важности тесного сцепления и плейотропии. Различить эти два эффекта с помощью современных методов QTL невозможно. В сочетании с информацией полногеномных проектов модельных организмов и сельскохозяйственных организмов (включая сельскохозяйственные культуры, промысловую рыбу, домашний скот и виды вредителей) комбинированные исследования QTL и точного картирования могут привести к идентификации генов-кандидатов, которые откроют двери для исследования функции и времени конкретных генов и комбинаций генов.

Путь вперед: геномные, экологические и связанные с развитием нарушения

Новые инструменты на горизонте и новое применение классических инструментов открывают потенциально новые возможности для изучения влияний всего генома, экологии и развития на паттерны фенотипической интеграции. Например, используя классические фенотипические подходы, гибридные виды дают представление о влиянии широких изменений в составе генома на эволюцию интеграции посредством перетасовки встречающихся в природе вариаций и изменений в крупных компонентах генома.В системах, где существуют родительские и гибридные формы, контраст геномных комбинаций может нарисовать эволюционную картину интеграции. При изучении семи видов Brassica и близкородственного Raphanus , которое включало гибриды и их диплоидные родственники, гибриды были более интегрированы как внутри, так и между модулями, чем любой из их родительских видов (Murren et al. 2002). Однако ни цитогенетика, ни экологическое сходство не объясняют различий между видами в закономерностях фенотипических соотношений морфологических и жизненных признаков.Отчасти эти различия между родительскими видами и гибридами могут отражать долгую стабильную историю этого гибридного комплекса. На другом конце гибридного спектра цихлиды в рифтовых озерах Восточной Африки известны своим филогенетическим разнообразием и склонностью к гибридизации в экологических временных масштабах (Parsons et al. 2011). Два вида цихлид из озера Малави, которые различаются по способу добычи пищи и ширине челюстей, были экспериментально гибридизованы, чтобы изучить способность этого геномного возмущения изменять модели интеграции (Parsons et al.2011). Анализ формы головы (с боковых и вентральных проекций) выявил значительно сниженные паттерны интеграции у гибридов по сравнению с любым из родителей. Некоторые гибридные особи демонстрировали признаки трансгрессивной сегрегации — экстремальные фенотипы у гибридов по сравнению с родительскими видами. У тех особей, у которых наблюдалась трансгрессивная сегрегация, наблюдалось дальнейшее снижение фенотипической интеграции. Эти паттерны позволяют предположить, как гибридизация может способствовать эволюции новых фенотипов, разрушать паттерны интеграции и способствовать диверсификации в быстро развивающейся группе (Parsons et al.2011). Необходимы дальнейшие исследования гибридов, чтобы выяснить вклад введения новых фенотипических вариаций по сравнению с селективной средой. Эти исследования будут особенно плодотворными в таких группах, как Brassica и цихлиды, геномные и экологические данные которых многочисленны и постоянно растут, и для которых возможны экспериментальные манипуляции.

Другим успешным инструментом в изучении фенотипической интеграции является введение новых фенотипических вариаций посредством новых мутаций, нарушающих пути развития.Одним из таких подходов является мутагенез EMS — метод, который вызывает новые мутации в экспериментально поддающиеся обработке временные рамки, вводит новые генетические вариации и потенциально изменяет средства признаков и их модели фенотипической интеграции. Камара и др. (2000) продемонстрировали, что мутагенез EMS у A. thaliana изменяет паттерны интеграции, изменяя ряд конкретных парных корреляций признаков. Интересно, что особенно сильная и хорошо изученная корреляция между временем цветения и числом розеточных листьев у мутагенизированных линий оказалась менее лабильной, чем другие зависимости признаков.Другие более поздние подходы к генетическим нарушениям, такие как введение интрогрессии мутаций, которые влияют на форму крыла в различных генетических фонах Drosophila melanogaster (Dworkin et al. 2009), и сравнение мутантов Mus musculus , о которых известно, что они влияют на аспекты сложного черепно-лицевого фенотипа с M. musculus дикого типа и его близкими родственниками (Jamniczky and Hallgrímsson 2009), может дать представление о влиянии межгенных взаимодействий на паттерны фенотипической интеграции.

Модельные многоклеточные организмы, такие как Arabidopsis , Drosophila и Mus , особенно хорошо подходят для изучения влияния геномных нарушений на модели фенотипической интеграции, поскольку многие геномные данные общедоступны, а генетические линии доступны в центрах хранения (например, в центрах хранения видов дрозофилы ABRC, Bloomington и DSSC). Один из таких ресурсов включает нокауты Т-ДНК в A. thaliana (например, Т-ДНК SALK) (O’Malley and Ecker 2010).Этот набор из 17 000 ранних нокаутных линий Т-ДНК включает в себя нокаутные линии одного гена на одном и том же генетическом фоне. Хотя геномный ресурс доступен, фенотипические данные редки, в основном отсутствуют или редко выявляются (Kuromori et al. 2006; Hanada et al. 2009; см. Hillenmeyer et al. 2008 для комбинированного набора фенотипических и геномных данных о дрожжах). . unPAK (студенты, фенотипирующие Arabidopsis нокаутов www.arabidopsisunpak.org) представляет собой сеть лабораторий, изучающих влияние нокаутов одного гена на сложные фенотипические признаки, такие как успешность прорастания, размер розеток и соцветий, урожайность плодов, общую биомассу растений и в конечном счете модели интеграции.Фенотипирование с конечной целью полного охвата генома требует больших затрат времени и труда. Подход unPAK очень похож на рандомизированный полный блочный дизайн (Gotelli and Ellison 2004) с растениями, выращенными и фенотипированными с течением времени, с помощью экспериментально реализованных обработок и в нескольких лабораториях. Многочисленные студенты-исследователи в каждом учреждении используют общие протоколы, помещают данные в общую базу данных и вносят новые идеи и наблюдения. В этот век фенотипа сбор фенотипических данных, таких как запланированные UNPAK, является следующим рубежом в исследовании вопросов фенотипической интеграции и роли пластичности развития.

Оценка эпигенетики как вклада в наследуемое фенотипическое разнообразие (West-Eberhard 2003; Richards et al. 2010) и межпоколенческая пластичность являются ключом к переводу влияния окружающей среды на интеграцию. Достижения в обнаружении дифференциальных паттернов метилирования ДНК среди генотипов (Lister et al., 2009; Becker et al., 2011) и экспериментальное изменение метилирования ДНК (Bossdorf et al., 2010) позволяют лучше понять влияние наследуемых эпигенетических полиморфизмов. на модели фенотипической интеграции.

Следует подчеркнуть, что дополнительные исследования возмущений окружающей среды (Pélabon et al. 2011) и нарушений развития (Gonzalez et al. 2011a, 2011b) крайне необходимы для различных систем. Эти типы исследований помогают понять эти влияния на изменения в паттернах интеграции и модульной структуры и позволят проводить синтез среди многоклеточных эукариот. Краткосрочные и долгосрочные исследования возмущений дополняют друг друга и могут предоставить данные о буферизации и изменениях модульности развития ( sensu Klingenberg 2003).Исследование неморфологических модулей, таких как защитные черты (Huang et al. 2010), также необходимо для оценки того, существуют ли общие темы для классов фенотипов. Сравнения между существующими парами штаммов, например, дикими типами и сельскохозяйственными линиями, специально отобранными по защитным признакам (например, трансгенные растения, такие как Bt-кукуруза), обеспечивают дополнительные системы, которые были нарушены генетически, раскрывая вариации и подходящие для фенотипических подходов . Модельные подходы (например, SEM) помогут в оценке состава модуля.Важным следующим шагом станет дальнейшее объединение теоретических достижений, которые формально включают в себя развитие, геномные и экологические вариации, с нашим эмпирическим пониманием модулей и интеграции.

Эпоха геномики сделала возможными инструменты для экспериментального введения генетических вариаций бесчисленными способами, а в последнее время и для модификации эпигенетики посредством изменений в метилировании ДНК. В эпоху фенотипа характеристика фенотипов в разных средах и в ходе развития с использованием инструментов, которые возмущают геномные, экологические системы или системы развития, сформирует следующую главу в поисках понимания того, как сложные признаки и их отношения строятся и поддерживаются на протяжении эволюционного времени. .

Финансирование

Выражаю благодарность Национальному научному фонду и Обществу интегративной и сравнительной биологии за финансовую поддержку симпозиума. Эта работа была поддержана краткосрочной стипендией NESCent и Национальным научным фондом (IOS 1052262 для Rutter, C.M. и Strand; IOS 1146977 для C.M.).

Благодарности

Я благодарю Мэтью Вунда и Армина Мочека за организацию этого симпозиума в Обществе интегративной и сравнительной биологии в 2012 г. и за приглашение принять участие.Я выражаю благодарность SICB и разделам DAB, DCE, DEDB, DEE, DPCB (ранее DSEB), DIZ и DVM. Мы с благодарностью признательны за вдохновляющие выступления других спикеров симпозиума о сложных фенотипах и оживленные беседы с членами рабочей группы «Полифенизм» и рабочей группы «Затраты на пластичность» в NESCENT. Я также выражаю признательность Мэтту Раттеру, Аллану Стрэнду и Хилари Каллахан за обсуждение этой темы и Мэтту Раттеру за критику предыдущих черновиков.

Каталожные номера

, , , , , , , , , , и другие.

Геном зеленой аноловой ящерицы и сравнительный анализ с птицами и млекопитающими

,

Nature

,

2011

, vol.

477

 (стр. 

587

91

),  ,  ,  ,  .

Ковариация и разделение цветочных и вегетативных признаков у девяти неотропических растений: переоценка концепции корреляции-плеяды Берга

86

 (стр.

39

55

),  ,  ,  . , .

Цветочная интеграция, модульность и точность

,

Фенотипическая интеграция

,

2004

Нью-Йорк

Oxford University Press

.

Конечные причины фенотипической интеграции: потеряны при переводе

,

Эволюция

,

2005

, том.

59

 (стр. 

2059

61

),  ,  ,  ,  ,  .

Спонтанная эпигенетическая изменчивость Arabidopsis thaliana метилом

,

Nature

,

2011

, vol.

480

 (стр. 

245

49

),  ,  .

Вариабельные модели отбора на форме губы Geoblasta pennicillata , орхидеи, вводящей половые признаки

,

J Evol Biol

,

2009

, vol.

22

 (стр. 

2345

62

).

Экологическое значение корреляционных плеяд

,

Эволюция

,

1960

, том.

14

 (стр. 

171

80

),  .

Морфология флоры в Nicotiana : архитектурные и временные эффекты на фенотипическую интеграцию

,

Int J Plant Sci

,

2008

, vol.

169

 (стр. 

225

40

),  .

Модульная генетическая архитектура морфологии цветков Nicotiana : количественные генетические и сравнительные фенотипические подходы к интеграции цветков

,

J Evol Biol

,

2010

, том.

23

 (стр. 

1744

58

),  ,  ,  .

Экспериментальные изменения метилирования ДНК влияют на фенотипическую пластичность экологически значимых признаков у Arabidopsis thaliana

,

Evol Ecol

,

2010

, vol.

24

 (стр. 

541

53

),  .

Пластичность к ветру является модульной и генетически изменчивой.

23

 (стр. 

669

85

),  .

Пластичность и ковариации, зависящие от окружающей среды: исследование цветочно-вегетативных и внутрицветковых корреляций

,

Эволюция

,

2007

, том.

61

 (стр. 

2913

24

),  .

Фенотипическая интеграция и пластичность интеграции у амфикарпического однолетника

,

Int J Plant Sci

,

2000

, vol.

161

 (стр. 

89

98

),  ,  .

Индуцированные мутации: новый инструмент для изучения фенотипической интеграции и эволюционных ограничений у Arabidopsis thaliana

,

Evol Ecol Res

,

2000

, vol.

2

 (стр. 

1009

29

),  ,  ,  .

Всего животные изображений, функции гена и данио проект

фена,

Cu ОПИН Жена Dev

,

2011

, т.

21

(стр.

620

29

) ,. , .

После этого морфологическая интеграция: сорок лет спустя

,

морфологическая интеграция

,

1999

Chicago

Chicago

Университет Чикаго

(стр.

319

53

).

Фенотипическая, генетическая и экологическая морфологическая интеграция в черепе

,

Эволюция

,

1982

, том.

36

 (стр. 

499

16

).

Интеграция развития и эволюция плейотропии

,

Am Zool

,

1996

, том.

36

 (стр. 

44

50

). , .

Модульные плейотропные эффекты локусов количественных признаков на морфологические признаки

,

Модульность в развитии и эволюции

,

2004

Чикаго

University of Chicago Press

(стр.

132

53

),  ,  .

Плейотропные эффекты отдельных локусов генов на морфологию нижней челюсти

,

Эволюция

,

1997

, vol.

51

(стр.

2006

16

) ,.

Экспериментальные исследования в природе видов: IV

,

Генетическая структура экологических рас

,

1958

Вашингтон, округ Колумбия

Институт Карнеги, Вашингтон

,  .

Баланс между согласованностью и изменчивостью в эволюции

,

Proc Natl Acad Sci USA

,

1960

, vol.

46

 (стр. 

494

506

),  ,  .

Экспериментальные исследования природы видов: влияние различных условий окружающей среды на растения западной части Северной Америки

1940

Вашингтон

Институт Карнеги

.

Генетические механизмы корреляции признаков цветка в природной популяции

,

Природа

,

2002

, том.

420

 (стр. 

407

10

),  .

Проверка гипотез функциональных взаимосвязей: сравнительный обзор закономерностей корреляции между признаками цветков у 5 растений, опыляемых насекомыми

82

 (стр. 

1399

406

),  .

Отбор на независимость цветочных и вегетативных признаков: данные корреляции пяти видов

,

Can J Bot

,

1996

, vol.

74

 (стр. 

642

44

),  ,  ,  .

Функциональная генетическая интеграция в черепах цихлид озера Малави

,

Evol Biol

,

2011

, vol.

38

 (стр. 

316

34

),  .

Крупномасштабное разнообразие формы черепа у домашних собак: несоответствие и модульность

,

Am Nat

,

2010

, vol.

175

 (стр. 

289

301

),  ,  ,  ,  ,  ,  .

Геномные последствия фоновых воздействий на экспрессивность мутанта scalloped в крыле Drosophila melanogaster

,

Генетика

,

2009

, vol.

181

 (стр. 

1065

76

),  .

Количественно-генетическая и QTL-архитектура интеграции признаков и модульности в Brassica rapa в моделируемых сезонных условиях

,

Наследственность

,

2011

, vol.

106

 (стр. 

661

77

),  ,  .

Ассоциация множественных взаимодействующих генов с определенными фенотипами у риса с использованием сетей коэкспрессии генов

154

 (стр. 

13

24

),  ,  ,  .

Фенотипическая интеграция: между нулем и количеством слишком много

183

 (стр. 

248

50

),  .

Феномика – технологии для устранения узкого места фенотипирования

16

 (стр. 

635

44

),  .

Управление временем цветения: фонологическая интеграция и материнские эффекты

,

Экология

,

2009

, том.

90

 (стр. 

2139

48

),  ,  .

Тесная гормональная фенотипическая интеграция обеспечивает достоверность электрического сигнала самца и самки

60

 (стр. 

420

26

),  ,  .

Пластичность развития в ковариантной структуре черепа: последствия внутриутробного стресса

,

J Anat

,

2011

, vol.

218

 (стр. 

243

57

),  ,  .

Влияние возмущений окружающей среды во время постнатального развития на фенотипическую интеграцию черепа

,

J Exp Zool

,

2011

, том.

316

 (стр. 

547

61

),  .

Учебник по экологической статистике

2004

Сандерленд, Массачусетс

Синауэр

,  .

Вариант: центральное понятие в биологии

Расшифровка палимпсеста: изучение связи между морфологической интеграцией и фенотипической ковариацией

,

Эвол Биол

,

2009

, том

36

 (стр. 

355

76

),  .

Модель мыши и эволюционная биология развития черепа

,

Int Comp Biol

,

2008

, vol.

48

 (стр. 

373

84

),  ,  ,  ,  .

Эпигенетические взаимодействия и структура фенотипической изменчивости черепа

,

Evol Dev

,

2007

, vol.

9

 (стр. 

76

91

),  ,  ,  ,  ,  .

Эволюционная устойчивость функциональной компенсации за счет дупликации генов у Arabidopsis

,

Genome Biol Evol

,

2009

, vol.

1

 (стр. 

409

14

),  ,  .

Сравнение вариационных свойств гомологичных цветочных и вегетативных признаков у Dalechampia scandens : проверка гипотезы Берга

,

Evol Biol

,

2007

, vol.

34

 (стр. 

86

98

),  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , и др.

Химический геномный портрет дрожжей: выявление фенотипа для всех генов

320

 (стр. 

362

65

),  ,  .

Феномика: следующий вызов

,

Nat Rev Genet

,

2010

, том.

11

 (стр. 

855

66

),  ,  ,  ,  ,  ,  ,  .

Варьирование индуцированных травоядными летучих терпенов среди экотипов Arabidopsis зависит от аллельных различий и субклеточного нацеливания двух терпенсинтаз, TPS02 и TPS03

,

Plant Physiol

,

2010

, vol.

153

 (стр. 

1293

301

),  .

Сравнение структуры ковариаций в черепах диких и лабораторных муроидов

63

 (стр. 

1540

56

),  ,  .

Локусы количественных признаков морфологии цветков в Arabidopsis thaliana

,

Генетика

,

2000

, vol.

156

 (стр. 

1379

92

),  ,  .

Фенотипическая интеграция и независимость: гормоны, производительность и реакция на изменение окружающей среды

49

 (стр. 

365

79

). .

Взгляд на нестабильность развития с точки зрения развития: теория, модели и механизмы

,

Нестабильность развития, причины и последствия

,

2003

Нью-Йорк

Oxford University Press

.

Эволюция и развитие формы: интеграция количественных подходов

,

Nat Rev Genet

,

2010

, том.

11

 (стр. 

623

35

),  ,  .

Количественная генетика формы крыльев сверчков: интеграция развития в функциональную структуру

,

Эволюция

,

2010

, том

64

 (стр. 

2935

51

),  ,  ,  .

Пластичность развития, морфологическая изменчивость и эволюционируемость: многоуровневый анализ морфометрической интеграции в форме сложных листьев

,

J Evol Biol

,

2012

, том.

25

 (стр. 

115

29

),  ,  ,  ,  .

Конвергентная эволюция фенотипической интеграции и ее согласование с морфологической диверсификацией у Карибских экоморфов Anolis

,

Эволюция

,

2011

, vol.

65

 (стр.

3608

24

),  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , и др.

Испытание феномного анализа с использованием 4000 Ds-инсерционных мутантов в областях, кодирующих гены Arabidopsis

,

Plant J

,

2006

, vol.

47

 (стр.

640

51

),  ,  .

Материнская адаптация размера яйца организует альтернативное поведение побега, способствуя адаптивной фенотипической интеграции

64

 (стр. 

1607

21

),  ,  .

Next is now: новые технологии секвенирования геномов, транскриптомов и не только

12

 (стр. 

107

18

).

Статистические методы изучения модульности: ответ Mitteroecker и Bookstein

,

Syst Biol

,

2009

, vol.

58

 (стр. 

146

49

).

Статистическая основа для проверки модульности многомерных данных

62

 (стр. 

2688

708

),  ,  ,  ,  .

Разложение ответа на выбор (SRD): новый инструмент для анализа различий и сходств между матрицами

38

 (стр. 

225

41

),  ,  .

Является ли карта генотип-фенотип модульной? Подход с использованием данных локуса количественных признаков (QTL)

,

Genetics

,

2000

, vol.

156

 (стр. 

305

11

),  .

Концептуальная и статистическая взаимосвязь между модульностью и морфологической интеграцией

56

 (стр. 

818

36

).

Фенотипическая интеграция в растениях

,

Plant Species Biol

,

2002

, vol.

17

 (стр. 

89

99

),  . , .

Картирование QTL: первый шаг к пониманию молекулярно-генетических механизмов, лежащих в основе фенотипической сложности/интеграции

Фенотипическая интеграция у нескольких близкородственных видов Brassica

,

Am J Bot

,

2002

, vol.

89

 (стр. 

655

63

),  .

Морфологическая интеграция

1958

Чикаго

University of Chicago Press

,  .

Связывание генотипа с фенотипом в коллекции мономутантов Arabidopsis

,

Plant J

,

2010

, vol.

61

 (стр. 

928

40

),  ,  ,  .

Адаптивное значение фенотипической цветочной интеграции

179

 (стр. 

1183

92

),  ,  .

Гибридизация способствует эволюции африканских цихлид: связь между трансгрессивной сегрегацией и фенотипической интеграцией

38

 (стр. 

306

15

),  ,  .

Экспериментальное подтверждение гипотезы Берга: вегетативные признаки более чувствительны к изменениям окружающей среды, чем признаки опыления.

25

(стр.

247

57

),,,,,,.

Влияние фенотипической пластичности на разнообразие и видообразование

Trends Ecol Evol

2010

, vol.

25

(стр.

459

67

).

Генотип-фенотип отображение и конец метафоры «Гены как метафора чертежи

,

Philos Trans R Soc Lond B

,

2010

, Vol.

365

(стр.

557

66

) ,.

Дифференциация по времени цветения и фенотипической интеграции у Arabidopsis thaliana в ответ на продолжительность сезона и яровизацию

,

Oecol

,

2001

, vol.

127

(стр.

501

08

).

Форма жизни: Гены, развитие и эволюция формы животных

,

1996

Chicago

Университет Чикаго

,.

Какую роль играет наследственная эпигенетическая вариация в фенотипической эволюции?

,

Bioscience

,

2010

, Vol.

60

(стр.

232

37

),.

фенотипическая интеграция без модульности: тестирование гипотез о распределении плейотропных количественных признаков локуса в непрерывном пространстве

,

EVOL BIOL

,

2009

, Vol.

36

(стр.

282

91

) ,.

Эволюция самопровержительного цветка в Кларкия Xantiana (Onagraceae). I. Размер и развитие цветочных органов

,

AM J BOT

,

2000

, Vol.

87

(стр.

1439

51

),.

рождения, смерть и субфункционализация в арабидопсис геном

,

тенденций на основе тенденций SCI.

,

2012

,.

фенотипическая интеграция возникает из апосематизма и масштаба в ядовитых лягушках

,

PREC NATL ACCI SCI

,

2011

, Vol.

108

 (стр. 

6175

80

).

Фенотипическая интеграция и изменение окружающей среды

,

BioScience

,

1989

, vol.

39

 (стр. 

460

64

),  .

Фенотипическая эволюция: перспектива нормы реакции

1998

Sunderland MA

Sinauer Associates

,  .

Модульность в разработке и эволюции

2004

Чикаго

University of Chicago Press

,  .

Высокопроизводительное фенотипирование многоклеточных организмов: поиск связи между генотипом и фенотипом

12

стр.

219

 .

О росте и форме

1917

Кембридж

Cambridge University Press

,  .

Интеграция пластических признаков в градиенте CO 2 в Arabidopsis thaliana

,

Am Nat

,

2007

, vol.

169

 (стр.

E119

40

),  ,  ,  ,  .

Трехмерная геометрическая морфометрия для изучения изменчивости формы цветка

15

 (стр. 

423

26

),  .

Морфология листьев, таксономия и геометрическая морфометрия: упрощенный протокол для начинающих

,

Plos One

,

2011

, том.

6

стр.

e25630

 .

Гомологи, природные виды и эволюция модульности

,

Am Zool

,

1996

, vol.

36

 (стр. 

36

43

),  .

Перспектива: сложные адаптации и эволюция эволюционируемости

,

Эволюция

,

1996

, том.

50

 (стр. 

967

76

).

Пластичность развития и эволюция

2003

Нью-Йорк

Oxford University Press

,  .

Пластичность развития связывает локальную адаптацию и эволюционную диверсификацию в морфологии кормодобывания

314B

 (стр. 

434

44

)

Примечания автора

© The Author 2012. Опубликовано Oxford University Press от имени Общества интегративной и сравнительной биологии. Все права защищены. Для получения разрешений обращайтесь по электронной почте: [email protected] .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.