Какая связь между генотипом и фенотипом? Исследование описывает новый статистический метод определения активных и неактивных генов из транскриптомов
Каждая клетка вашего тела содержит генетическую информацию для развития бесчисленных частей. Из одного и того же генетического кода в каждой клетке развитие дает начало всем разнообразным тканям и органам, составляющим наше тело.
Биологи давно пытаются понять взаимосвязь между генотипом (лежащим в основе генетическим кодом) и фенотипом (результирующей структурой организма).
«Как получается, что клетки многоклеточного организма — каждая с идентичным геномом — дают начало тканям и органам удивительного структурного и функционального разнообразия?» — спросила группа исследователей Калифорнийского университета в Дэвисе в исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences.
В состав исследовательской группы входили ученый с докторской степенью Аммон Томпсон, профессор эволюции и экологии Артем Копп, доцент кафедры эволюции и экологии Брайан Мур и аспирант группы популяционной биологии Майкл Мэй.
Центральное место в ответах на эти фундаментальные вопросы занимает транскриптом : подмножество генов, которые экспрессируются в данной ткани.
Геномы животных и растений содержат десятки тысяч генов, и значительная часть этих генов активно экспрессируется в каждой ткани. Изучение связи генотип-фенотип требует, чтобы биологи были в состоянии надежно определить, какие гены активно экспрессируются в какой ткани. Эта, казалось бы, простая задача, на самом деле, общеизвестно сложна из-за молекулярной механики транскрипции, а также из-за причудливых методов, используемых для сбора транскриптомных данных.
Как и все биологические процессы, транскрипция генов сопровождается шумом; некоторые гены, которые не функционируют в данной ткани, тем не менее транскрибируются на низких уровнях (поэтому обнаружение транскриптов данного гена в данной ткани не обязательно указывает на то, что он там активен). Технический процесс сбора транскриптомных данных вносит дополнительный шум, из-за которого исследователи могут пропустить некоторые функциональные гены (поэтому обнаружение нулевых транскриптов данного гена в данной ткани не обязательно означает, что он там неактивен).
По словам Томпсона и его коллег, эти источники шума помешали ученым задавать, казалось бы, простые, хотя и очень важные, биологические вопросы, такие как «Какие гены активны в конкретном органе, например в мозге? Экспрессируется ли какой-либо из этих генов исключительно в этом органе? Были ли какие-либо из этих генов недавно активированы в эволюции человека? И насколько распространены такие изменения в состоянии экспрессии генов (активация/деактивация)?»
Чтобы ответить на эти вопросы, ученые должны надежно отделить сигнал активной экспрессии от различных источников шума в транскриптомных данных.
Команда Калифорнийского университета в Дэвисе разработала статистический метод, который благодаря математическому описанию соответствующих биологических и технических процессов, связанных с транскриптомными данными, позволяет исследователям определять состояние экспрессии генов. В частности, они разработали иерархическую байесовскую модель, которая использует модели вариаций в экспрессии генов как между генами, так и между репликами образцов транскриптома, чтобы изолировать сигнатуру активной экспрессии в наборах данных секвенирования РНК.
«Наш метод обеспечивает основанный на данных подход для определения границы между активной транскрипцией и фоновым шумом», — говорят исследователи. «Он использует все преимущества экспериментальной репликации и устраняет необходимость в специальных процедурах».
Исследователи внедрили свой статистический метод в компьютерную программу ZigZag, которая стала важным новым инструментом для биологов.
ZigZag к успеху
Команда проверила эффективность и точность своего метода с помощью различных экспериментов. Во-первых, команда провела «эмпирический эталонный» анализ тканей легких человека, где состояние экспрессии каждого гена ранее определялось независимыми средствами (на основе химических маркеров, окружающих хромосомные местоположения генов). Затем они использовали ZigZag для определения состояний экспрессии каждого гена из транскриптомов легких человека, которые правильно определили (известное) состояние экспрессии более 90% этих генов.
Чтобы продемонстрировать потенциал своего метода, команда использовала ZigZag для сравнения транскриптомов мозга человека, шимпанзе и макаки. Команда сделала вывод о состояниях экспрессии генов в шести различных областях мозга — миндалевидном теле, вентральной лобной коре, дорсальной лобной коре, верхней височной коре, стриатуме и области 1 зрительной коры — чтобы определить набор генов, которые однозначно активны (или неактивны). в мозгу человека.
В шести областях мозга исследователи обнаружили «от 9 до 20 генов, которые были уникально активны у людей, и от 16 до 23 генов, которые были уникально неактивны у людей, с наибольшим количеством уникальных состояний экспрессии, расположенных в полосатом теле». Поскольку полосатое тело участвует в координации нескольких аспектов познания, команда отметила, что открытие «генов, которые уникально активны в человеческом мозгу, представляют собой факторы, которые могут быть вовлечены в когнитивную эволюцию человека».
Комментируя важность нового метода, исследователи заявили, что он «предоставит мощные средства для классификации состояния экспрессии генов в любом образце, в то же время определяя количество неопределенности в этой классификации».
Команда сказала, что они «оптимистичны в том, что — предоставляя надежные и мощные средства для определения состояния экспрессии генов — наш метод значительно расширит возможности биологов по сравнению транскриптомов разных видов и тканей и тем самым улучшит наше понимание транскриптома». эволюции и, в конечном счете, выявить взаимосвязь между генотипом и фенотипом».
3.2: Отношения между генами, генотипами и фенотипами
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 4016
- Тодд Никл и Изабель Барретт-Нг
- Университет Маунт-Ройял и Университет Калгари
Терминология
Определенное положение на хромосоме называется локусом .
Каждый ген занимает определенный локус (поэтому термины локус и ген часто используются взаимозаменяемо). Каждый локус будет иметь аллельную форму (аллель). Полный набор аллелей (по всем интересующим локусам) у индивидуума составляет его генотип . Как правило, при записи генотипа учитываются только аллели в интересующем локусе (локусах) — все остальные присутствуют и считаются диким типом. Видимый или обнаруживаемый эффект этих аллелей на структуру или функцию этого индивидуума называется его фенотип — как он выглядит. Фенотип, изучаемый в любом конкретном генетическом эксперименте, может варьироваться от простых видимых признаков, таких как цвет волос, до более сложных фенотипов, включая восприимчивость к болезням или поведение. Если у особи присутствуют два аллеля, то различные взаимодействия между ними могут влиять на их выражение в фенотипе.
Полное доминирование
Вернемся к примеру простого фенотипа: окраска цветков гороха Менделя.
Мы уже говорили, что один аллель в гомозиготе дает пурпурные цветы, а другой аллель в гомозиготе дает белые цветы (см. рис. 1.8 и 3.3). Но как насчет человека, у которого есть один пурпурный аллель и один белый аллель; каков фенотип особи с гетерозиготным генотипом? Это можно определить только экспериментальным наблюдением. Мы знаем из наблюдений, что особи, гетерозиготные по пурпурному и белому аллелям гена окраски цветка, имеют пурпурные цветки. Таким образом, аллель, связанный с фиолетовым цветом, называется 9.0082 доминирует над аллелем, отвечающим за белый цвет. Белая аллель, чей фенотип маскируется пурпурной аллелью в гетерозиготе, является рецессивным к пурпурной аллели.
Чтобы представить эту связь, часто доминантный аллель будет представлен заглавной буквой (например, A ), а рецессивный аллель будет представлен строчными буквами (например, и ).
Однако используется множество различных систем генетических символов. Наиболее распространенные приведены в таблице \(\PageIndex{1}\). Также обратите внимание, что гены и аллели обычно пишутся курсивом , а хромосомы и белки — нет. Например, ген white у Drosophila melanogaster на Х-хромосоме кодирует белок, называемый WHITE.
Примеры | Интерпретация |
|---|---|
А и А | Заглавные буквы обозначают доминантные аллели, а строчные буквы обозначают рецессивные аллели. |
а + и а 1 | Верхние или нижние индексы используются для обозначения аллелей. Для аллелей дикого типа символом является верхний индекс +. |
АА или А/А | Иногда используется косая черта, чтобы указать, что два символа являются аллелями одного и того же гена, но в гомологичных хромосомах. |
Мендель изобрел эту систему, но она широко не используется, потому что не все аллели демонстрируют полное доминирование, а многие гены имеют более двух аллелей.Неполное доминирование
Помимо доминирования и рецессивности, между аллелями могут существовать и другие отношения.
При неполном доминировании (также называемом полудоминированием , Рисунок \(\PageIndex{4}\)) оба аллеля влияют на признак аддитивно, и фенотип гетерозиготы является промежуточным между любой из гомозигот. Например, аллели окраски цветков гвоздики (и многих других видов) проявляют неполное доминирование. Растения с аллелем красных лепестков ( A 1 ) и аллель белых лепестков ( A 2 ) имеют розовые лепестки. Мы говорим, что аллели A 1 и A 2 демонстрируют неполное доминирование, поскольку ни один из аллелей не является полностью доминантным над другим.
Кодоминантность
Кодоминантность — это другой тип аллельного родства, при котором гетерозиготный индивидуум одновременно проявляет фенотип обоих аллелей.
Пример кодоминирования обнаружен в группе крови
Рисунок \(\PageIndex{5}\): Связь между генотипом и фенотипом для трех аллелей гена АВО человека.
Аллели I A и I B демонстрируют кодоминирование. Аллель I A полностью доминирует над аллелем i. Аллель I B полностью доминирует над аллелем i. (Original-Deholos-CC:AN)
Также важно отметить, что третий аллель, i , не образует ни один из антигенов и является рецессивным по отношению к другим аллелям. I A /i или I B /i индивидуумы имеют антигены A или B соответственно. Люди, гомозиготные по аллелю и , имеют группу крови О. Это полезное напоминание о том, что могут существовать разные типы отношений доминирования даже для аллелей одного и того же гена. Многие типы молекулярных маркеров, которые мы обсудим в одной из последующих глав, демонстрируют кодоминантные отношения между аллелями.
Эта страница под названием 3.2: Отношения между генами, генотипами и фенотипами распространяется под лицензией CC BY-SA 3.0 и была создана, изменена и/или курирована Тоддом Никлом и Изабель Барретт-Нг через исходный контент, который был отредактирован для стиль и стандарты платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.
