Группа наиболее сходных по генотипу и фенотипу особей вида: Группы наиболее сходных по генотипу и финотипу особей вида, обитающих совместно называются: а) популяцией б) семейством в) родом г) отрядом

1. Задачи селекции. Методы селекции. Работы Н. И. Вавилова

Все особи такой группы имеют сходные морфологические и физиологические признаки, однотипную реакцию на изменение факторов внешней среды, определённый уровень продуктивности.

1. Искусственный отбор используется для сохранения и размножения  особей с желаемой комбинацией признаков. Различают массовый и индивидуальный отбор. 

  

При массовом отборе одновременно отбирают большое число особей с нужным признаком, остальные выбраковывают. Это отбор по фенотипу, он не даёт генетически однородного материала. Повторяется многократно.

  

При индивидуальном отборе (по генотипу) выделяют одну особь с необходимыми признаками и получают от неё потомство.

 

2. В селекционной работе используют следующие методы гибридизации: инбридинг, аутбридинг и отдалённую гибридизацию.

Инбридинг — близкородственное скрещивание.

При инбридинге скрещиваются потомки с родительскими формами или потомки одних и тех же родителей. Этот тип скрещивания применяют для получения чистых линий, т. е. перевода большинства генов в гомозиготное состояние и закрепления ценных признаков. Нежелательным последствием близкородственного скрещивания является инбредная депрессия — снижение продуктивности и жизнеспособности потомства из-за проявления рецессивных мутаций.

Аутбридинг — неродственное (межпородное или межсортовое) скрещивание.

При неродственном скрещивании может наблюдаться эффект гетерозиса (гибридной силы) — повышение жизнеспособности и продуктивности гибридов по сравнению с родительскими формами. Гетерозис проявляется у гибридов первого поколения и обусловлен переходом большинства генов в гетерозиготное состояние. При этом нежелательные рецессивные мутации становятся скрытыми. При половом размножении в следующих поколениях степень гетерозиготности уменьшается и эффект гибридной силы исчезает. Он может сохраняться только при вегетативном размножении.

Отдалённая гибридизация — скрещивание организмов, относящихся к разным видам и родам.

Осуществляется с трудом, а полученные гибриды бесплодны из-за затруднения конъюгации хромосом разных видов в профазе  \(I\) мейоза. Разработаны методы преодоления бесплодия.

  

3. Искусственный (индуцированный) мутагенез используют для увеличения разнообразия исходного материала. Мутагенез вызывают действием мутагенных факторов, например, рентгеновского облучения. Мутации носят ненаправленный характер, поэтому селекционер  отбирает организмы с новыми полезными свойствами.

  

Геномной мутацией является полиплоидия, т. е. кратное увеличение числа хромосомных наборов. Используется в селекции растений. Полиплоидия позволяет избежать бесплодия межвидовых гибридов. Кроме того, многие полиплоидные формы культурных растений (пшеницы, картофеля, овощных культур) имеют более высокую урожайность, чем родственные диплоидные виды.

  

Искусственно полиплоидию вызывают обработкой растений колхицином. Колхицин разрушает нити веретена деления и препятствует расхождению гомологичных хромосом в процессе мейоза.

Для успешной селекционной работы в первую очередь необходим разнообразный исходный материал.

Поиск исходного материала облегчает закон гомологических рядов наследственной изменчивости, открытый Н. И. Вавиловым.

Если известны формы изменчивости одного вида, то можно предположить, что подобные формы будут существовать и у других близкородственных видов.

Урок биологии на мему «Вид. Критерии вида». Контрольный тест Селекция. Биотехнология Популяция растений со сходным генотипом и фенотипом

1

Селекция и её задачи. 10-11 кл.

1.Группу наиболее сходных по строению и жизнедеятельности животных , созданных для сельскохозяйственных целей человеком, называют

А) сортом; Б) видом; В) породой; Г) родом.

2. Метод получения новых сортов растений путем воздействия на организм ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, называют

А) гетерозисом; Б) полиплоидией; В) мутагенезом; Г) гибридизацией.

3. В селекции для получения новых полиплоидных сортов растений

В) усиления роста придаточных корней; Г) повышения устойчивости растений к неблагоприятным условиям.

15. Искусственный отбор – сохранение человеком организмов с интересующими его признаками в течение ряда поколений – способствует появлению

А) многообразия сортов растений и пород животных; Б) разнообразных видов растений;

В) разнообразных видов животных; Г) многообразия популяций животных и растений.

16. Для получения высокого урожая картофеля его следует несколько раз в течение лета окучивать, чтобы

А) ускорить созревание плодов ; Б) сократить численность вредителей;

В) способствовать развитию придаточных корней и столонов;

Г) улучшить питание корней органическими веществами.

КРИТЕРИИ ВИДА

Задачи : изучить понятие вида, его критерии и структуру.

Элементы содержания: вид, критерии вида: морфологический, физиологический, генетический, экологический, географический, исторический.

Тип урока: комбинированный.

Оборудование : изображения нескольких организмов, относящихся к одному виду.

Ход урока

I. Организационный момент.

II. Проверка знаний учащихся.

Тест по теме «Селекция»

Вопросы :

1. Популяция растений, характеризующаяся сходным генотипом и фенотипом, полученная в результате искусственного отбора, – это:

а) вид;

б) подвид;

в) порода;

г) сорт.

2. Каким путем осуществляется в селекции растений выведение новых сортов?

а) Выращиванием растений на удобренных почвах;

б) вегетативным размножением с помощью отводков;

в) скрещиванием растений различных сортов и последующим отбором потомства с ценными признаками;

г) выращиванием растений на бедных почвах.

3. При искусственном отборе формируются признаки, полезные:

а) человеку;

б) виду;

в) биогеоценозу;

г) породе.

4. Метод получения новых сортов растений путем воздействия на организм ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами называют:

а) гетерозисом;

б) полиплоидией;

в) мутагенезом;

г) гибридизацией.

5. Явление гетерозиса связано:

а) с новой комбинацией генов;

б) с изменчивостью генов;

в) с модификационной изменчивостью;

г) с хромосомными перестройками.

6. Группу наиболее сходных по строению и жизнедеятельности животных, созданных для сельскохозяйственных целей человеком, называют:

а) сортом;

б) видом;

в) породой;

г) родом.

7. Чистая линия растений – это потомство:

а) гетерозиготных форм;

б) одной самоопыляющейся особи;

в) межсортового гибрида;

г) двух гетерозиготных особей.

8. Что лежит в основе создания новых пород сельскохозяйственных животных?

а) Скрещивание и искусственный отбор;

б) естественный отбор;

в) хороший уход за животными, режим их питания;

г) борьба за существование.

9. Н. И. Вавилов разработал:

а) хромосомную теорию наследственности;

б) эволюционную теорию;

в) гипотезу происхождения жизни;

г) учение о центрах многообразия и происхождения культурных растений.

10. Близкородственное скрещивание в селекции животных используют для:

а) закрепления желательных признаков;

б) улучшения признаков;

в) увеличения гетерозиготных форм;

г) отбора наиболее продуктивных животных.

Ответы : 1 – г, 2 – в, 3 – а, 4 – в, 5 – а, 6 – в, 7 – б, 8 – а, 9 – г, 10 – а.

III. Изучение нового материала.

Вид является основной структурной единицей живой природы. Он возникает, развивается, а при изменении условий существования может исчезнуть или преобразоваться в другие виды.

Вид – совокупность особей, занимающих определенную область распространения, сходных по строению, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство

На сегодняшний день описано около 1,5 млн видов животных и более полумиллиона видов растений. Процесс описания новых видов продолжается. Каждый год описывается до тысячи новых видов живых организмов. Одни виды отличаются от других рядом признаков, совокупность которых составляет критерии вида.

Критерии вида – совокупность определенных признаков, позволяющих характеризовать какую-либо группу организмов как вид.

Критерии вида

Содержание критерия

1. Морфологический

Сходство внешнего и внутреннего строения особей одного вида, особенностей строения представителей одного вида

2. Физиологический

Сходство всех процессов жизнедеятельности, и прежде всего процесса размножения (свободное скрещивание особей вида)

3. Генетический

Каждый вид характеризуется определенным, присущим только ему набором хромосом и их особой
структурой (размеры, форма, состав ДНК)

4. Экологический

Вид занимает определенное место в природе, имею свою специализацию, набор факторов среды, необходимых для его существования

5. Географический

Вид обладает определенной областью распространения в природе – ареалом

6. Исторический

Общность предков, единая история возникновения
и развития вида

Все критерии в отдельности имеют относительный характер. Например, морфологическое сходство могут иметь разные виды (виды-двойники), но они не скрещиваются между собой (например, шесть видов-двойников у малярийного комара). Поэтому для установления того, является ли какая-либо группа организмов видом, недостаточно использовать какой-либо один критерий; только совокупное их изучение может дать правильный ответ на этот вопрос.

Структура вида

IV. Закрепление изученного материала.

Беседа по вопросам:

1. Что такое вид?

2. Какие критерии вида вам известны?

3. Можно ли по одному критерию установить принадлежность организма к конкретному виду?

4. Почему необходимо использовать в совокупности все критерии для установления видовой принадлежности?

5. Сколько видов обитает на нашей планете?

Домашнее задание: § 4.1.

На этой и последующих 3-х страницах моего блога находятся тестовые вопросы Открытого банка заданий ФИПИ

по 3-му разделу биологии «Организм как биологическая система».

Всего в этом разделе на сайте ФИПИ сначала было опубликовано на 101 странице 1002 задания.

31 .
Кроме растений, к
1) грибы-сапротрофы
2) бактерии гниения
3) хемосинтезирующие бактерии
4) шляпочные грибы

Снижение эффекта гетерозиса в последующих поколениях обусловлено

1) проявлением доминантных мутаций
2) увеличением числа гетерозигот
3) уменьшением числа гомозигот
4) проявлением рецессивных мутаций

Используя рисунок, определите, какие приз¬наки плодов томата (темная или свет¬лая окраска, грушевидная или шаро¬вид¬ная форма) доминируют; каковы генотипы родителей, генотипы и фенотипы гибридов F1 и F2. Составьте схему решения задачи. Гены обоих признаков не сцеплены.

Организм с генотипом, гетерозиготным по двум парам аллелей, –
1) AaBb
2) AaBB
3) aaBB
4) AABb

Какими свойствами характеризуется модификационная изменчивость?
1) имеет массовый характер
2) имеет индивидуальный характер
3) не наследуется
4) наследуется

5) ограничена нормой реакции
6) размах изменчивости не имеет пределов

К методам селекции животных, используемым при одомашнивании, относят
1) гибридизацию
2) индивидуальный отбор
3) естественный отбор
4) межпородное скрещивание

Определение понятия «вид» представляется очень трудным делом.

Мы будем рассматривать вид как исторически сложившуюся совокупность организмов, занимающих определенный ареал обитания, и характеризующихся общностью происхождения, сходной системой приспособлений к уровням среды и воспроизведением в поколениях основных адаптивных черт и признаков.

Организмы одного вида обладают характерными для данного вида фенотипом и генотипом, отличными от таковых у организмов другого вида.

Вид занимает определенный ареал. Ареал распространения одних видов оказывается широким, и такие виды являются обычно политипическими — включают несколько географических рас, или подвидов. Другие виды имеют значительно более ограниченный ареал, они, как правило, не образуют географических рас и являются монотипическими. Особи, составляющие вид, не образуют собой неизменную однородную массу. Каждый организм вида, обладая общими и характерными чертами, имеет и свои индивидуальные генотипические особенности, представляющие в совокупности наследственную изменчивость вида, или, как иногда называют, «генофонд» вида.

Вид, представляя единую совокупность организмов, расчленяется на отдельные популяции.

Популяцией называют совокупность свободно скрещивающихся особей одного вида, характеризующихся общностью местообитания и приспособления к данным условиям существования. Популяция складывается под влиянием условии существования на основе взаимодействия факторов наследственности, изменчивости, и отбора. Образование популяций является своеобразным способом «пригонки» вида к конкретным условиям его существования. Породы животных и сорта растений, создаваемые искусственным отбором, также представлены отдельными популяциями.

Процессы формирования популяций и их динамики составляют микроэволюцию. Возникновение новых видов начинается с дивергенции — расчленения вида на отдельные, нескрещивающиеся или изолированные группы организмов. Популяция является своего рода «кузницей», в которой естественный отбор творит новые формы.

В природе популяции каждого вида характеризуются генетическим разнообразием. Но мы часто этого не замечаем. Особи популяции и вида внешне кажутся нам относительно однообразными. Это относительное однообразие животных и растений, позволяющее систематикам относить животных и растения к определенным видам, подвидам, расам, создается естественным отбором. Отбор обеспечивает не только разнообразие, но и однообразие внутри вида.

Однако указанное однообразие относится лишь к основным типичным чертам, признакам и свойствам организмов данной популяции. Как только мы начнем детально генетически анализировать состав популяции, разлагая ее на отдельные линии, так сейчас же обнаружим огромную генотипическую изменчивость. При этом оказывается, что каждой популяции, в пределах которой особи длительное время скрещивались друг с другом, на ограниченной территории при данных климатических условиях присущ свой характер изменчивости.

Источниками наследственной изменчивости в популяции являются мутационная и комбинативная изменчивости. Действие генетических законов в популяции представляет предмет исследования генетики популяций.

В природе не существует двух организмов, абсолютно сходных между собой по генотипу. Зоологи или ботаники, изучающие биологические процессы у какой-либо группы особей, всегда имеют дело с наследственно разнородной группой организмов. Но поскольку ими изучается фенотип организмов, они вправе пренебрегать генетическим разнообразием своего материала.

Изучение популяции можно вести чисто описательным методом. В этом случае определяют фенотипическую характеристику форм популяции, ее биологические особенности, выясняют условия существования и взаимоотношение организмов, цепи питания, конкуренцию, динамику численности по годам и зависимость ее от разных факторов. Популяции обособляются и складываются в результате действия многих факторов: способа размножения, характера изменчивости, изменения численности особей, темпа и направления отбора, климатической, географической и физиологической изоляции. Основным из них является отбор признаков, обеспечивающих процесс воспроизведения поколений, т. е. размножение. Очевидно, что при разных способах размножения возникновение и поддержание популяций осуществляется разными путями, в чем можно убедиться, сравнивая популяции перекрестно оплодотворяющихся (аллогамных) и самооплодотворяющихся (автогамных) организмов.

Для существования популяции имеют первостепенное значение различные типы наследственной изменчивости: генные мутации, хромосомные перестройки и полиплоидия. Ненаследственные изменения могут играть лишь ограниченную роль. Организмы, генотипически различающиеся, например, по одному гену, морфологически могут не отличаться друг от друга, но обладать различными физиологическими особенностями (жизнеспособностью, длительностью развития, плодовитостью). Генетические методы дают возможность составить более полное представление о наследственных потенциях популяции, ее приспособительных особенностях и направлении эволюции.

Зачинателями изучения генетической надо признать селекционеров, ибо для того, чтобы выявить разнообразие генотипов в популяциях, необходимо было изолировать, подобрать для скрещивания отдельные пары родителей и затем исследовать их потомство в ряду поколений. Именно так поступали селекционеры, создававшие различные сорта и породы. Однако научные основы генетического изучения популяции могли быть заложены только после открытия Г. Менделя, установившего количественные закономерности наследования.

Первое научное изучение популяции, совместившее в себе генетические и статистические методы, было предпринято датским физиологом растений и генетиком В. Иоганнсеном. Его классическая работа «О наследовании в популяциях и чистых линиях», опубликованная в 1903 г., положила начало генетическому изучению популяций. Как часто бывает в науке, классическое открытие делается на элементарном, на первый взгляд, явлении и при использовании простой методики. Так и в данном случае В. Иоганнсен избрал объектом исследования популяции не перекрестноопыляющиеся, а самоопыляющиеся растения — ячмень, фасоль и горох. Методически это упрощало работу, поскольку каждую такую популяцию можно было легко разложить на группы потомков отдельных особей, т. е. произвести выделение отдельных, «чистых», линий. «Чистой линией, — писал он, — я называю индивиды, которые происходят от одного самоопыляющегося индивида. Отсюда ясно, что популяция абсолютных самоопылителей состоит только из чистых линий, индивиды которых в природе могут быть смешаны, но не могут быть затронуты скрещиванием».

В качестве признаков были взяты вес и размеры семян. Эти количественные признаки определяются действием многих генов, т. е. определяются полигенно, и в сильной степени подвержены изменчивости под влиянием факторов внешней среды — состава почвы, климата, способа посадки растений и т. п. Поэтому для установления характера их наследования необходимо использование математических методов анализа изменчивости.

По этим признакам имеется ярко выраженная модификационная, или паратипическая, изменчивость. О значении этой изменчивости для эволюции в биологии имелись различные точки зрения. Сторонники теории наследования приобретенных свойств считали, что изменения, вызванные воздействием факторов внешней среды, наследуются, передаются потомству. Противники этой теории отрицали наследование модификационных изменений. Решение этого спора в пользу последних имело принципиальное значение, так как отбор организмов по фенотипу без выявления наследственных потенций имел до этого широкое распространение в селекции и тормозил выведение пород животных и сортов растений.

Иоганнсен провел взвешивание семян одно сорта фасоли и построил вариационный ряд по этому показателю. Вес семян оказался изменчивым в пределах от 150 до 750 мг. В дальнейшем семена весом от 250 до 350 мг были высеяны отдельно от семян весом 550- 650 мг. С каждого выросшего растения вновь были взвешены семена. Так как фасоль является самоопыляющимся растением, то генотип семян с одного растения должен быть одинаковым, а у семян от разных растений могут быть генотипические различия. Поэтому тяжелые семена (550-650 мг) и легкие (250-350 мг), выбранные из сорта, представляющего популяцию, дали растения, семена которых значительно различались по весу. Средний вес семян на растениях, выросших из тяжелых семян, составил 518,7 мг, а на растениях, выросших из легких семян, — 443,4 мг. Этим было показано, что сорт-популяция фасоли состоит из генетически различных растений, каждое из которых может стать родоначальником чистой линии.

На протяжении 6-7 поколений Иоганнсен отбирал также тяжелые и легкие семена с каждого растения в отдельности, т. е. производил отбор в пределах чистых линий. При таком отборе ни в одной линии не произошло сдвига в ряду поколений в сторону тяжелых или легких семян. Следовательно, изменчивость по весу семян внутри чистой линии была ненаследственной, модификационной.

В результате своих исследований Иоганнсен пришел к следующим выводам: 1) «отбор в популяции вызывает… больший или меньший сдвиг — в направлении отбора — того среднего признака, вокруг которого, флуктуируя, варьируют соответствующие индивиды» и 2) «внутри чистых линий регрессия (степень сходства признака потомства с материнским) была… полной; отбор внутри чистых линий не вызывал никакого смещения типа».

Как мы видим, популяция автогамных растений состоит из генотипически разнородных линий. Растения такой популяции не скрещиваются между собой и не обмениваются наследственной информацией. В этом случае существование популяции основывается на строгом естественном отборе линий определенного генотипа, на общности приспособительных механизмов к однотипным условиям внешней среды. Иначе говоря, изменение популяции автогамных растений и животных осуществляется отбором определенных наследственно различающихся линий и клонов, имеющих адаптивные преимущества.

При самооплодотворении отдельный организм может быть зачинателем новой расы, подвида и вида, а также сорта или породы. Например, новый сорт пшеницы может быть выведен от одного зерна, отобранного из популяции.

Однако, говоря о высокой гомозиготности в чистых линиях, следует иметь в виду, что даже чистые линии не могут быть абсолютно гомозиготными по следующим обстоятельствам. Во-первых, облигатных (абсолютных) самоопылителей-растений не существует. В популяциях самоопылителей, например пшениц, томатов и др., всегда с той или иной частотой встречаются растения с открытым цветением и перекрестным опылением. В силу этого между чистыми линиями в популяциях хотя и редко, но совершаются процессы скрещивания и соответственно обмена наследственной информацией. Во-вторых, у растений-самоопылителей встречаются мутации, препятствующие самоопылению (несовместимость). В-третьих, в чистых линиях самоопылителей даже за одно поколение возникает весьма ощутимое количество разнообразных мутаций, которые нарушают гомогенность чистой линии.

Вследствие указанных причин сорта растений-самоопылителей при воспроизведении в производстве могут утрачивать часть своих сортовых качеств и требуют постоянного контроля, на чем и основана необходимость сортообновления.

При вегетативном размножении агамных организмов, не имеющих полового процесса или вторично его утративших (некоторые простейшие, грибы, водоросли и др.), объектом отбора в популяции являются отдельные клоны. Генетическая целостность (интеграция) таких клонов в популяции является очень низкой в силу невозможности осуществления скрещиваний между особями разных клонов, но такие популяции, по-видимому, все же существуют в природе и поддерживаются отбором на основе симбиотических отношений разных генотипов.

У перекрестно оплодотворяющихся организмов в природе популяция формируется на основе свободного скрещивания разнополых особей с разными генотипами, т. е. на основе панмиксии. При этом наследственная структура следующего поколения воспроизводится на основе разнообразных сочетаний различных гамет при оплодотворении. Отсюда вытекает, что численность особей того или иного генотипа в каждом поколении будет определяться частотой встречаемости разных гамет, произведенных генотипически различными родительскими организмами. Это значит, что признаки и свойства сохраняются и распределяются в популяции на основе закономерностей изменения частоты распространения генов. В основе таких изменений лежат закономерности наследования, открытые Г. Менделем и Т. Морганом. Знание этого позволило вывести правила распространения генов в панмиктической популяции.

Очевидно, те организмы, генотипы которых наилучшим образом обеспечивают приспособление к условиям существования, произведут большее число соответствующих гамет, чем менее приспособленные. Следовательно, частота (встречаемость) того или иного гена в популяции также будет определяться естественным отбором.

Сообщество свободноскрещивающихся генотипически различных организмов внутри вида некоторые генетики называют менделевской популяцией. Мы предпочитаем называть ее панмиктической, поскольку ее существование определяется не только законами Менделя, но и взаимодействием всех факторов эволюции, обеспечивающих свободу скрещивания организмов внутри популяции. Разнообразие генотипов панмиктической популяции — это результат мутационной и комбинативной изменчивости. Вновь возникшая мутация, чтобы стать достоянием популяции, должна сохраниться и размножиться, т. е. оказаться в составе генотипов целого ряда организмов. Любая мутация в популяции имеет свою судьбу.

Вследствие распространения большого количества разнообразных мутаций в популяции генотипы организмов оказываются насыщенными различными мутациями, которые чаще всего находятся в гетерозиготном состоянии. Так, например, что число растений, гетерозиготных по некоторым мутациям, может составлять в популяции довольно высокий процент. По мере повышения концентрации мутаций в популяции они переходят в гомозиготное состояние.

Огромная насыщенность популяции мутантными генами характерна не только для культурных растений и домашних животных, но, как впервые показал С. С. Четвериков, и для природных популяций. При этом в популяции встречаются мутации, различающиеся как по своей генетической природе (генные мутации и хромосомные перестройки), так и по своему фенотипическому проявлению.

Чтобы иллюстрировать расчленение панмиктической популяции под действием отбора, рассмотрим модельный опыт с искусственно созданной гибридной популяцией, поставленный американскими генетиками Д. Джонсом и Е. Истом. Эти два исследователя скрещивали две разновидности табака, различавшиеся по длине венчика (короткий и длинный). Растения первого поколения были скрещены между собой, а из второго поколения были взяты две линии А и В со сходной изменчивостью по этому признаку.

Длина венчика определяется многими генами, и поэтому в F 2 она колебалась в этих линиях в пределах от 52 до 88 мм, В дальнейшем в потомстве взятых линий был произведен отбор в течение трех поколений: в линии А — на короткий венчик, а в линии В — на длинный венчик. В каждом поколении внутри обеих линий скрещивали отобранные формы: в линии А — с коротким венчиком, а в линии В — с длинным венчиком. Как мы видим, уже в пятом поколении линии А и В настолько сильно различались, что между ними не было никакого захождения (трансгрессии), т. е. максимальная длина венчика в линии А была меньше минимальной длины в линии В.

Следовательно, путем отбора и скрещивания отбираемых форм удается создать линии с иным выражением признака, чем у исходной популяции: отбор расчленяет популяцию на различные генотипы. В данном опыте искусственный отбор был проведен по одному признаку с преднамеренным скрещиванием растений. В природе же естественный отбор осуществляется по многим признакам и либо сохраняет и поддерживает популяцию в целостном состоянии, либо разлагает ее соответственно конкретным условиям существования.

Изучение генетики популяций ведется разными методами, основными из которых являются – цитогенетический, эколого-физиологический, математический.

Первые два метода применяются при анализе наследования в популяции — для оценки концентрации мутаций и частот, мутирования. Эколого-физиологический метод оказывается необходимым для оценки действия абиотических и биотических факторов при определении приспособительной ценности фенотипов, относящихся к генетически различным классам особей. При этом большие экспериментальные возможности открывает моделирование действия отбора в искусственно создаваемых синтетических популяциях с заранее заданными генетическими параметрами — введение в популяцию тех или иных мутаций, инверсий, транслокаций и т. д.

Математический метод позволяет давать строгое количественное описание биологических процессов. Использование электронно-вычислительных машин явилось особенно перспективным для моделирования динамики генетической структуры популяции с учетом сложного взаимодействия многих факторов. Описываемые при этом ситуации в значительной мере приближаются к отражению истинной, сложной и противоречивой картины эволюционных процессов, протекающих в естественных популяциях растений и животных.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Информио

×

Неверный логин или пароль

×

Все поля являются обязательными для заполнения

×

Сервис «Комментарии» — это возможность для всех наших читателей дополнить опубликованный на сайте материал фактами или выразить свое мнение по затрагиваемой материалом теме.

Редакция Информио.ру оставляет за собой право удалить комментарий пользователя без предупреждения и объяснения причин. Однако этого, скорее всего, не произойдет, если Вы будете придерживаться следующих правил:

1. Не стоит размещать бессодержательные сообщения, не несущие смысловой нагрузки.
2. Не разрешается публикация комментариев, написанных полностью или частично в режиме Caps Lock (Заглавными буквами). Запрещается использование нецензурных выражений и ругательств, способных оскорбить честь и достоинство, а также национальные и религиозные чувства людей (на любом языке, в любой кодировке, в любой части сообщения — заголовке, тексте, подписи и пр.)
3. Запрещается пропаганда употребления наркотиков и спиртных напитков. Например, обсуждать преимущества употребления того или иного вида наркотиков; утверждать, что они якобы безвредны для здоровья.
4. Запрещается обсуждать способы изготовления, а также места и способы распространения наркотиков, оружия и взрывчатых веществ.
5. Запрещается размещение сообщений, направленных на разжигание социальной, национальной, половой и религиозной ненависти и нетерпимости в любых формах.
6. Запрещается размещение сообщений, прямо либо косвенно призывающих к нарушению законодательства РФ. Например: не платить налоги, не служить в армии, саботировать работу городских служб и т.д.
7. Запрещается использование в качестве аватара фотографии эротического характера, изображения с зарегистрированным товарным знаком и фотоснимки с узнаваемым изображением известных людей. Редакция оставляет за собой право удалять аватары без предупреждения и объяснения причин.
8. Запрещается публикация комментариев, содержащих личные оскорбления собеседника по форуму, комментатора, чье мнение приводится в статье, а также журналиста.

Претензии к качеству материалов, заголовкам, работе журналистов и СМИ в целом присылайте на адрес

×

Информация доступна только для зарегистрированных пользователей.

×

Уважаемые коллеги. Убедительная просьба быть внимательнее при оформлении заявки. На основании заполненной формы оформляется электронное свидетельство. В случае неверно указанных данных организация ответственности не несёт.

Самостоятельная работа по теме «Генетика и селекция»

Зачет по теме «Генетика и селекция»

Вариант 1

Выберите один правильный ответ.

1. Чем объяснить постоянство числа хромосом у особей одного вида?

А) диплоидностью организмов Б) процессом деления клеток

В) гаплоидностью организмов Г) процессами оплодотворения и мейоза

2. У кошки рождаются котята, похожие на родителей, поэтому такой тип индивидуального развития называют:

А) зародышевым Б) послезародышевым В) прямым Г) непрямым

3. Набор генов в дочернем организме значительно отличается от набора генов в родительских организмах при размножении:

А) вегетативном Б) спорами В) половом Г) почкованием

4. Скрещивание организмов, отличающихся по одному или нескольким признакам, составляет сущность метода:

А) гибридологического Б) близнецового В) цитогенетического Г) генеалогического

5. Укажите генотип человека, если по фенотипу он темноволосый и правша(доминантные признаки):

А) ААВВ Б) АаВв В) аавв Г) Аавв

6. Признак, который не проявляется в гибридном поколении, называют:

А) промежуточным Б) мутацией В) доминантным Г) рецессивным

7. Совокупность всех внешних и внутренних признаков организма составляет:

А) генофонд Б) генотип В) фенотип Г) код ДНК

8. При скрещивании собак с черной и рыжей шерстью появилось 5 щенков, и все они имели черную шерсть, что свидетельствует о проявлении:

А) закона независимого наследования Б) правила единообразия

В) промежуточного характера наследования Г) сцепленного с полом наследования

9. При скрещивании морских свинок с генотипами ААвв и ааВВ получится потомство:

А) ААВв Б) АаВв В) АаВВ Г) ааВВ

10. Группу наиболее сходных по строению и жизнедеятельности животных, созданных для сельскохозяйственных целей человеком, называют:

А) сортом Б) видом В) породой Г) родом

11. Метод получения новых сортов растений путем воздействия на организм ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами называют:

А) гетерозисом Б) полиплоидией В) мутагенезом Г) гибридизацией

12. Чистая линия растений – это потомство:

А) гетерозиготных форм Б) одной самоопыляющейся особи

В) межсортового гибрида Г) двух гетерозиготных особей

Выберите несколько правильных ответов.

13. Выберите из предложенных пар альтернативные признаки:

А) красный цветок – махровый цветок Б) ломкая соломина – высокая соломина

В) скороспелый – позднеспелый Г) цветок блюдцеобразный – цветок белый

Д) высокий рост – низкий рост Е) глаза голубые – глаза карие

14. Что такое гетерозис?

Зачет по теме «Генетика и селекция»

Вариант 2

Выберите один правильный ответ.

1. В ядре яйцеклетки животного содержится 16 хромосом, а в ядре сперматозоида этого животного:

А) 24 хромосомы Б) 8 хромосом В)16 хромосом Г) 32 хромосомы

2. какой тип постэмбрионального развития характерен для большинства млекопитающих:

А) полное превращение Б) прямое В) непрямое Г) неполное превращение

3. Индивидуальное развитие организма от зиготы до смерти называют

А) эмбриогенезом Б) филогенезом В) онтогенезом Г) ароморфозом

4. Укажите генотип человека, если по фенотипу он светловолосый и голубоглазый(рецессивные признаки):

А) ААВВ Б) АаВв В) аавв Г) Аавв

5. Цвет волос у человека контролируют парные гены, которые расположены в гомологичных хромосомах и называются:

А) доминантными Б) рецессивными В) аллельными Г) сцепленными

6. Преобладающий признак, который проявляется у гибридного потомства, называют:

А) доминантным Б) рецессивным В) гибридным Г) мутантным

7. Совокупность всех генов организма составляет:

А) генофонд Б) генотип В) фенотип Г) код ДНК

8. Если при моногибридном скрещивании во втором поколении гибридов наблюдается расщепление по фенотипу 1:2:1, то это следствие:

А) неполного доминирования Б) полного доминирования

В) взаимодействия генов Г) сцепленного наследования

9. При скрещивании томатов с генотипами аавв и ааВВ получится потомство:

А) АаВв Б) ааВв В) АаВВ Г) ааВВ

10. Группа растений, характеризующаяся сходным генотипом и фенитипом, полученная в результате искусственного отбора, это:

А) вид Б) подвид В) порода Г) сорт

11. Эффект гетерозиса проявляется вследствие:

А) увеличения доли гомозигот в потомстве Б) появления полиплоидных особей в потомстве

В) увеличения числа мутаций в потомстве Г) увеличения доли гетерозигот в потомстве

12. Н.И.Вавилов разработал:

А) хромосомную теорию наследственности Б) эволюционную теорию

В) гипотезу происхождения жизни Г) учение о центрах происхождения растений

Выберите несколько правильных ответов.

13. Выберите из списка количественные признаки:

А) половой диморфизм Б) яйценоскость В) плодовитость Г) форма плодов

Д) удойность коров Е) рост человека

14. Что такое генная инженерия?

§46. Изменчивость организмов, её типы. Модификационная изменчивость

 

1. Какова роль генотипа и условий среды в формировании фенотипа? Приведите примеры.

Некоторые признаки формируются только под влиянием генотипа и их проявление не зависит от условий среды, в которых развивается организм. Например, у человека, имеющего в генотипе гены I^A и I^B, независимо от условий жизни формируется IV группа крови. В то же время рост, масса тела, количество эритроцитов в крови и многие другие признаки зависят не только от генотипа, но и от условий окружающей среды. Поэтому организмы, имеющие одинаковые генотипы (например, монозиготные близнецы), могут отличаться друг от друга по фенотипу.

В 1895 г. французский ботаник Г. Бонье провел следующий опыт: разделил молодое растение одуванчика на две части и стал выращивать их в разных условиях – на равнине и высоко в горах. Первое растение достигло нормальной высоты, а второе оказалось карликовым. Этот опыт показывает, что на формирование фенотипа (т.е. признаков) оказывает влияние не только генотип, но и условия окружающей среды.

Ещё одним примером, иллюстрирующим влияние внешней среды на проявление признаков, служит изменение окраски шерсти у гималайских кроликов. Обычно при 20°С шерсть у них на всём теле белая, за исключением чёрных ушей, лап, хвоста и мордочки. При 30°С кролики вырастают полностью белыми. Если же у гималайского кролика сбрить шерсть на боку или спине и содержать его при температуре воздуха ниже 2°С, то вместо белой шерсти вырастет чёрная.

 

2. Что представляет собой модификационная изменчивость? Приведите примеры.

Модификационная изменчивость – это изменение фенотипа под действием факторов окружающей среды, происходящее без изменения генотипа в пределах нормы реакции.

Например, у одуванчика длина листьев и их форма существенно различаются даже в пределах одного растения. Замечено, чем при более низкой температуре шло формирование листьев, тем они мельче и тем бóльшие вырезы имеет листовая пластинка. Напротив, при более высокой температуре формируются более крупные листья с небольшими вырезами листовой пластинки.

У взрослого человека в зависимости от питания и образа жизни изменяется масса тела, у коров могут изменяться удои, у кур – яйценоскость. У человека, оказавшегося высоко в горах, со временем увеличивается содержание эритроцитов в крови, чтобы обеспечить клетки тела кислородом.

 

3. Что такое норма реакции? Докажите на конкретных примерах справедливость утверждения о том, что наследуется не сам признак, а его норма реакции.

Норма реакции – это пределы модификационной изменчивости признака. Одни признаки, например длина листьев, высота растений, масса тела животных, удойность крупного рогатого скота, яйценоскость кур, обладают широкой нормой реакции. Другие, например величина цветков и их форма, окраска семян, цветков и плодов, масть животных, жирность молока – более узкой нормой реакции.

Норма реакции определяется генотипом и передаётся по наследству. Например, чем больше времени человек проводит под прямыми солнечными лучами, тем больше меланина синтезируется в открытых участках кожи и, соответственно, темнее её цвет. Как известно, интенсивность загара не передаётся по наследству, а определяется конкретными условиями жизни того или иного человека. Кроме того, даже у постоянно пребывающего под прямым солнечным светом человека европеоидной расы, кожа не может синтезировать то количество меланина, которое характерно, например, для представителей негроидной расы. Этот пример свидетельствует о том, что диапазон изменчивости признака (норма реакции) предопределён генотипом и наследуется не собственно признак, а способность организма под действием условий окружающей среды формировать определённый фенотип.

 

4. Охарактеризуйте основные свойства модификаций. Почему ненаследственную изменчивость также называют групповой? Определённой?

Модификации обладают следующими основными свойствами:

● Обратимость – со сменой внешних условий у особей меняется степень выраженности тех или иных признаков.

● В большинстве случаев носят адекватный характер, т.е. степень выраженности признака находится в прямой зависимости от интенсивности и продолжительности действия того или иного фактора.

● Имеют адаптивный (приспособительный) характер. Это означает, что в ответ на изменившиеся условия среды у особи проявляются такие фенотипические изменения, которые способствуют её выживанию.

● Массовость – один и тот же фактор вызывает примерно одинаковые изменения у особей, сходных генотипически.

● Модификации не наследуются, т.к. модификационная изменчивость не сопровождается изменением генотипа.

Ненаследственную (модификационную) изменчивость называют групповой, поскольку определённые изменения условий среды вызывают сходные изменения у всех особей того или иного вида (свойство массовости). Модификационную изменчивость также называют определённой, т.к. модификации носят адекватный характер, являются предсказуемыми и сопровождаются изменением фенотипа особей в определённом направлении.

 

5. Какие статистические методы применяются для анализа изменчивости количественных признаков?

Для характеристики степени изменчивости количественных признаков чаще всего применяют такие статистические методы как построение вариационного ряда и вариационной кривой.

Например, количество колосков в сложных колосьях пшеницы одного сорта варьирует в довольно широких пределах. Если расположить колосья по возрастанию количества колосков, то получится вариационный ряд изменчивости данного признака, состоящий из отдельных вариант. Частота встречаемости отдельной варианты в вариационном ряду неодинакова: наиболее часто встречаются колосья со средним числом колосков и реже – с бóльшим и меньшим.

Число колосков в колосе (v)	14	15	16	17	18	19	20
Количество колосьев (p)	2	7	22	32	24	8	5

 

Распределение вариант в этом ряду можно изобразить графически. Для этого на оси абсцисс откладывают значения вариант (v) в порядке их увеличения, на оси ординат – частоту встречаемости каждой варианты (р). Графическое выражение изменчивости признака, отражающее как размах вариаций, так и частоты встречаемости отдельных вариант, называют вариационной кривой.

 

6. Насколько важно на практике знать норму реакции признаков у растений, животных и человека?

Знание закономерностей модификационной изменчивости и нормы реакции имеет большое практическое значение, так как позволяет предвидеть и заранее планировать многие показатели. В частности, создание оптимальных условий для реализации генотипа даёт возможность добиться высокой продуктивности животных и урожайности растений. Знание нормы реакции различных признаков человека необходимо в медицине (важно знать, насколько те или иные физиологические показатели соответствуют норме), педагогике (воспитание и обучение с учётом способностей и возможностей ребёнка), лёгкой промышленности (размеры одежды, обуви) и многих других сферах деятельности человека.

 

7*. Если примулу, которая в обычных условиях имеет красные цветки, перенести в оранжерею с температурой 30–35ºС и повышенной влажностью, новые цветки на этом растении будут уже белыми. Если это растение вернуть в условия относительно низкой температуры (15–20ºC), оно вновь начинает цвести красными цветками. Чем это можно объяснить?

Это типичный пример модификационной изменчивости. Вероятнее всего, повышение температуры вызывает снижение активности ферментов, обеспечивающих синтез красного пигмента в лепестках, вплоть до их полной инактивации (при 30–35ºС).

 

8*. Почему на птицефабриках световой день у кур-несушек искусственно продлевают до 20 ч, а у петушков-бройлеров — сокращают до 6 ч в сутки?

Длина светового дня – важный фактор, влияющий на половое поведение птиц. Увеличение продолжительности светового дня активизирует выработку половых гормонов – таким образом кур-несушек стимулируют на увеличение яйценоскости. Короткий световой день вызывает снижение половой активности, поэтому петушки-бройлеры меньше двигаются, не дерутся друг с другом, а все ресурсы организма направляют на увеличение массы тела.

* Задания, отмеченные звёздочкой, предполагают выдвижение учащимися различных гипотез. Поэтому при выставлении отметки учителю следует ориентироваться не только на ответ, приведённый здесь, а принимать во внимание каждую гипотезу, оценивая биологическое мышление учащихся, логику их рассуждений, оригинальность идей и т. д. После этого целесообразно ознакомить учащихся с приведённым ответом.

Дашков М.Л.

Сайт: dashkov.by

Вернуться к оглавлению

 

< Предыдущая		Следующая >

Генетическая вариация | Национальное географическое общество

Генетическая изменчивость означает различия между геномами представителей одного и того же вида. Геном — это вся наследственная информация — все гены — организма. Например, геном человека содержит от двадцати до двадцати пяти тысяч генов.

Гены — это единицы наследственной информации, которые несут инструкции для построения белков. Гены, которые закодированы в этих белках, позволяют клеткам функционировать.Большинство организмов, которые размножаются половым путем, имеют по две копии каждого гена, потому что каждая родительская клетка или организм жертвует одну копию своих генов своему потомству. Кроме того, гены могут существовать в несколько разных формах, называемых аллелями, что еще больше увеличивает генетическую изменчивость.

Комбинация аллелей гена, которую человек получает от обоих родителей, определяет то, что биологи называют генотипом определенного признака, например текстуры волос. Генотип, которым обладает особь для признака, в свою очередь, определяет фенотип — наблюдаемые характеристики — например, с прямыми, волнистыми или кудрявыми волосами у этого человека на самом деле.

Генетическая изменчивость внутри вида может происходить из нескольких разных источников. Мутации, изменения в последовательностях генов в ДНК, являются одним из источников генетической изменчивости. Другой источник — поток генов или перемещение генов между разными группами организмов. Наконец, генетическая изменчивость может быть результатом полового размножения, что приводит к созданию новых комбинаций генов.

Генетическая изменчивость в группе организмов позволяет одним организмам выживать лучше, чем другим, в среде, в которой они живут.Организмы даже небольшой популяции могут разительно различаться по тому, насколько хорошо они подходят для жизни в определенной среде. Примером могут служить бабочки одного вида с крыльями разного цвета. Бабочки с крыльями, похожими на цвет коры дерева, лучше маскируются, чем бабочки другого цвета. В результате бабочки древесного цвета с большей вероятностью выживут, размножаются и передают свои гены. Этот процесс называется естественным отбором, и это основная движущая сила эволюции.

Границы | Дифференциальный взгляд на отношения генотип – фенотип

Введение

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

(Благородный, 2006)

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

Гены как факторы различия

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

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

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

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

Связь GP находится между двумя уровнями вариации

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

Генетическая часть взаимоотношений с терапевтом

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

ТАБЛИЦА 1. Несколько примеров отношений GP.

Фенотипическая часть взаимоотношений с терапевтом

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

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

Дифференциальная часть отношений с терапевтом

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

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

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

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

Несколько современных представлений о связи между генотипом и фенотипом неявно отвергают дифференциальную точку зрения

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

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

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

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

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

Проблема плейотропии

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

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

Проблема непрерывных сложных черт

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

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

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

Проблема эпистаза и GxE

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

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

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

Примером взаимодействия GxE (см. Также рис. 4A) является встречающийся в природе аллель потери функции brx у растений Arabidopsis , который связан с ускоренным ростом и повышенной приспособляемостью в кислых почвах, а также с сильно уменьшенной корневой системой. рост по сравнению с диким типом на нормальных почвах (Gujas et al., 2012). Взаимодействия GxE обычно анализируются 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 ассоциированным генетическим изменением в различных экспериментальных условиях. Связанное с этим фенотипическое изменение, таким образом, представляет собой разницу между двумя нормами реакции. Примером из учебника является правило изменения температуры и размера в C. elegans . Как и большинство других животных, нематоды C. elegans растут крупнее при низкой температуре, но являются лабораторным штаммом дикого типа C.elegans , происходящая из Гавайев, не показывает изменений в размере тела при различных температурах. Аминокислотная замена в кальций-связывающем белке ответственна за снижение способности гавайского штамма расти при низкой температуре (Kammenga et al., 2007). Здесь норма реакции (представляющая размер тела нематоды в диапазоне температур) различается у нематод, и связанная с ней взаимосвязь GP включает разницу между этими двумя наклонами.

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

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

Дифференциальный взгляд на генетические и экологические эффекты на фенотипы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таксономически устойчивые отношения GP

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

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

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

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

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

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

К классификации фенотипов на основе генов

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

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

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

Заключение

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

Заявление о конфликте интересов

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

Благодарности

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

Сокращения

GP, генотип – фенотип.

Список литературы

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

Google Scholar

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

Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

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

Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Келлер, Э.Ф. (2010). Мираж пространства между природой и воспитанием . Дарем, Северная Каролина: издательство Duke University Press. DOI: 10.1215 / 97808223

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

Google Scholar

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

Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

МакГэри, К. Л., Парк, Т. Дж., Вудс, Дж. О., Ча, Х. Дж., Уоллингфорд, Дж.Б., и Маркотт, Э. М. (2010). Систематическое открытие неочевидных моделей болезней человека через ортологичные фенотипы. Proc. Natl. Акад. Sci. США 107, 6544–6549. DOI: 10.1073 / pnas.00107

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мери, Ф., Белей, А. Т., Со, А. К.-К., Соколовски, М. Б., и Кавецки, Т. Дж. (2007). Естественный полиморфизм, влияющий на обучение и память у Drosophila . Proc. Natl. Акад. Sci. США 104, 13051–13055.DOI: 10.1073 / pnas.0702₄

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Натараджан К., 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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

Google Scholar

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

Google Scholar

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

Google Scholar

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

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дифференциальный взгляд на отношения генотип-фенотип

Front Genet. 2015; 6: 179.

Virginie Orgogozo

¹ CNRS, UMR 7592, Institut Jacques Monod, Université Paris Diderot, Paris, France

Baptiste Morizot

² Aix Marseille Université, CNRix, 7304 UMER Прованс, Франция

Арно Мартин

³ Кафедра молекулярной клеточной биологии, Калифорнийский университет, Беркли, Калифорния, США

¹ CNRS, UMR 7592, Институт Жака Моно, Парижский университет Дидро, Париж, Франция

² Экс-Марсельский университет, CNRS, CEPERC UMR 7304, Экс-ан-Прованс, Франция

³ Департамент молекулярной клеточной биологии, Калифорнийский университет, Беркли, Калифорния, США

Отредактировал: Сильвен Марчеллини, Университет Консепсьона , Чили

Рецензент: Jacob A.Теннессен, Государственный университет Орегона, США; Маргарида Матос, Лиссабонский университет, Португалия,

* Для корреспонденции: Виржини Оргогозо, CNRS, UMR 7592, Институт Жака Моно, Парижский университет Дидро, 15 Rue Hélène Brion, 75013 Париж, Франция [email protected] Эта статья был отправлен в раздел «Эволюционная и популяционная генетика» журнала «Границы в генетике»

Поступило в редакцию 24 марта 2015 г .; Принято 28 апреля 2015 г.

Авторские права © 2015 Orgogozo, Morizot and Martin.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License (CC BY). Использование, распространение или воспроизведение на других форумах разрешено при условии указания автора (авторов) или лицензиара и ссылки на оригинальную публикацию в этом журнале в соответствии с принятой академической практикой. Запрещается использование, распространение или воспроизведение без соблюдения этих условий.

Эта статья цитируется в других статьях в PMC.

Abstract

Интегративный взгляд на разнообразие и своеобразие в живом мире требует лучшего понимания сложной связи между генотипами и фенотипами. Здесь мы вновь подчеркиваем старую точку зрения, согласно которой отношения генотип-фенотип (GP) лучше всего рассматривать как связь между двумя различиями, одно на генетическом уровне, а другое на фенотипическом. На сегодняшний день преобладающее мышление в биологических исследованиях состоит в том, что несколько генов взаимодействуют с множеством переменных окружающей среды (такими как абиотические факторы, культура или симбионты), чтобы произвести фенотип.Часто проблема связывания генотипов и фенотипов формулируется в терминах карт генотипов и фенотипов, и такие графические представления неявно уводят нас от дифференциального взгляда на отношения GP. Здесь мы показываем, что дифференциальный взгляд на отношения GP является полезной объяснительной структурой в контексте всеобъемлющей плейотропии, эпистаза и воздействия окружающей среды. В таких случаях уместно рассматривать отношения GP как различия, встроенные в различия. Мышление с точки зрения различий проясняет сравнение экологического и генетического воздействия на фенотипы и помогает лучше понять связь между генотипами и фенотипами.

Ключевые слова: генотип , фенотип, генетика, комплексный признак, GxE, GxG

Введение

Иногда кажется, что мы забываем, что исходный вопрос в генетике заключался не в том, что делает белок, а в том, «что делает собаку такой. собака, мужчина человек »

(Noble, 2006)

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

Гены как факторы различия

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

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

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

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

GP Взаимосвязь между двумя уровнями вариации

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

Генетическая часть отношения GP

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

Таблица 1

Несколько примеров отношений GP.

9 Человек, шимпанзе -регуляторный элемент в гене лактазы Способность к перевариванию собакой гены FRIGIDA Тале кресс, масличный рапс trichomes75 Кодирующая область 908 90sp инсектициды обезьяны

Генетический локус	Фенотипический признак	Организмы
Два кодирующих сайта в гене ABO HBGG	Группа крови A / B	9		A / B группа крови	Способность переваривать молоко	Различные популяции людей
Число дупликаций генов амилазы AMY1 или AMY2B	Человеческий
Наличие / отсутствие комплекса смежных генов, кодирующих каротиноидные десатуразы и каротиноидциклазы / синтазы	Способность продуцировать каротиноиды	Гороховая тля, паутинный клещ, галлицовая муха, нематода
Цветовое зрение	Человек, китообразные, рыбы, маслята ies
Кодирующая область F 3’5’H	Цветочная пигментация	Соя, горох, однолетние флоксы, картофель, Иохрома
Кодирующая область
Кодовая область BADh3	Аромат	Соя, рис
Кодовая область HMA3	Допуск по тяжелым металлам	, Рис Thale cress	цис- -регулирующие области миостатина	Размер мышц	крупный рогатый скот, овца, собака, свинья, лошадь, человек
цис- -регулирующие области в ахаэте-щиток комплекс и положение	сенсорных щетинок	Fruitflies
Cis -регулирующий элемент в pitx1 908 48 ген	Морфология таза	Колюшка
Кодирующая область SLC45A2	Пигментация глаз, волос и кожи	Человек, тигр, цыпленок
Mc978 Кодирующая область 909R	Mc978 волос и кожи, но не глаза	Человек, мышь, крупный рогатый скот, курица, морская свинка, лошадь, лиса, свинья, овца, собака, кролик, медведь, ягуар, ягуарунди, белка, птицы, песчаная ящерица
Cis — регулирующие регионы tan и ebony	Образец пигментации	Fruitflies
Cis — регулирующие элементы в shavenbaby gen	Положение и количество	Cis — регулирующие элементы в гене optix	Красный узор на крыльях бабочки	Длиннокрылое крыло rflies
Кодирующая область гемоглобин альфа и бета гены цепи	Устойчивость к гипоксии	Человек, лама, крокодил, олень, мышь, водоплавающая птица
Картофельный жук, тля, комары, комнатная муха, плодовые мухи, восточная плодовая муха
Наличие / отсутствие вставки CypA в гене TRIM5a	Устойчивость к ретровирусу	World monkeys
Кодирование сайтов в Nav1.4 ген	Устойчивость к тетродотоксину или саксотоксину	Змеи, фугу, моллюск Агути	Пигментация кожи и шерсти	Человек, олень, мышь, крупный рогатый скот, свинья, собака, кошка, лошадь, лиса, домашняя лиса, перепел, овца
Число дупликаций гена переносчика глюкозы HXT6	Выживание в среде с низким содержанием глюкозы	Дрожжи
Число дупликаций гена CCL3L1	Восприимчивость к ВИЧ-инфекции и скорость прогрессирования СПИДа после инфицирования	Человек
Cisulatory элемент ген WntA	Пигментация крыльев	Бабочки 90 978

Фенотипическая часть отношения GP

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

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

Дифференциальная часть отношения GP

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

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

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

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

Несколько современных представлений о связи между генотипом и фенотипом неявно отвергают дифференциальную точку зрения

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

В большинстве современных статей проблема связи генотипа с фенотипом формулируется в терминах карт генотипа и фенотипа. Первая карта GP была представлена ​​Ричардом Левонтином в его книге «Генетическая основа эволюционных изменений» (Lewontin, 1974a; , рис. ).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 является производным от развития отдельных генотипов в различных средах; (2) миграция, спаривание и естественный отбор действуют в пространстве P, чтобы изменить средний фенотип исходной популяции на средний фенотип особей, у которых будет потомство; (3) личность успешных родителей определяет, какие генотипы сохраняются; и (4) генетические процессы, такие как мутация и рекомбинация, изменяют положение в G-пространстве.

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

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

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

Проблема плейотропии

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

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

Проблема непрерывных сложных признаков

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

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

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

Проблема эпистаза и GxE

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

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

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

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

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

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

Дифференциальный взгляд на генетическое и экологическое влияние на фенотипы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

A Разъяснение терминологии Прибыль / потеря и разрешающая / поучительная

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

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

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

Таксономически устойчивые отношения GP

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

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

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

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

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

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

К классификации фенотипов на основе генов

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

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

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

Заключение

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

Заявление о конфликте интересов

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

Благодарности

Мы глубоко признательны Мари-Анн Феликс за полезные обсуждения и Томасу Прадо за то, что привлекли наше внимание к нескольким актуальным статьям. Мы также благодарим Джузеппе Бальдаччи, Мари-Анн Феликс, Пьера-Анри Гуйона, Александра Пелуффо, Марка Сигала, Дэвида Стерна и рецензентов за их проницательные комментарии к рукописи.Исследование, приведшее к этой статье, финансировалось Европейским исследовательским советом в рамках Седьмой рамочной программы Европейского сообщества (грантовое соглашение FP7 / 2007-2013 № 337579) и Фондом Джона Темплтона (грант № 43903).

Ссылки

• Андерсен Э. К., Блум Дж. С., Герке Дж. П., Кругляк Л. (2014). Вариант нейропептидного рецептора npr-1 является основным детерминантом роста и физиологии Caenorhabditis elegans . PLoS Genet. 10: e1004156 10.1371 / journal.pgen.1004156 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Армстронг М. Д., Тайлер Ф. Х. (1955). Исследования фенилкетонурии. I. Ограничение приема фенилаланина при фенилкетонурии. J. Clin. Инвестировать. 34 565–580. 10.1172 / JCI103105 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Bloom J. S., Ehrenreich I. M., Loo W. T., Lite T.-L. В., Кругляк Л. (2013). Выявление источников недостающей наследственности при скрещивании дрожжей. Природа 494 234–237. 10.1038 / nature11867 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Бойкотт А. Э., Дайвер К., Гарстанг С. Л., Тернер Ф. М. (1931). Наследование левосторонности у limnæa peregra (Mollusca, Pulmonata). Philos. Пер. R. Soc. Лондон. Сер. B 219 51–131. 10.1098 / rstb.1931.0002 [CrossRef] [Google Scholar]
• Браво Дж. А., Форсайт П., Чу М. В., Эскаравадж Э., Савиньяк Х. М., Динан Т. Г. и др. (2011). Прием внутрь штамма Lactobacillus регулирует эмоциональное поведение и экспрессию центрального рецептора ГАМК у мыши через блуждающий нерв. Proc. Natl. Акад. Sci. США 108 16050–16055. 10.1073 / pnas.1102999108 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Bricelj V. M., Connell L., Konoki K., Macquarrie S.P., Scheuer T., Catterall W. A., et al. (2005). Мутация натриевых каналов, приводящая к устойчивости к сакситоксину у моллюсков, увеличивает риск PSP. Природа 434 763–767. 10.1038 / nature03415 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Кэрролл С. Б., Гренье Дж., Уэтерби С. (2005). От ДНК к разнообразию: молекулярная генетика и эволюция дизайна животных .Молден, Массачусетс: John Wiley & Sons. [Google Scholar]
• Кассирер Э. (1910). Substance et Fonction 2010 Эдн Париж: Nabu Press. [Google Scholar]
• Коэн Э. (2012). От клеток к цивилизациям: принципы изменения, формирующие жизнь . Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета; 10.1515 / 9781400841653 [CrossRef] [Google Scholar]
• Колозимо П. Ф., Хосеманн К. Э., Балабхадра С., Вильярреал Г., мл., Диксон М., Гримвуд Дж. И др. (2005). Распространенная параллельная эволюция колюшек путем многократной фиксации аллелей эктодисплазина. Наука 307 1928–1933. 10.1126 / science.1107239 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Докинз Р. (1982). Расширенный фенотип: долгая досягаемость гена . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. [Google Scholar]
• Динс А. Р., Льюис С. Э., Хуала Э., Анзалдо С. С., Эшбернер М., Балхофф Дж. П. и др. (2015). Пробираясь сквозь фенотипы. PLoS Biol. 13: e1002033 10.1371 / journal.pbio.1002033 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Данбар Х.Э., Уилсон А. С., Фергюсон Н. Р., Моран Н. А. (2007). Термостойкость тли определяется точечной мутацией у бактериальных симбионтов. PLoS Biol. 5: e96 10.1371 / journal.pbio.0050096 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Энгельман К. Д., Баурли Дж. У., Чиу Й.-Ф., Жубер Б. Р., Левингер Дж. П., Меннер М. Дж. И др. (2009). Обнаружение взаимодействий между геном и окружающей средой в данных ассоциации по всему геному. Genet. Эпидемиол. 33 (Дополнение 1) S68 – S73. 10.1002 / gepi.20475 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Falk R. (1984). Ген в поисках идентичности. Hum. Genet. 68 195–204. 10.1007 / BF00418388 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Фельдман К. Р., Броди Д., младший, Броди Д., III, Пфрендер М. Э. (2012). Ограничение формирует схождение тетродотоксин-устойчивых натриевых каналов змей. Proc. Natl. Акад. Sci. США 109 4556–4561. 10.1073 / pnas.1113468109 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Ffrench-Constant R.Х., Даборн П. Дж., Ле Гофф Г. (2004). Генетика и геномика устойчивости к инсектицидам. Trends Genet. 20 163–170. 10.1016 / j.tig.2004.01.003 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Фишбах М. А. (2009). Антибиотики от микробов: убивают. Curr. Opin. Microbiol. 12 520–527. 10.1016 / j.mib.2009.07.002 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Фишер Р. А. (1930). Генетическая теория естественного отбора . Оксфорд: Кларендон; 10.5962 / bhl.title.27468 [CrossRef] [Google Scholar]
• Fontana W. (2002). Моделирование «эво-дево» с помощью РНК. BioEssays News Rev. Mol. Клетка. Dev. Биол. 24 1164–1177. 10.1002 / bies.10190 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Франкель Н., Эрезилмаз Д. Ф., МакГрегор А. П., Ван С., Пайре Ф., Стерн Д. Л. (2011). Морфологическая эволюция, вызванная множеством малозаметных замен в регуляторной ДНК. Природа 474 598–603. 10.1038 / nature10200 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Geffeney S.Л., Фудзимото Э., Броди Э. Д., III, Броди Э. Д., младший, Рубен П. К. (2005). Эволюционная диверсификация ТТХ-резистентных натриевых каналов во взаимодействии хищник-жертва. Природа 434 759–763. 10.1038 / nature03444 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Gerstein M. B., Bruce C., Rozowsky J. S., Zheng D., Du J., Korbel J. O., et al. (2007). Что такое ген пост-ENCODE? История и обновленное определение. Genome Res. 17 669–681. 10.1101 / gr.6339607 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Gilbert S.Ф. (2000). «Гены классические и гены развития: различные варианты использования генов в эволюционном синтезе», в Концепция гена в развитии и эволюции редакторы Beurton P., Falk R., Rheinberger H.-J. (Кембридж, Нью-Йорк: издательство Кембриджского университета;). [Google Scholar]
• Гилберт С. Ф., Эпель Д. (2009). Экологическая биология развития: интеграция эпигенетики, медицины и эволюции . Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. [Google Scholar]
• Gjuvsland A.Б., Вик Дж. О., Борода Д. А., Хантер П. Дж., Омхольт С. В. (2013). Преодоление разрыва между генотипом и фенотипом: что для этого нужно? J. Physiol. 591 2055–2066. 10.1113 / jphysiol.2012.248864 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Gompel N., Prud’homme B. (2009). Причины повторной генетической эволюции. Dev. Биол. 332 36–47. 10.1016 / j.ydbio.2009.04.040 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Граур Д., Чжэн Ю., Азеведо Р. Б. Р. (2015). Эволюционная классификация геномной функции. Genome Biol. Evol. 7 642–645. 10.1093 / gbe / evv021 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Гриффитс П., Стотц К. (2013). Генетика и философия: введение . Кембридж: Издательство Кембриджского университета; 10.1017 / CBO9780511744082 [CrossRef] [Google Scholar]
• Гуджас Б., Алонсо-Бланко К., Хардтке С. С. (2012). Природные аллели потери функции Arabidopsis brx придают корням адаптацию к кислой почве. Curr. Биол. 22 1962–1968 гг.10.1016 / j.cub.2012.08.026 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Хансен Т. Ф. (2013). Почему эпистаз важен для отбора и адаптации. Evolution 67 3501–3511. 10.1111 / evo.12214 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Холлохер Х., Хэтчер Дж. Л., Дайресон Э. Г. (2000). Генетический анализ и анализ развития различий пигментации брюшной полости у разных видов в подгруппе Drosophila dunni . Evol. Int. J. Org. Evol. 54 2057–2071. 10.1111 / j.0014-3820.2000.tb01249.x [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Хонг Р. Л., Витте Х., Соммер Р. Дж. (2008). Естественная вариация в привлечении феромонов насекомых Pristionchus pacificus включает в себя протеинкиназу EGL-4. Proc. Natl. Акад. Sci. США 105 7779–7784. 10.1073 / pnas.0708406105 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Хоул Д., Говиндараджу Д. Р., Омхольт С. (2010). Феномика: следующий вызов. Нац. Преподобный Жене. 11 855–866.10.1038 / nrg2897 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Johannsen W. (1911). Генотипическая концепция наследственности. Am. Nat. 45 129–159. 10.1086 / 279202 [CrossRef] [Google Scholar]
• Джонс Ф. К., Грабхер М. Г., Чан Ю. Ф., Рассел П., Масели Э., Джонсон Дж. И др. (2012). Геномные основы адаптивной эволюции трехиглой колюшки. Природа 484 55–61. 10.1038 / nature10944 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Камберов Ю.Г., Ван С., Тан Дж., Жербо П., Варк А., Тан Л. и др. (2013). Моделирование недавней эволюции человека на мышах путем экспрессии выбранного варианта EDAR. Ячейка 152 691–702. 10.1016 / j.cell.2013.01.016 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Kammenga JE, Doroszuk A., Riksen JAG, Hazendonk E., Spiridon L., Petrescu A.-J. , и другие. (2007). Caenorhabditis elegans дикого типа не подчиняется правилу температуры и размера из-за однонуклеотидного полиморфизма в tra-3. PLoS Genet 3: e34 10.1371 / journal.pgen.0030034 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Келлер Э. Ф. (2010). Мираж пространства между природой и питанием . Дарем, Северная Каролина: издательство Duke University Press; 10.1215 / 97808223
  [CrossRef] [Google Scholar]
• Киршнер М., Герхарт Дж. (1998). Эволюционируемость. Proc. Natl. Акад. Sci. США 95 8420–8427. 10.1073 / pnas.95.15.8420 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Кислухин Г., Кинг Э. Г., Уолтерс К. Н., Макдональд С. Дж., Лонг А. Д. (2013). Генетическая архитектура токсичности метотрексата сходна у Drosophila melanogaster и человека. 3 1301–1310. 10.1534 / g3.113.006619 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Лэндри К. Р., Рифкин С. А. (2012). Карты генотипа-фенотипа системной биологии и количественной генетики: отдельные и дополняющие друг друга. Adv. Exp. Med. Биол. 751 371–398. 10.1007 / 978-1-4614-3567-9_17 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Langlade N.Б., Фэн Х., Дрансфилд Т., Копси Л., Ханна А. И., Тебо К. и др. (2005). Эволюция через генетически контролируемое пространство аллометрии. Proc. Natl. Акад. Sci. США 102 10221–10226. 10.1073 / pnas.0504210102 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Lenser T., Theißen G. (2013). Молекулярные механизмы, участвующие в одомашнивании конвергентных культур. Trends Plant Sci. 18 704–714. 10.1016 / j.tplants.2013.08.007 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Lettre G.(2011). Последние успехи в изучении генетики роста. Hum. Genet. 129 465–472. 10.1007 / s00439-011-0969-x [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Левонтин Р. (1974a). Генетическая основа эволюционных изменений (Колумбийская биологическая серия) . Колумбия: Издательство Колумбийского университета. [Google Scholar]
• Левонтин Р. К. (1974b). Дисперсионный анализ и анализ причин. Am. J. Hum. Genet. 26 400–411. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Левонтин Р.(1978). Приспособление. Sci. Являюсь. 293 212–228. 10.1038 / Scientificamerican0978-212 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Линнен К. Р., Пох И.-П., Петерсон Б. К., Барретт Р. Д. Х., Ларсон Дж. Г., Дженсен Дж. Д. и др. (2013). Адаптивная эволюция множества признаков посредством множественных мутаций одного гена. Наука 339 1312–1316. 10.1126 / science.1233213 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Лю Ф., Вэнь Б., Кайзер М. (2013). Цветные полиморфизмы ДНК человека. Семин. Cell Dev. Биол. 24 562–575. 10.1016 / j.semcdb.2013.03.013 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Луонг Х. Т., Чаплин Дж., Макрей А. Ф., Медланд С. Э., Виллемсен Г., Найхолт Д. Р. и др. (2011). Вариация BMPR1B, TGFRB1 и BMPR2 и контроль дизиготного двойникования. Twin Res. Гм. Genet. Выключенный. J. Int. Soc. Twin Stud. 14 408–416. 10.1375 / twin.14.5.408 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Линч М., Уолш Б. (1998). Генетика и анализ количественных признаков .Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. [Google Scholar]
• MacCallum D. M., Coste A., Ischer F., Jacobsen M. D., Odds F. C., Sanglard D. (2010). Генетическое вскрытие механизмов устойчивости к азолам у Candida albicans и их проверка на мышиной модели диссеминированной инфекции. Антимикробный. Агенты Chemother. 54 1476–1483. 10.1128 / AAC.01645-1649 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Манске М., Миотто О., Кампино С., Оберн С., Альмагро-Гарсия Дж., Маслен Г. и др. (2012). Анализ разнообразия Plasmodium falciparum естественных инфекций путем глубокого секвенирования. Природа 487 375–379. 10.1038 / nature11174 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Мартин А., Оргогозо В. (2013a). Данные из: Локусы повторной эволюции: Каталог генетических горячих точек фенотипической изменчивости . Доступно по адресу: http://datadryad.org/resource/ 10.5061 / dryad.v66p0 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Мартин А., Оргогозо В. (2013b). Локусы повторной эволюции: каталог генетических горячих точек фенотипической изменчивости. Evol. Int. J. Orgn. Evol. 67 1235–1250. 10.1111 / evo.12081 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Mayr E. (1963). Виды животных и эволюция . Гарвард: издательство Гарвардского университета; 10.4159 / harvard.9780674865327 [CrossRef] [Google Scholar]
• МакГэри К. Л., Парк Т. Дж., Вудс Дж. О., Ча Х. Дж., Уоллингфорд Дж. Б., Маркотт Э. М. (2010). Систематическое открытие неочевидных моделей болезней человека через ортологичные фенотипы. Proc. Natl. Акад. Sci. США 107 6544–6549. 10.1073 / pnas.00107 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Mery F., Belay A. T., So A. K.-C., Sokolowski M. B., Kawecki T. J. (2007). Естественный полиморфизм, влияющий на обучение и память у Drosophila . Proc. Natl. Акад. Sci. США 104 13051–13055. 10.1073 / pnas.0702_{4 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]}
• Moss L. (2003). Один, два (тоже?), Много генов? В.Rev. Biol. 78 57–67. 10.1086 / 367581 [CrossRef] [Google Scholar]
• Народ С. А., Фоулкс В. Д. (2004). BRCA1 и BRCA2: 1994 и позже. Нац. Преподобный Рак 4 665–676. 10.1038 / nrc1431 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Натараджан К., Иногучи Н., Вебер Р. Э., Фаго А., Морияма Х., Сторц Дж. Ф. (2013). Эпистаз среди адаптивных мутаций гемоглобина оленьих мышей. Наука 340 1324–1327. 10.1126 / science.1236862 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Ноубл Д.(2006). Музыка жизни: биология за пределами генома . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. [Google Scholar]
• Осборн К. А., Робишон А., Берджесс Э., Батланд С., Шоу Р. А., Култхард А. и др. (1997). Полиморфизм естественного поведения, обусловленный цГМФ-зависимой протеинкиназой Drosophila . Наука 277 834–836. 10.1126 / science.277.5327.834 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Ояма С. (2000). Онтогенез информации: системы развития и эволюция 2-е изд.Кембридж, Нью-Йорк: издательство Duke University Press; 10.1215 / 9780822380665 [CrossRef] [Google Scholar]
• Пааби А. Б., Рокман М. В. (2013). Многоликая плейотропия. Trends Genet. 29 66–73. 10.1016 / j.tig.2012.10.010 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Палмер А. Р. (2004). Нарушение симметрии и эволюция развития. Наука 306 828–833. 10.1126 / science.1103707 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Патерсон А. Х., Лин Ю.Р., Ли З., Шерц К. Ф., Добли Дж. Ф., Пинсон С. Р. и др. (1995). Конвергентное одомашнивание зерновых культур путем независимых мутаций в соответствующих генетических локусах. Наука 269 1714–1718 гг. 10.1126 / science.269.5231.1714 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Perutz M. F. (1983). Адаптация видов в белковой молекуле. Мол. Биол. Evol. 1 1–28. [PubMed] [Google Scholar]
• Филлипс П. К. (2008). Эпистаз — важнейшая роль взаимодействия генов в структуре и эволюции генетических систем. Нац. Преподобный Жене. 9 855–867. 10.1038 / nrg2452 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Pokorná M., Kratochvíl L. (2009). Филогения механизмов определения пола у плоских рептилий: являются ли половые хромосомы эволюционной ловушкой? Zool. Дж. Линн. Soc. 156 168–183. 10.1111 / j.1096-3642.2008.00481.x [CrossRef] [Google Scholar]
• Робинсон П. Н., Уэббер К. (2014). Онтологии фенотипов и межвидовой анализ для трансляционных исследований. PLoS Genet 10: e1004268 10.1371 / journal.pgen.1004268 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Rockman M. V. (2012). Программа QTN и аллели, имеющие значение для эволюции: все это золото не блестит. Evol. Int. J. Orgn. Evol. 66 1–17. 10.1111 / j.1558-5646.2011.01486.x [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Rogers W. A., Salomone J. R., Tacy D. J., Camino E. M., Davis K. A., Rebeiz M., et al. (2013). В основе разнообразия пигментации плодовых мушек лежит рекуррентная модификация консервативного цис-регуляторного элемента. PLoS Genet 9: e1003740 10.1371 / journal.pgen.1003740 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Ромеро-Эррера А. Э., Леманн Х., Джойси К. А., Пятница А. Э. (1978). Об эволюции миоглобина. Philos. Пер. R. Soc. Лондон. B. Biol. Sci. 283 61–163. 10.1098 / rstb.1978.0018 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Салазар-Сьюдад И., Марин-Риера М. (2013). Адаптивная динамика в картах генотип-фенотип на основе развития. Природа 497 361–364.10.1038 / nature12142 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Саркар С. (1999). От нормы реакции к адаптивной норме: норма реакции, 1909–1960 гг. Biol. Филос. 14 235–252. 10.1023 / A: 10066648 [CrossRef] [Google Scholar]
• Швандер Т., Леймар О. (2011). Гены как лидеры и последователи эволюции. Trends Ecol. Evol. 26 143–151. 10.1016 / j.tree.2010.12.010 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Шварц С. (2000). «Дифференциальная концепция гена: прошлое и настоящее», в Концепция гена в развитии и эволюции редакторы Бертон П.Дж., Фальк Р., Райнбергер Х. Дж. (Кембридж, Нью-Йорк: издательство Кембриджского университета;) 26–39. 10.1017 / CBO9780511527296.004 [CrossRef] [Google Scholar]
• Ширанги Т. Р., Дюфур Х. Д., Уильямс Т. М., Кэрролл С. Б. (2009). Быстрая эволюция экспрессии фермента, продуцирующего половые феромоны, у Drosophila . PLoS Biol. 7: e1000168 10.1371 / journal.pbio.1000168 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Симондон Г. (1968). L’individuation à la Lumière des Notions de Forme et d’Information 2005-е изд.Гренобль: Миллон. [Google Scholar]
• Собер Э. (1988). Распределение причинно-следственной ответственности. J. Philos. 85 303–318. 10.2307 / 2026721 [CrossRef] [Google Scholar]
• Штайнер К. К., Вебер Дж. Н., Хекстра Х. Э. (2007). Адаптивная изменчивость пляжных мышей обусловлена ​​двумя взаимодействующими генами пигментации. PLoS Biol. 5: e219 10.1371 / journal.pbio.0050219 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Стерн Д. Л. (2000). Эволюционная биология развития и проблема вариации. Evol. Int. J. Orgn. Evol. 54 1079–1091. 10.1111 / j.0014-3820.2000.tb00544.x [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Стерн Д. Л. (2013). Генетические причины конвергентной эволюции. Нац. Преподобный Жене. 14 751–764. 10.1038 / nrg3483 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Стерн Д., Оргогозо В. (2008). Локусы эволюции: насколько предсказуема генетическая эволюция? Evol. Int. J. Orgn. Evol. 62 2155–2177. 10.1111 / j.1558-5646.2008.00450.x [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Stewart C.Б., Шиллинг Дж. У., Уилсон А. С. (1987). Адаптивная эволюция лизоцимов желудка ферментеров передней кишки. Природа 330 401–404. 10.1038 / 330401a0 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Stotz K. (2012). Убийство на экспрессе развития: кто убил природу / воспитание? Биол. Philos. 27 919–929. 10.1007 / s10539-012-9343-1 [CrossRef] [Google Scholar]
• Стертевант А. Х. (1932). Использование мозаики в изучении влияния генов на развитие. Proc.Шестой Int. Congr. Genet. Итака Н. Я. 1 304–307. [Google Scholar]
• Supple M., Papa R., Counterman B., McMillan W. O. (2014). Геномика адаптивного излучения: понимание континуума видов геликониусов. Adv. Exp. Med. Биол . 781 249–271. 10.1007 / 978-94-007-7347-9_13 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Tautz D., Schmid K. J. (1998). От генов к людям: гены развития и формирование фенотипа. Philos. Пер. Р.Soc. Лондон. B. Biol. Sci. 353 231–240. 10.1098 / rstb.1998.0205 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Thomas D. (2010). Исследования ассоциации генов и окружающей среды: новые подходы. Нац. Преподобный Жене. 11 259–272. 10.1038 / nrg2764 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Венкатеш Б., Лу С. К., Дандона Н., См. С. Л., Бреннер С., Сунг Т. В. (2005). Генетические основы устойчивости к тетродотоксинам у иглобрюхов. Curr. Биол. 15 2069–2072. 10.1016 / j.cub.2005.10.068 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Visscher P. M., Brown M. A., McCarthy M. I., Yang J. (2012). Пять лет открытия GWAS. Am. J. Hum. Genet. 90 7–24. 10.1016 / j.ajhg.2011.11.029 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Уоддингтон К. Х. (1957). Стратегия генов 2014 Эдн Репринт Лондон: Рутледж. [Google Scholar]
• Вагнер Г. П. (1996). Гомологи, естественные виды и эволюция модульности. Am. Zool. 36 36–43. 10.1093 / icb / 36.1.36 [CrossRef] [Google Scholar]
• Вагнер Г. П. (2000). Концепция персонажа в эволюционной биологии . Сан-Диего, Калифорния: Academic Press. [Google Scholar]
• Вагнер Г. П. (2014). Гомология, гены и эволюционные инновации . Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета; 10.1515 / 9781400851461 [CrossRef] [Google Scholar]
• Wang J., Wurm Y., Nipitwattanaphon M., Riba-Grognuz O., Huang Y.-C., Shoemaker D., и другие. (2013). Y-образная социальная хромосома вызывает альтернативную организацию колоний у огненных муравьев. Природа 493 664–668. 10.1038 / nature11832 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Уотерс К. К. (2007). Причины, которые имеют значение. J. Philos. 104 551–579. [Google Scholar]
• Велтер Д., МакАртур Дж., Моралес Дж., Бёрдетт Т., Холл П., Джанкинс Х. и др. (2014). Каталог NHGRI GWAS, тщательно подобранный ресурс ассоциаций SNP-признаков. Nucleic Acids Res. 42 D1001 – D1006. 10.1093 / nar / gkt1229 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Вест-Эберхард М. Дж. (2003). Пластичность и эволюция развития . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. [Google Scholar]
• Вест-Эберхард М. Дж. (2005). Пластичность развития и происхождение видовых различий. Proc. Natl. Акад. Sci. США 102 (Дополнение 1) 6543–6549. 10.1073 / pnas.0501844102 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Wilkins A.(2014). «Набор генетических инструментов»: история жизни важной метафоры », в Достижения в эволюционной биологии развития изд. Тодд Стрелман Дж. (Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons;) 1–14. [Google Scholar]
• Wilkins A. S. (2002). Эволюция путей развития . Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. [Google Scholar]
• Xu X., Dong G.-X., Hu X.-S., Miao L., Zhang X.-L., Zhang D.-L., et al. (2013). Генетическая основа белых тигров. Curr.Биол. 23 1031–1035. 10.1016 / j.cub.2013.04.054 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Чжан Дж., Вагнер Г. П. (2013). Об определении и измерении плейотропии. Trends Genet. 29 383–384. 10.1016 / j.tig.2013.05.002 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

Взаимодействия генотип – среда и их трансляционные последствия

Per Med. Авторская рукопись; доступно в PMC 2011 1 ноября.

Опубликован в окончательной отредактированной форме как:

PMCID: PMC3108095

NIHMSID: NIHMS296039

Tesfaye M Baye

¹ Cincinnati Department Children’s Hospital Medical Center, Division of Asthma педиатрии, Университет Цинциннати, Цинциннати, Огайо, США

Тилахун Абебе

² Департамент биологии, Университет Северной Айовы, Сидар-Фолс, Айова, США

Рассел А. Уилке

³ Департамент медицины, Медицинский центр Университета Вандербильта, Нашвилл, Теннесси, США

¹ Медицинский центр детской больницы Цинциннати, Отдел исследований астмы, Департамент педиатрии, Университет Цинциннати, Цинциннати, Огайо, США

² Департамент биологии Университета Северная Айова, Сидар-Фолс, Айова, США

³ Департамент медицины, Медицинский центр Университета Вандербильта, N Эшвилл, Теннесси, США

Окончательная отредактированная версия этой статьи издателем доступна в Per MedSee другие статьи в PMC, в которых цитируется опубликованная статья.

Abstract

Организмы часто находятся в различных условиях окружающей среды. Психологические и поведенческие реакции на эти условия зависят от генетического состава людей. Генотип обычно остается постоянным от одной среды к другой, хотя иногда могут происходить спонтанные мутации, которые вызывают его изменение. Однако, когда один и тот же генотип находится в разных условиях, он может давать широкий спектр фенотипов. Эти фенотипические вариации объясняются влиянием окружающей среды на экспрессию и функцию генов, влияющих на признак.Изменения относительной производительности генотипов в различных средах называются взаимодействиями генотип-среда (GEI). Общий аргумент в пользу исследования влияния GEI на распространенные заболевания заключается в том, что он дает представление о процессах болезни на популяционном, индивидуальном и молекулярном уровнях. У людей GEI осложняется множеством факторов, включая фенокопию, генокопию, эпигенетику и импринтинг. Лучшее понимание GEI необходимо, если пациенты хотят делать осознанный выбор в отношении здоровья, руководствуясь своей геномной информацией.В этой статье мы проясняем роль окружающей среды в фенотипе, мы описываем, как структура человеческой популяции может скрывать разрешение GEI, и обсуждаем, как можно скоординировать возникающие биобанки по всему миру для дальнейшего понимания ассоциаций генотип-фенотип в контексте различной среды.

Ключевые слова: биобанков, геном, взаимодействие генотипа с окружающей средой, взаимодействие генотипа с лечением, персонализированная медицина, фармакогенетика, популяционная структура

Концепция, согласно которой фенотип представляет собой следствие взаимодействий генотипа со средой (GEI), универсальна и касается всех живые организмы.Гаррод был одним из первых ученых, которые заметили, что влияние генов на фенотип может быть изменено окружающей средой (E) [1]. Он предположил, что различия в генетическом составе играют важную роль в вариабельном ответе на лекарства, и что этот эффект генотипа (G) может быть дополнительно изменен диетой. Точно так же Турессон продемонстрировал, что на развитие растения часто влияет его окружение [2]. Он сформулировал существование тесной взаимосвязи между разновидностями сельскохозяйственных культур и окружающей их средой и подчеркнул, что присутствие определенного сорта в данной местности — не просто случайность; скорее существует генетический компонент, который помогает человеку адаптироваться к этой области.Он указал на роль отбора в управлении «генотипической дифференциацией населения в данной местности». Райт далее подробно остановился на существовании функциональной взаимосвязи между различными биологическими конечными точками и сетями генов и факторов окружающей среды в своих исследованиях мутации, отбора и селекции [3].

Дополнительная сложность возникает, когда эти факторы передаются поколениям через эпигенетику [4]. В ответ на серьезные изменения окружающей среды геном может реагировать выборочно регулируя (увеличивая или уменьшая) экспрессию определенных генов.Например, растения могут обнаруживать и реагировать на специфические сигналы окружающей среды, которые влияют на пути развития и наделяют с течением времени широкий спектр адаптивных способностей [5]. У культурной кукурузы вариации в размере генома могут достигать почти 40% [6,7]. Рейберн и Огер количественно оценили содержание ядерной ДНК в 12 популяциях кукурузы на юго-западе США, собранных на разных высотах, и обнаружили значительную положительную корреляцию между размером генома и высотой [8].

Воздействие окружающей среды на человека является сложным, и его относительная важность может значительно варьироваться в зависимости от генетической конституции человека.Физическая среда может включать такие факторы, как загрязнители [101]. Физические, социальные и экономические факторы также побуждают GEI преодолевать сложные экологические проблемы, такие как табачный дым. В результате GEI может влиять на начало заболевания, скорость прогрессирования заболевания и клиническую реакцию на фармакологическое вмешательство. Быстро растущая распространенность многих общих черт болезней человека ясно иллюстрирует важность GEI в начале болезни. Заболеваемость астмой в США резко выросла за последние 20 лет.Поскольку это слишком короткий период времени для значительного изменения частот большинства аллелей, важное значение должны иметь негенетические факторы, то есть изменения в окружающей среде. Точно так же удвоение показателей ожирения, наблюдаемое во многих странах за последние несколько десятилетий, было результатом не изменений в базовой генетической архитектуре, а, скорее, изменений окружающей среды, в первую очередь того, что люди едят и сколько они двигаются [9]. Первоначально геном человека развился для того, чтобы справляться с изнурительной физической активностью в образе жизни, при котором ресурсы были ограничены, а голод был обычным явлением (т.э., традиционный образ жизни охотников-собирателей). Когда мы перешли к «современному» образу жизни, наш геном не успел приспособиться к оседлому образу жизни с обильным питанием и материальными благами. Таким образом, большой процент населения США и других развитых стран подвержен риску развития сложных заболеваний, включая ожирение, диабет и гипертонию. Подобно тому, как геном состоит из генов, контролирующих фенотип, окружающая среда состоит из смеси биологических и физических факторов, которые независимо или в комбинации влияют на геном.

Классификация G – E взаимодействий

Взаимодействия генотип – окружающая среда можно разделить на три широкие категории () «отсутствие» G – E-взаимодействия, неперекрестное взаимодействие и перекрестное взаимодействие. По мере увеличения количества сред и количества генотипов количество возможных G – E взаимодействий (задаваемых GE! / G! E!) Чрезвычайно возрастает. При наличии только двух G и двух Es и только одного критерия возможны по крайней мере четыре различных типа взаимодействий. Таким образом, с десятью G и десятью Es возможны 400 типов взаимодействий, что, безусловно, сделало бы их последствия и интерпретацию более трудными для понимания [10,11].Взаимодействия обычно выше для болезней и признаков с более низкой наследуемостью, таких как астма и другие общие сложные заболевания, такие как ожирение. Взаимодействия также выше для таких признаков, как воспроизводство и эффективность кормления, тогда как они ниже для признаков с более высокой наследуемостью, таких как цвет глаз или кожи, серповидно-клеточная анемия и другие менделевские заболевания. Взаимодействие может позволить конкретное целевое вмешательство в группах высокого риска. В ситуациях, когда модели взаимодействия ограничены, значение G – E для информирования о целевых вмешательствах и профилактики заболеваний, вероятно, будет очень ограниченным.

Графическое представление типов взаимодействия «нет», некроссинговера и кроссинговера взаимодействия генотип-среда

Подробнее об A – F см. В тексте.

Адаптировано из [38].

Нет взаимодействия G – E

Когда нет G – E взаимодействия, эффекты каждого из факторов риска согласованы (однородны) на всех уровнях других факторов риска. Взаимодействие «нет» G – E происходит, когда один генотип (например, G1) стабильно работает лучше, чем другой генотип (G2), примерно на одинаковую величину для обоих Es.В такой ситуации маркеры SNP, протестированные в одном E, дают универсальные результаты. Когда нет шума, экспериментальные результаты будут точными в определении наилучшего G без ошибок, и нет необходимости в повторении. В этом контексте одной репликации в одном E будет достаточно для определения лучших SNP, на которые фармакогеномики могут положиться. показывает, что G1 и G2 работают одинаково в двух Es, потому что их ответы параллельны и стабильны. Этот тип стабильности, также называемый биологической стабильностью [12], желателен в фармакогеномике.также иллюстрирует отсутствие взаимодействия G – E. Генотип G1 работает лучше, чем генотип G2 в обоих Es. Нормы реакции (вариации в выражении признаков в диапазоне Es для данного G) для двух G являются аддитивными. Межгенотипическая дисперсия остается неизменной для двух Es, и направление модификации Gs из среды обитания остается тем же самым. В, есть главный эффект G, а в есть главный эффект E.

Неперекрестное (количественное) взаимодействие G – E

Считается, что неперекрестное взаимодействие G – E происходит, когда один G (G1) постоянно превосходит другой (G2) в тесте E.Однако, в отличие от or, дифференциальная производительность неодинакова для E. представляет собой непересекающийся тип взаимодействия. G1 и G2 по-разному реагируют на два Es, но их ранги остаются неизменными. Реакция двух G при разных Es не является аддитивной, величина межгенотипической дисперсии увеличивается, и изменение окружающей среды двух G происходит в одном направлении.

Кроссовер (качественный) G – E-взаимодействие

Дифференциальный и нестабильный отклик G на различные Es называется кроссоверным взаимодействием, когда ранги G меняются или переключаются с одного E на другой [13].В генетических исследованиях болезней человека невозможность репликации генов-кандидатов или полногеномных ассоциативных исследований (GWAS) можно отнести к перекрестным взаимодействиям. Кроссоверное взаимодействие подразумевает, что ни один G не превосходит по множеству Es [14]. Если эффект лечения (Т) отличается от испытания к испытанию, особенно если в одних исследованиях эффекты положительные, а в других — отрицательные, рекомендации по общей терапии не могут быть сделаны. Различия в реакции G на E могут потребовать разработки стратегий персонализированной медицины с учетом географических особенностей [15].

представляет собой кроссовер, тип взаимодействия с изменением ранга. Направление изменения окружающей среды Gs G1 и G2 противоположно: производительность G1 увеличивается, а производительность G2 снижается. Генотипические ранги меняются между двумя Es, но величина межгенотипической дисперсии остается неизменной. также представляет собой кроссоверное взаимодействие, поскольку переключатель Gs занимает место между двумя Es. Он также представляет собой изменение величины изменений межгенотипической дисперсии. В E E1 разница между Gs G1 и G2 меньше, чем в E E2, и направление изменения окружающей среды двух G одинаково.иллюстрирует перекрестное взаимодействие с модификацией окружающей среды в противоположном направлении; производительность G1 увеличивается, но производительность G2 снижается. Эта ситуация отличается от той, что проиллюстрирована на рисунке, тем, что величина межгенотипической дисперсии увеличивается между Es.

Генетическая структура и взаимодействие G – E

На величину GEI влияет генетическая структура G. G с меньшей гетерогенностью или гетерозиготностью обычно больше взаимодействуют с E, чем смеси G, из-за меньшего количества адаптивных генов .Генетическая структура популяции различается в основном по двум параметрам: уровень гетерозиготности на уровне популяции и степень генетической гетерогенности внутри индивидуума [16]. В отсутствие GEI ожидается, что различия между людьми (в тех случаях, когда люди генетически похожи) будут однородными. В отличие от популяционных исследований, в которых средний эффект воздействия окружающей среды сравнивается между группами, идентификация восприимчивых людей в популяциях посредством генотипирования позволяет лучше оценить истинную величину воздействия воздействия окружающей среды на популяции, подверженные риску. .

Популяционная генетическая структура, особый тип искажения в исследованиях аллельных ассоциаций [17], также может влиять на взаимодействие G – E, что может приводить к ложным результатам. Кэмпбелл и его коллеги обнаружили, что SNP в гене лактазы ( LCT ) изначально был сильно связан с ростом в выборке американцев европейского происхождения [18]. Позже выяснилось, что эта связь связана с расслоением; как высота, так и частота SNP в Европе сильно различались. Когда испытуемые были сопоставлены на основе уточненного местонахождения предков, сила первоначальной ассоциации значительно уменьшилась.Поскольку ожидается, что подгруппы населения будут различаться в отношении воздействия окружающей среды, при исследованиях взаимодействия G – E могут возникать смешанные факторы такого же типа. То есть разные подгруппы могут иметь как разный генетический фон, так и разные культуры или социально-экономические модели поведения, создавая корреляцию между G и воздействием окружающей среды, которую необходимо контролировать. Без этого контроля возникают ложные ассоциации. Несвязанные генетические маркеры могут использоваться для обнаружения такой стратификации и внесения исправлений, если она присутствует [19].

Моделирование взаимодействия

Чтобы понять взаимосвязь между комплексными заболеваниями человека и E, мы начнем с фундаментальной взаимосвязи G, E, фенотипа (P) и модели GEI в рандомизированных контролируемых испытаниях (РКИ). Если не предполагается взаимодействие между G и E, P можно выразить уравнением P = G + E. Однако наблюдаемый фенотип является функцией G, E и их GEI. Для того, чтобы GEI произвел набор фенотипов и был обнаружен с помощью статистической процедуры, должны быть по крайней мере два различных G, оцениваемых по крайней мере в двух различных Es.Компоненты GEI можно объяснить следующим образом [20]:

GEI = (Δ2 — Δ1) = (Δ4 — Δ3)

или

GEI = (Δ1 — Δ4) = (Δ2 — Δ3)

Эффект G, Δ3, представляет разницу между Gs в E E1, а Δ4 представляет собой разницу между G в E E2. Воздействие окружающей среды Δ1 представляет собой изменение, приписываемое Es для G G1, а Δ2 — изменение, приписываемое Es для G G2. Таким образом, общий эффект:

или

Эту модель со статистической точки зрения можно записать как:

P _{i j} = μ + G _i + E _j + G E 9048 _ijk

Где P _ij — фенотип человека с G _i и E _j , μ — общее среднее значение, а ε _ijk — случайная ошибка для k-го пациента в группе. с G _i и E _j .

Расширение модели

Эффект взаимодействия G – T (GTI) можно интерпретировать как реакцию G на T в данном E. Исследование GTI помогает выявить тех людей, которые будут (не) положительно реагировать на препарат. кандидат на основе их G. Обнаружение генов, которые изменяют реакцию на лекарство, может значительно улучшить доставку лекарства. GTI можно разделить, используя дизайн и анализ клинических испытаний. Методы анализа включают как параметрические, так и непараметрические процедуры — разделение дисперсии, регрессионный анализ, непараметрические методы и многомерные методы (подробности см. В [21,22]).Для разделения дисперсии используются различные модели дисперсионного анализа (ANOVA). В ассоциации генов-кандидатов G обычно выбираются не случайно, поскольку они выбираются намеренно на основе биологических особенностей. Точно так же E или Ts часто выбираются не случайно. Однако они могут считаться случайными, если многие из них распределены по большому E. Если G оцениваются по нескольким совместным Es, эффекты могут быть случайными, поскольку E не контролируется. Кроме того, если G тестируются из случайного пула, например из исследования GWAS, их эффекты можно считать случайными.В модели ANOVA предполагается, что результирующий эффект гена (X _ijkr ) является результатом эффектов T, G и E и их взаимодействий по T _k , E _j и G _i :

X _ijkr = μ + G _i + E _j + T _k 8 9048 8 9048 9048 j + G T _{i k} + E T _{j k} + GET 9048 9048 9048 9048 _ijkr

Где μ — общее среднее значение.Остающийся разброс отражается в члене ошибки e _ijkr . Модель ANOVA, принимающая G, T и E как случайные, представлена ​​на. Компоненты дисперсии могут быть рассчитаны с использованием следующих уравнений.

Таблица 1

Дисперсионный анализ с учетом генотипа, обработки и окружающей среды как случайных в аналитической модели.

259259 + σ ² _gte + rgσ ² _te

Источник	d.f.	м. С.	E (мс)
Генотип	f1 = g − 1	m1	σ 2 + rσ 2 gte + erσ 2 gt + rσ 2 gtσ + r ge + rteσ 2 g
Обработка	f2 = t − 1	m2	σ 2 + rσ 2 tge + erσ 2 rtσ 2 te + regσ 2 t
Окружающая среда	f3 = e − 1	м3	σ 2 + rσ 2 gte + rtσ10 ge 2 + rgσ 2 te + rtgσ 2 e
G – T	f4 = f1f2	m4	σ 2 + σ 2 gte GT
G – E 9 0978	f5 = f1f3	m5	σ 2 + σ 2 gte + rtσ 2 ge
E – T	f6 = f2f3
G – E – T	f7 = f1f2f3	m7	σ 2 + σ te 2 g
Ошибка	F8 = (r − 1) (g − 1) te	m8	σ 2

σ2g = m1 − m4 − m5 + m7rteσ2gt = m4 − m7reσ2gert = m5 m7 − m8rσ2 = m8

Взаимодействие между генотипом и лечением оказывает значительное влияние на эффективность лекарств, в основном потому, что затрудняет сравнение G с тестом E.Утверждается, что для преодоления этих ограничений в оценке лекарств нам необходимо развить понимание различий в G, связанных с различиями в эффективности лекарств. GTI представляет интерес для фармакогеномов по нескольким причинам. Необходимость разработки лекарств для конкретных целей определяется пониманием GTI. Уникальные препараты могут потребоваться для разных рас или комбинаций G. Потребность в уникальных лекарствах в разных географических регионах требует понимания GTI. Важность этого взаимодействия может определить необходимость и обоснованность кластеризации большой географической области на подрайоны для тестирования новых лекарств.Эффективное распределение ресурсов для тестирования лекарств по комбинации генотипов основано на относительной важности взаимодействий G-лекарства. Реакция Gs на различные дозы лекарств позволяет понять их эффективность и токсичность.

Дизайн исследования

Подход, основанный исключительно на ДНК-последовательностях, недостаточен для полного объяснения рисков распространенных заболеваний. Скорее, болезни возникают в результате взаимодействия между индивидуальной генетической структурой и факторами окружающей среды [23]. Следовательно, хотя определенные гены по отдельности или в сочетании с другими генами могут увеличивать вероятность развития заболеваний [24], неблагоприятные эффекты, связанные с GEI, могут быть частично преодолены путем изменения социальных, поведенческих или экологических условий ().Со статистической точки зрения взаимодействие можно определить как отклонение от условной независимости [25]. Это определение полностью зависит от используемой шкалы измерения (мультипликативной или аддитивной). Показатели отношения, такие как относительные риски (ОР) или отношения шансов, оценивают влияние факторов риска по мультипликативной шкале, потому что они отражают степень умножения риска заболевания (для ОР) или шансов (для отношения шансов) у лиц с риском. фактор по сравнению с теми, у кого нет. Напротив, различия в риске оценивают влияние факторов риска по аддитивной шкале, потому что они отражают, насколько риск заболевания добавлен у лиц, у которых есть фактор риска, по сравнению с теми, у кого его нет.Статистическое определение взаимодействия различается в зависимости от того, какая из этих шкал измерения используется. Например, для факторов A и B взаимодействие по мультипликативной шкале определяется как различный RR для фактора A по слоям, определяемым фактором B, в то время как по аддитивной шкале взаимодействие определяется как различные различия риска для фактора A по определенным слоям. фактором B. Взаимодействие, при котором G – E больше, чем аддитивное, поддерживает подход, ориентированный на группы высокого риска [25].

Фенотип находится под контролем генетических и экологических эффектов

Эпигенетика связывает среду и генотип с фенотипом и болезнью.

Существует несколько способов разработки эпидемиологического исследования для тестирования моделей GE и GTI. Наблюдение и вмешательство — два основных типа дизайна, используемых для исследования взаимодействий (подробности см. В [26,27]). Большинство эпидемиологических исследований носят наблюдательный характер и включают традиционные исследования «случай – контроль», когортные, практические когорты, исследования «усыновление» и исследование близнецов [28,29], которые проводятся с неявным предположением, что любые вариации, не связанные с генетическими факторами, должны устраняться. из E [30].Различные конструкции предлагают преимущества и недостатки в отношении достоверности и эффективности [31]. Трудно объективно оценить продолжительность, интенсивность и частоту большого разнообразия разнонаправленных воздействий окружающей среды на основе наблюдательных эпидемиологических исследований [32]. Даже сильная связь между фактором окружающей среды и заболеванием не обязательно доказывает, что фактор окружающей среды вызвал болезнь [32]. Один из способов обойти это — провести РКИ с репликацией и контрольными субъектами (подробности см. В [22]).РКИ являются краеугольным камнем доказательной медицины. Такие испытания основаны на случайном распределении людей по разным Ts, одна из которых может быть контролем для оценки исходных факторов пациента, которые могут повлиять на результаты. Кластерные рандомизированные испытания, то есть испытания, в которых рандомизируются целые группы людей («кластеры») вместо самих людей, стали обычным явлением в исследованиях в области здравоохранения и здравоохранения [33].

Эпидемиологические и контролируемые экспериментальные исследования полезны для определения наличия GEI.Однако эпидемиологический метод ограничен наблюдательными исследованиями встречающихся в природе генетических полиморфизмов и изменчивости окружающей среды, а также его неспособностью разделить генетические факторы и факторы окружающей среды. Требуется экспериментальная методология, чтобы выделить эффекты окружающей среды / Т, не зависящие от G, с помощью рандомизированных клинических испытаний. Использование экспериментальных моделей на животных предоставило большой объем информации о генетических, физиологических и экологических аспектах сложных заболеваний [25].В то время как генетические исследования на животных носят в основном экспериментальный характер, генетические исследования человека носят наблюдательный характер, поскольку манипулирование геномом человека неэтично. Более того, исследования на людях дороги, и характеристика влияния GEI на P часто бывает довольно сложной, потому что мы не можем контролировать E и историю жизни субъектов. Наконец, ассоциации не обязательно подразумевают причинно-следственную связь из-за возможного смешения из-за структуры населения. Есть две общие стратегии изучения роли генов в организме человека.Подход с измерением G основан на прямом измерении генетической изменчивости на уровне белка или ДНК с целью оценить влияние аллельной изменчивости на фенотипические различия. Неизмеренный (и, возможно, неизвестный) подход G пытается оценить вклад генетической изменчивости (от факторов риска окружающей среды) в различия в выражении болезни (фенотипическая дисперсия) и найти количественные доказательства роли отдельных генов в развитии рассматриваемое заболевание.

Исследования случай-контроль

В большинстве ассоциативных исследований (генов или полногеномных), которые не рассматривают модели семейного наследования, используется план случай-контроль, основанный на сравнении аллелей или частот G неродственных больных и незатронутых людей в популяции [ 34]. Говорят, что аллель в гене связан с признаком, если он встречается со значительно более высокой частотой у пораженных людей по сравнению с контрольной группой (то есть, когда нулевая гипотеза об одинаковой частоте аллелей в группах ложна).Статистическую значимость можно оценить с помощью теста Pearson χ ² на однородность пропорций. Самым убедительным доказательством в поддержку сообщенной ассоциации будет репликация ассоциации с тем же аллелем, тем же P и тем же направлением эффекта в независимой выборке населения, с комбинированными p-значениями, которые достаточно низки, чтобы выдержать консервативную поправку для тестирования. несколько гипотез.

Практические когорты

Наблюдательные когортные исследования представляют собой привлекательную альтернативу.В настоящее время существует огромный интерес к связыванию репозиториев ДНК с безопасными зашифрованными копиями полных электронных медицинских записей. Одним из таких усилий стала сеть электронных медицинских записей и геномики (eMERGE), созданная Национальным институтом здравоохранения в 2007 году [102]. Связывая высокопроизводительные технологии генотипирования с электронными медицинскими картами в контексте этих биобанков, исследователи могут изучать и анализировать влияние Е в различных географических точках [35] (). Разнообразие предков варьируется в зависимости от биобанков; некоторые из них очень однородны [36], а другие содержат значительное количество примесей [37].Кроме того, неоднородность окружающей среды в различных биобанках может создать еще один уровень аналитических проблем. Эта проблема требует расширения сотрудничества и стандартизации методов ввода данных и фенотипирования [38].

Предлагаемые подходы к изучению стабильности взаимодействий генотип-среда с использованием биологического материала, связанного с обширными электронными медицинскими базами данных.

GEI: Взаимодействие генотип-среда.

Один из подходов к минимизации воздействия GEI на данные биобанков и между ними заключался в том, чтобы сгруппировать G (субъектов со сходным происхождением) в соответствии с их реакцией на E с помощью кластерного анализа [38].Полученные данные могут быть полезны при разработке инструментов прогнозирования, которые описывают ожидаемые карты генетической изменчивости по географическим регионам, таким как города, округа и штаты. Другой, более традиционный подход к минимизации воздействия такого взаимодействия заключался в выполнении анализа стабильности для различных Es путем анализа и интерпретации генотипических различий в контексте сильно изменчивых клинических фенотипов, таких как T-результат [13]. Этот последний подход позволил бы исследователям выбрать G с согласованными критериями результатов, определить причины GEI и предоставить возможность исправить проблему [38].Когда причина нестабильного G известна, появляется множество вариантов: G может быть либо улучшен генетическими средствами (как в случае генетики растений), либо может быть выбран правильный E (изменение воздействия лекарственного средства). оптимизировать клинический результат. G, который последовательно работает во многих Es, возможно, будет обладать широкой устойчивой устойчивостью к факторам окружающей среды, встречающимся во время метаболизма. Чем больше провайдеры знают о GEI, тем больше у них шансов эффективно реализовать соответствующие стратегии персонализированной медицины.Биобанки, ориентированные на популяцию и болезни, необходимы для определения релевантности человеческих генов болезням и предоставляют возможности для оценки их взаимодействия с образом жизни и Э, а также для развития персонализированной медицины. Однако подробное описание фенотипа заболевания и строго определенные процедуры сбора образцов дороги и трудоемки (). Недавно созданный Public Population Project in Genomics (P ³ G) [103] способствует сотрудничеству между исследователями в области популяционной геномики и биобанкинга для обеспечения публичного доступа к данным популяционной геномики.Он поддерживает создание перекрестных базовых анкет для определения основного набора информации, имеющей особое научное значение для конкретного типа биобанка. Более 25 международных биобанков внесли свой вклад в концепцию схемы данных и платформы гармонизации для эпидемиологических исследований (DataSHaPER). P ³ G способствует гармонизации номенклатуры биологических, медицинских, демографических и социальных данных, собранных от участников, в основном в контексте популяционных исследований для анализа GEI.

Таблица 2

Анализ взаимодействия генотип – среда в биобанках.

Opt259 Стратегия регистрации кодов64

Выпуск	Проблема
Дизайн биобанка	Неоднородность критериев отбора — популяционная, практическая, болезнь или лечение
(информированное согласие) по сравнению с отказом на месте
Управление данными	Биокомпьютинг и инфраструктура
Хранение данных	Вариативность формата — структурированный и неструктурированный
Фенотипирование	алгоритмов или лаборатории) еще не стандартизирован
Количественная оценка окружающей среды	Отсутствие конкретных измерений в рутинных ЭМИ и стандартных методах оценки фактора риска окружающей среды
Многофакторные фенотипы, связанные со сложным заболеванием	Генетическая предрасположенность, образ жизни и диета, воздействие в неизмеримую среду психологические факторы
Время сбора плазмы и сыворотки	Временная связь с интересующим событием не определена заранее
Различные образцы, такие как печень, мышцы, подкожная и висцеральная жировая ткань	Отсутствие подробной характеристики фенотипа заболевания в высокоточная выборка
‘Омические данные (геномика, транскриптомика, протеомика и метаболомика)	Отсутствие подходов к интеграции данных
Межрегиональное и национальное сотрудничество	Гетерогенные этические и правовые рамки — другая структура,		правила и стандарты
Образцы керна	Отсутствие подходов к определению керна
Статистический тест	Миллионы образцов — ложноположительные или отрицательные результаты

Ограничения

Для исследованийисход, искажающий показания, может быть сильным источником систематической ошибки в обсервационных исследованиях.Это потому, что лекарства назначаются не наугад. Наличие коморбидных состояний (и большая тяжесть заболевания) влияет на выбор Т. Более новые и более дорогие лекарства часто предназначены для пациентов с более тяжелыми заболеваниями. Чтобы свести к минимуму этот источник систематической ошибки, исследователям, работающим с данными наблюдений, может потребоваться использовать шкалы предрасположенности для корректировки наблюдаемых характеристик пациента или поставщика медицинских услуг, которые влияют на выбор или выбор лекарства. Самостоятельный выбор также может быть сильным источником предвзятости.В обсервационном исследовании, основанном на практике, пациенты, которые продолжали принимать лекарства в течение длительного периода времени, не являются репрезентативными для всех пациентов, которым было прописано лекарство. Соблюдение режима лечения может отражать более эффективную практику ухода за собой или способность переносить лечение без значительных побочных эффектов. Большинство обсервационных исследований непропорционально охватывают людей, успешно продолжающих принимать лекарства в течение более длительных периодов, при этом данные взвешиваются с опытом воздействия этих конкретных пациентов.Следовательно, эти источники предвзятости должны быть рассмотрены и учтены в любом анализе, характеризующем генетику, E, T и клинический исход.

Движение вперед

Полногеномные исследования ассоциаций стали мощным подходом к идентификации генетических вариантов, влияющих на общие заболевания, и сложных признаков, таких как Т-исход [39–43]. Однако большинство генетических локусов, обнаруженных на сегодняшний день, составляют лишь небольшую часть общей фенотипической изменчивости, и большая часть наследственного компонента риска остается необъясненной [44,45].Часть этого отсутствующего унаследованного риска (т.е. доля, не относящаяся к вариантам, идентифицированным на сегодняшний день) может быть отнесена на счет GEI [46]. Почти все проведенные на сегодняшний день GWAS сосредоточены на обнаружении и характеристике основных эффектов (по одному SNP за раз) и не полностью исследовали потенциальную роль факторов окружающей среды в изменении генетического риска [47]. Более того, текущее внимание в популяционных ассоциативных исследованиях почти полностью сосредоточено на генетических маркерах и этиологических вариантах, которые являются общими (частота> 5%).

Акцент на общие аллели в настоящее время делается исключительно из практических соображений [48]. Предполагается, что на общие заболевания влияют многие генетические факторы и факторы окружающей среды, и все они оказывают умеренное влияние на признак. Если генетические влияния редки, размеры выборки, необходимые для обнаружения умеренных эффектов, становятся невероятно большими. Таким образом, часто бывает непрактично искать редкие генетические эффекты, используя классический дизайн аллельной ассоциации [15]. Это соображение объясняет текущее внимание к стратегиям открытия генов, направленным на общие аллели, и подразумевает, что реальные эффекты, связанные с редкими аллелями, могут остаться незамеченными [49].Крупные сети биобанков будут особенно полезны для быстрой идентификации генетических маркеров, предсказывающих редкие неблагоприятные исходы.

Потому что в настоящее время ассоциативные исследования основаны на генотипировании известных SNP в геноме человека, поскольку стоимость секвенирования всего генома для большого числа людей непомерно высока. Тем не менее, можно использовать данные из HapMap для оценки карт рекомбинации по всему геному, чтобы точно вывести Gs для SNP, которые не были непосредственно проанализированы в исследовании [50,51].Вывод Gs позволяет более точно отображать интересующие области, а также полезен для проверки и коррекции данных на генотипированных маркерах. Кроме того, вменение G в маркерах, не проанализированных напрямую, также дает возможность комбинировать данные из нескольких сканирований всего генома биобанка, в которых использовались разные наборы SNP, поскольку все SNP, генотипированные в любом из исследований, могут быть выведены в других исследованиях. Этот подход привел к идентификации новых генетических факторов, влияющих на эффективность ингибиторов HMGCoA редуктазы (статинов), наиболее часто назначаемого класса лекарств в США [43].Увеличивая количество людей, для которых доступна G-информация, такая стратегия может увеличить мощность обнаружения и анализа GEI [52].

Расширение GTI

Необходимо различать влияние генетических вариантов на риск заболевания и влияние генетических вариантов на исход Т (G – T взаимодействия), как показано на (). Степень наложения этих процессов зависит от рассматриваемого клинического состояния. Для наиболее распространенных заболеваний GEI изменяет процесс болезни на популяционном, индивидуальном и молекулярном уровне.И наоборот, GTI — это основная основа для индивидуализации тестостерона с помощью прогнозных маркеров. Таким образом, лучшее понимание GTI и GEI необходимо, если пациенты хотят делать осознанный выбор в отношении здоровья, руководствуясь их E, T и геномной информацией.

Взаимодействие генотипа с окружающей средой и генотипа с лечением: модель, изучающая взаимосвязь генотипа и окружающей среды / лечения с воздействием на здоровье.

В качестве примера, на начало астмы влияют взаимодействия между многими генами, а также между стадиями Е и развитием.В детстве у мальчиков почти в два раза больше шансов заболеть астмой, чем у девочек, но во взрослом возрасте астма чаще встречается у женщин, чем у мужчин [53]. Таким образом, можно было бы расширить и смоделировать астму на основе стадий развития с поправкой на соотношение гендерных рисков или в рамках данной гендерной группы как:

ген (-а) — развитие взаимодействия с окружающей средой

Также было высказано предположение, что генетика может вносить 60–80% вариабельности терапевтического ответа на астму Т [54].Многочисленные генетические исследования сообщили о связи или ассоциации с астмой и фенотипами, связанными с астмой; атопия, повышенный уровень иммуноглобулина E (IgE) и гиперреактивность бронхов. Кроме того, было показано, что специфические аллели, маркирующие цитокин / хемокин, ремоделирующие или регулирующие IgE гены, влияют на риск [55]. Клинические последствия вариабельности этих генов-кандидатов астмы (т. Е. Генов болезней) в отношении их влияния на исход тестостерона остаются в значительной степени неопределенными.

Реакция на лекарства от астмы широко варьируется между разными группами населения, а также сильно различается среди людей в одной и той же популяции.Одним из очень информативных примеров является вариабельность, наблюдаемая между пациентами с астмой, получавшими терапию ингаляционными β2-агонистами, где до 75% вариабельности передается по наследству. Примерно 60% детей-астматиков, гомозиготных по аргинину в положении 16 (Arg 16 / Arg 16) β-адренергического рецептора (также являющегося геном-кандидатом болезни), могут положительно реагировать на альбутерол, по сравнению с только 13% у лиц, гомозиготных по глицину. в этой позиции [56]. Степень, в которой этот ответ варьируется, различается у разных этнических групп [57].Гомозиготность по аргинину в положении 16 предсказывает терапевтический ответ на β2-агонисты у пуэрториканцев, но не у мексиканцев [58]. Есть также данные, позволяющие предположить, что варианты β2-адренорецептора могут объяснять различия в чувствительности дыхательных путей у курильщиков и некурящих [59]. Подобные подходы необходимы (т.е. моделирование не только возраста и пола, но также расы и E), если индивидуализированное здравоохранение должно стать реальностью в контексте всех распространенных сложных заболеваний.

Расширение GEI

На сегодняшний день существует лишь несколько воспроизведенных, биологически правдоподобных и методологически обоснованных примеров применения GEI для индивидуальной помощи [60–62].Продолжая обсуждение атопических клинических заболеваний, приведенное выше, финские карелы имеют более высокую распространенность аллергических заболеваний, чем русские карелы. Тем не менее, оба населения принадлежат к одной этнической группе. В недавнем исследовании сравнивали ассоциации между аллергическими заболеваниями и CD14 G у финских и русских карельских женщин. Аллель CD14 -159C / T (rs2569190) для атопических фенотипов в финской Карелии, по-видимому, является протективным аллелем в российской Карелии. Аллель риска — C у русских и T у финнов [63].В терминологии GEI это пример кроссоверного (качественного) взаимодействия G – E. Аналогичным образом, CD14 , испытанный на ассоциацию с общим и специфическим IgE, продемонстрировал, что rs2569190 TT G связан с более низким уровнем IgE и сниженным риском сенсибилизации у детей, контактировавших с домашними животными, в возрасте 4 и 8 лет [64]. У необлученных детей и детей того же возраста не обнаружено связи с TT G rs2569190. Эти примеры показывают, что направление и величина генетического эффекта могут изменяться при изменении E.Другими словами, генетический риск заболевания можно модифицировать специфичным для E.

Заключение

Несмотря на то, что опасения по поводу роли GEI в этиологии заболевания возникли в течение последнего столетия, приоритетность этих взаимодействий как средств предотвращения сложных заболеваний остается новой областью исследований. Персонализированная профилактика заболеваний на основе Э может считаться разумной в случаях, когда воздействие оказывает отрицательный эффект в одной группе G и защитный эффект в другой. Факторы экологического риска часто бывают сложными и включают респираторные инфекции, аллергены, эмоции, загрязнение воздуха, сигаретный дым, образ жизни, диетические и психосоциальные факторы.Часто бывает трудно определить соответствующие воздействия. Следовательно, есть основания предполагать, что еще не обнаруженные GEI могут вносить вклад в проблемы болезни T, которая все еще мешает ассоциативным исследованиям. Следовательно, инвестиции в технологию генотипирования должны сопровождаться столь же надежными инвестициями в методы, необходимые для точной характеристики воздействия окружающей среды.

Фармакогенетика / геномика дает надежду на прогнозирование индивидуальной реакции на фармакологическое вмешательство.Однако для большинства взаимосвязей «лекарство – ген – результат» остается неясным, какой уровень доказательств потребуется для внедрения генного дозирования лекарств в повседневную клиническую практику. Факторы, влияющие на этот процесс, включают частоту заболевания (например, GEI), вариабельность эффективности лекарств и частоту любых соответствующих побочных реакций на лекарства [65]. Для некоторых лекарств потребуются проспективные исследования тестостерона на основе генов, прежде чем клинические и экономические последствия такого подхода будут полностью поняты. Что касается других лекарств, преимущества дозирования на основе генов могут быть полностью поняты только в контексте крупных наблюдательных исследований, проведенных с использованием когорт, основанных на практике [35].Отношения лекарство-ген-результат, на которые сильно влияет GEI, лучше всего можно охарактеризовать с помощью комбинированного анализа генетического материала и защищенных зашифрованных электронных медицинских записей, содержащихся в растущих мировых биобанках.

Краткое содержание

• Взаимодействие генов с окружающей средой играет важную роль в развитии заболеваний человека и относительно хорошо изучено на модельных организмах. Для выяснения взаимодействия генов с окружающей средой у человека потребуется строгая количественная оценка влияний окружающей среды.

• Продольные данные, доступные в наборах данных, основанных на практике (например, продольные когорты, отслеживаемые в клиниках по ведению хронических заболеваний), позволят исследователям охарактеризовать генетические факторы с небольшими, но воспроизводимыми эффектами на исход лечения в контексте взаимодействия генотипа и окружающей среды.

• Биобанки становятся все более распространенными во всем мире, и существует острая необходимость в создании сетей и обмене образцами и инструментами между биобанками. Сеть электронных медицинских записей и геномики (eMERGE) представляет собой новую возможность для координации этих исследовательских усилий в нескольких учреждениях для анализа взаимодействия генотипа и окружающей среды.

• Изучение взаимодействий может позволить нам идентифицировать факторы риска заболевания, которые не были бы обнаружены, если бы были изучены только основные эффекты воздействия. Изучение взаимодействий также может иметь важное значение для выявления новых вариантов генетического риска, если генотип оказывает сильное влияние при наличии окружающей среды, но не имеет никакого эффекта, если среда отсутствует. Такие отношения более правдоподобны для исследований неблагоприятных эффектов лечения-генотипа в фармакогенетических исследованиях.

• Взаимодействие, особенно при качественном взаимодействии, может привести к более глубокому пониманию биологических механизмов, лежащих в основе этиологии заболевания.Такое взаимодействие может позволить конкретное целевое вмешательство в группах высокого риска. Фактически, когда связь между двумя факторами риска больше, чем аддитивная (т.е. мультипликативная), наибольшее снижение абсолютного риска заболевания достигается за счет вмешательств.

• Моделирование систем генотип-окружающая среда и генотип-обработка потенциально может помочь уменьшить шум в геномных исследованиях и помочь количественно оценить взаимосвязь генотип-обработка-окружающая среда-фенотип.

Благодарности

Авторы благодарят А. Бенора за помощь в рисовании.

Сноски

Для заказов на перепечатку обращайтесь: moc.enicidemerutuf@stnirper

Раскрытие информации о финансовых и конкурирующих интересах

Эта работа была поддержана грантами K01HL103165 и P30HL10133 (TMB), Университет Северной Айовы (TA) ) и R01DK080007 (RAW). Авторы не имеют других соответствующих аффилированных или финансовых отношений с какой-либо организацией или организацией, имеющей финансовый интерес или финансовый конфликт с предметом или материалами, обсуждаемыми в рукописи, кроме тех, которые раскрыты.

При создании этой рукописи не использовались письменные переводчики.

Библиография

Особые примечания были выделены следующим образом:

▪ представляющие интерес

▪▪ значительный интерес

1. Гаррод А.Э. Заболеваемость алкатонурией: исследование химической индивидуальности. Ланцет. 1902; 160: 1616–1620. [Google Scholar] 2. Турессон Г. Генотипический ответ вида растений на среду обитания. Наследие. 1922; 3: 211–350. [Google Scholar] 3. Райт С.Роль питания, инбридинга, скрещивания и отбора в эволюции. Труды Шестого ежегодного конгресса генетиков. 1932: 356–366. [Google Scholar] 4. Глюкман П.Д., Хэнсон М.А., Бидл А.С. Негеномная трансгендерная наследственность риска заболевания. Биологические исследования. 2007. 29: 145–154. [PubMed] [Google Scholar] 5. Scandalios JG. Ответ генов антиоксидантной защиты растений на стресс окружающей среды. Adv Genet. 1990; 28: 1–41. [PubMed] [Google Scholar] 6. Лори Д.А., Беннетт, доктор медицины. Содержание ядерной ДНК в родах Zea и Sorghum : межродовая, межвидовая и внутривидовая изменчивость.Наследственность. 1985; 55: 307–313. [Google Scholar] 7. Рейберн А.Л., Прайс Х.Дж., Смит Д.Д., Голд-младший. Гетерохроматин С-полосы и содержание ДНК в Zea mays. Am J Bot. 1985; 72: 1610–1617. [Google Scholar] 8. Rayburn AL, Auger JA. Вариации содержания ядерной ДНК у древних коренных рас мексиканской кукурузы. Acta Botanica Neerlandica. 1990; 39: 197–202. [Google Scholar] 9. Ян В., Келли Т., Хе Дж. Генетическая эпидемиология ожирения. Epidemiol Rev.2007; 29: 49–61. [PubMed] [Google Scholar] 10. Аллард Р. У., Брэдшоу А. Д.. Последствия взаимодействия генотипа и окружающей среды в прикладной селекции растений.Crop Sci. 1964; 4: 503–508. [Google Scholar] 11. Аллард Р.В. Джон Вили и сыновья. Принципы селекции растений. 2. Вили-Блэквелл; Нью-Йорк, США: 1999. [Google Scholar] 12. Becker HC. Корреляции между некоторыми статистическими показателями фенотипической стабильности. Euphytica. 1981; 30: 835–840. [Google Scholar] 13. Холдейн JBS. Взаимодействие природы и воспитания. Энн Ойген. 1946; 13: 197–205. [PubMed] [Google Scholar] 14. Виа С. Количественная генетика полифагии у насекомых-травоядных. II. Генетические корреляции в продуктивности личинок внутри и между растениями-хозяевами.Эволюция. 1984; 38: 896–905. [PubMed] [Google Scholar] 15. Baye TM, Wilke RA, Olivier M. Геномное и географическое распределение частных SNP и путей в человеческих популяциях. Per Med. 2009; 6: 623–641. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 16. Schnell FW. Изучение методов и категорий селекции растений. Zeitschrift fuer Pflanzenzuechtung. 1982; 89: 1–18. [Google Scholar] 17. Вахолдер С., Ротман Н., Капорасо Н. Стратификация населения в эпидемиологических исследованиях общих генетических вариантов и рака: количественная оценка систематической ошибки.J Natl Cancer Inst. 2000; 92: 1151–1158. [PubMed] [Google Scholar] 18. Кэмпбелл С.Д., Огберн Э.Л., Лунетта К.Л. и др. Демонстрация стратификации европейского американского населения. Нат Жене. 2005; 37: 868–872. [PubMed] [Google Scholar] 19. Притчард Дж. К., Доннелли П. Исследования ассоциации методом случай-контроль в структурированных или смешанных популяциях. Theor Popul Biol. 2001. 60: 227–237. [PubMed] [Google Scholar] 20. Simmonds NW. Генотип (G), среда (E) и компоненты GE урожайности сельскохозяйственных культур. Объясните, сельское хозяйство. 1981; 17: 355–362.[Google Scholar] 21. Ziegler A, König IR. Статистический подход к генетической эпидемиологии: концепции и приложения. 2. Вайли-ВЧ; Германия: 2010. [Google Scholar] 22. Элстон Р.К., Джонсон В.Д. Базовая биостатистика для генетиков и эпидемиологов: практический подход. Джон Вили и сыновья; Хобокен, Нью-Джерси, США: 2008. [Google Scholar] 23. Верчелли Д. Открытие генов восприимчивости к астме и аллергии. Nat Rev Immunol. 2008. 8: 169–182. [PubMed] [Google Scholar] 25. Эрнандес Л.М., Блейзер Д.Г., редакторы.Гены, поведение и социальная среда: выход за рамки природы / дебаты о воспитании. Национальная академия прессы; Вашингтон, округ Колумбия, США: 2006. [Google Scholar] 26. Pocock SJ. Клинические испытания: практический подход. Джон Вили и сыновья; Хобокен, Нью-Джерси, США: 2004. [Google Scholar] 27. Lilienfeld DE, Stolley PD. Основы эпидемиологии. 3. Издательство Оксфордского университета; Оксфорд, Великобритания: 1994. [Google Scholar] 28. Андрие Н, Гольдштейн AM. Дизайн «случай-комбинированный контроль» оказался эффективным в обнаружении взаимодействий ген – среда.J Clin Epidemiol. 2004. 57: 662–671. [PubMed] [Google Scholar] 29. Моффитт Т.Э., Каспи А., Раттер М. Стратегия исследования взаимодействий между измеряемыми генами и измеряемой средой. Arch Gen Psychiatry. 2005; 62: 473–481. [PubMed] [Google Scholar] 30. Хемминки К., Лоренцо Бермехо Дж., Форсти А. Баланс между наследственной и экологической этиологией болезней человека. Nat Rev Genet. 2006; 7: 958–965. [PubMed] [Google Scholar] 31. Демпфл А., Шераг А., Хейн Р. и др. Взаимодействие генов и окружающей среды для сложных черт: определения, методологические требования и проблемы.Eur J Hum Genet. 2008; 16: 1164–1172. [PubMed] [Google Scholar] 33. Кэмпбелл М.Дж., Доннер А., Клар Н. Развитие кластерных рандомизированных исследований и статистика в медицине. Stat Med. 2007; 26: 2–19. [PubMed] [Google Scholar] 34. Риш Н., Мерикангас К. Будущее генетических исследований сложных заболеваний человека. Наука. 1996; 273: 1516–1517. [PubMed] [Google Scholar] 35. McCarty CA, Wilke RA. Биобанки и фармакогеномика. Фармакогеномика. 2010. 11 (5): 637–41. [PubMed] [Google Scholar] 36. McCarty CA, Wilke RA, Giampietro PF, Wesbrook SD, Caldwell MD.Проект исследования персонализированной медицины (PMRP) клиники Маршфилд: дизайн, методы и набор персонала для большого популяционного биобанка. Per Med. 2005; 2: 49–79. [PubMed] [Google Scholar] 37▪. Ричи, доктор медицины, Денни Дж. С., Кроуфорд, округ Колумбия, и др. Надежное воспроизведение ассоциаций генотип-фенотип по множеству заболеваний в электронной медицинской карте. Am J Hum Genet. 2010; 86: 560–572. Демонстрирует, что биобанки, связанные с рутинными данными клинической практики, могут использоваться для характеристики генетических ассоциаций, ранее выявленных в когортах по заболеваниям.[Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 38▪. Baye TM, Wilke RA. Картирование генов, которые предсказывают результат лечения в смешанных популяциях. Фармакогеномика Дж. 2010; 10 (6): 465–477. Особенности использования информации о происхождении для количественной оценки генетических детерминант и взаимодействия лечения в смешанной популяции. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 39. Хантер Д. Д., Крафт П., Джейкобс К. Б. и др. Полногеномное ассоциативное исследование выявляет аллели в FGFR2 , связанные с риском спорадического рака молочной железы в постменопаузе.Нат Жене. 2007; 39: 870–874. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 40. Sladek R, Rocheleau G, Rung J, et al. Полногеномное ассоциативное исследование выявляет новые локусы риска диабета II типа. Природа. 2007; 445: 881–885. [PubMed] [Google Scholar] 41. Йегер М., Орр Н., Хейс Р. Б. и др. Полногеномное исследование ассоциации рака простаты выявляет второй локус риска в 8q24. Нат Жене. 2007. 39: 645–649. [PubMed] [Google Scholar] 42. Дейли А.К., Дональдсон П.Т., Бхатнагар П. и др. HLA-B * 5701 Генотип является основным детерминантом лекарственного поражения печени из-за флуклоксациллина.Нат Жене. 2009; 41: 816–819. [PubMed] [Google Scholar] 43. Барбер MJ, Mangravite LM, Hyde CL и др. Полногеномная ассоциация гиполипидемической реакции на статины в комбинированных исследуемых популяциях. PLoS ONE. 2010; 5: e9763. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 45. Виллер CJ, Speliotes EK, Loos RJ, et al. Шесть новых локусов, связанных с индексом массы тела, подчеркивают влияние нейронов на регуляцию массы тела. Нат Жене. 2009. 41: 25–34. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 46. Маккарти М. И., Хиршхорн Дж. Н.Полногеномные исследования ассоциаций: возможные следующие шаги на генетическом пути. Hum Mol Genet. 2008 г .; 17: R156 – R165. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 47. Кантор Р. М., Ланге К., Синшаймер Дж. С.. Приоритезация результатов GWAS: обзор статистических методов и рекомендации по их применению. Am J Hum Genet. 2010; 86: 6–22. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 48. Диксон С.П., Ван К., Кранц И., Хаконарсон Х., Гольдштейн Д.Б. Редкие варианты создают синтетические общегеномные ассоциации. PLoS Biol. 2010; 8: e1000294.[Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 50. Марчини Дж., Хоуи Б. Вменение генотипа для полногеномных ассоциативных исследований. Nat Rev Genet. 2010; 11: 499–511. [PubMed] [Google Scholar] 51. Марчини Дж., Хауи Б., Майерс С., Маквин Дж., Доннелли П. Новый многоточечный метод для полногеномных ассоциативных исследований путем вменения генотипов. Нат Жене. 2007; 39: 906–913. [PubMed] [Google Scholar] 52▪▪. McCarty CA, Wilke RA. Биобанкинг и фармакогеномика. Фармакогеномика. 2010; 11: 637–641. Особенности использования наборов данных, основанных на клинической практике, для количественной оценки генетических детерминант результатов лечения, в частности, в контексте соответствующих ковариат.[PubMed] [Google Scholar] 53. Schatz M, Clark S, Camargo CA., Jr. Половые различия в представлении и течении госпитализаций из-за астмы. Грудь. 2006; 129: 50–55. [PubMed] [Google Scholar] 54. Eder W, Ege MJ, von Mutius E. Эпидемия астмы. N Engl J Med. 2006; 355: 2226–2235. [PubMed] [Google Scholar] 55. Вайс С.Т., Раби Б.А., Роджерс А. Генетика и геномика астмы 2009. Curr Opin Genet Dev. 2009. 19: 279–282. [PubMed] [Google Scholar] 56. Снайдер Э.М., Бек К.С., Дитц Н.М. и др. Влияние генотипа β2-адренорецепторов на функцию дыхательных путей во время физических упражнений у здоровых взрослых.Грудь. 2006; 129: 762–770. [PubMed] [Google Scholar] 57. Drazen JM, Silverman EK, Lee TH. Неоднородность терапевтических ответов при астме. Br Med Bull. 2000; 56: 1054–1070. [PubMed] [Google Scholar] 58. Чоудри С., Унг Н., Авила П.С. и др. Фармакогенетические различия в ответе на альбутерол между пуэрториканцами и мексиканцами, страдающими астмой. Am J Respir Crit Care Med. 2005; 171: 563–570. [PubMed] [Google Scholar] 59. Литонжуа А.А., Сильверман Е.К., Тантисира К.Г. и др. Полиморфизм и гаплотипы β2-адренорецепторов связаны с гиперреактивностью дыхательных путей у некурящих мужчин.Грудь. 2004; 126: 66–74. [PubMed] [Google Scholar] 60. Ордовас Дж. М., Мозер В. Нутригеномика и нутригенетика. Curr Opin Lipidol. 2004. 15: 101–108. [PubMed] [Google Scholar] 61. Бреннан П. Взаимодействие генов и окружающей среды и этиология рака: что это означает и как мы можем это измерить? Канцерогенез. 2002; 23: 381–387. [PubMed] [Google Scholar] 62. Гардинер SJ, Бегг EJ. Фармакогенетическое тестирование ферментов, метаболизирующих лекарственные препараты: происходит ли это на практике? Pharmacogenet Genomics. 2005; 15: 365–369. [PubMed] [Google Scholar] 63.Zhang G, Khoo SK, Laatikainen T, et al. Взаимодействия противоположного гена через среду обитания в Карелии для однонуклеотидных полиморфизмов CD14 и CC16 и аллергии. Аллергия. 2009; 64: 1333–1341. [PubMed] [Google Scholar] 64. Bottema RW, Reijmerink NE и др. Интерлейкин 13, CD14, домашние животные и табачный дым влияют на атопию в трех голландских когортах: аллергенное исследование. Eur Respir J. 2008; 32: 593–602. [PubMed] [Google Scholar] 65. Wilke RA, Lin DW, Roden DM, et al. Выявление генетических факторов риска серьезных побочных реакций на лекарства: текущий прогресс и проблемы.Nat Rev Drug Discov. 2007; 6: 904–916. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

Веб-сайты

102. Электронные медицинские записи и геномика eMERGE. 2007 www.gwas.net.

чтений для Core 8.1

По пыльным пескам южного Техаса, Аризоны и Нью-Мексико мирно бродят многочисленные небольшие стада пекари, животных, которых на первый взгляд часто принимают за свиней. Ошибка является частой, потому что пекари похожи на диких свиней, и оба вида во многом похожи.

Однако пекари — не свиньи, несмотря на свой внешний вид. Насколько мы можем судить, их происхождение расходилось с линией современных свиней около 40 миллионов лет назад в эпоху олигоцена.

Тем не менее, ошибка является интересной, и она иллюстрирует несколько важных вопросов в изучении эволюции. Например, , откуда мы знаем, что пекари — это другой вид организма, чем свиньи ?

Совершенно очевидно, что слоны — это разные виды от свиней, но пекари и свиньи во многом похожи, так почему же мы вправе помещать их в другую группу?

Насколько разными должны быть две группы, прежде чем они станут отдельными видами?

Вопрос о пекари и свиньях — все это часть двух более крупных фундаментальных проблем биологии: Что такое вид и каково происхождение новых видов?

Чарльз Дарвин в свое время боролся с этими вопросами и придумал исходную схему ответа.С тех пор другие добавили к его формирующим идеям и создали современный синтез дарвинизма, молекулярной генетики и популяционной генетики.

Измерение эволюции
Эволюция измеряется на уровне популяции организмов. Отдельные пекари не могут развиваться. Но небольшое стадо или популяция пекари подвержена всем силам изменчивости и естественного отбора и может претерпеть все изменения генотипов и фенотипов, связанные с эволюционными изменениями.

Популяция — это наименьшая единица живых организмов, которая может эволюционировать.

Внутри схожих организмов есть комбинации разных генов и разных типов генов. Таким образом, популяцию пекари можно рассматривать как «пул» генов и типов генов, которые отражают генетическое разнообразие всех особей в группе. Этот «пул генов» — это то, что меняется в процессе эволюции.

Дж. Х. Харди, кембриджский профессор, Г.Вайнберг в Германии и W.E. Касл в Америке математически продемонстрировал, что популяции генетически стабильны во времени.

У каждой популяции есть пул вариантов генов, который действует как сырье для эволюционных изменений. Вооружившись меркой принципа Харди-Вайнберга и генетического равновесия, можно изучать реальные популяции организмов по мере их взаимодействия.

Количественные и качественные наблюдения помогают определить, какие типы агентов влияют на генофонд и какие изменения они вызывают.

Даже в условиях, когда ничего не меняется, существует диапазон вариаций любого фенотипического признака в любой популяции. Это можно количественно оценить и представить в графической форме; нормальное распределение.

Когда давление со стороны хищников или окружающей среды начинает влиять на диапазон вариаций фенотипов внутри популяции, можно увидеть несколько типов изменений; направленный отбор, стабилизирующий отбор или разрушительный отбор.

В небольших группах действуют другие силы.Когда популяция мала, присутствие или отсутствие одного человека может иметь сильное влияние на генофонд популяции. Внезапное сокращение размера популяции также может изменить оставшийся генофонд. Это эффект узкого места.

Случайное изменение генофонда — это генетический дрейф.

Крайняя форма генетического дрейфа в сочетании с эффектом узкого места называется эффектом основателя, который зависит от изолированности небольшой группы от большой группы и может быстро привести к созданию нового вида.

Что такое вид?

Каково происхождение новых видов?

Когда какой-либо вид оказывается в совершенно новой среде, возможен взрыв эволюции, поскольку существа излучаются и приспосабливаются к новым возможностям.

Некоторые виды быстро расходятся по форме, форме или приспособлениям, в то время как другие приобретают множество поверхностных сходств, а третьи исчезают.

Человеческие расы не похожи на породы собак: опровергая расистскую аналогию | Эволюция: образование и охват

Адхикари К., Фуэнтес-Гуахардо М., Квинто-Санчес М., Мендоса-Ревилья Дж., Камило Чакон-Дуке Дж., Акуна-Алонсо В. и др.Полногеномное сканирование ассоциаций вовлекает DCHS2, RUNX2, GLI3, PAX1 и EDAR в изменение лица человека. Nat Commun. 2016; 7: 11616.

CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Adhikari K, et al. GWAS для латиноамериканцев подчеркивает конвергентную эволюцию более светлой пигментации кожи в Евразии. Nat Commun. 2019; 10: 358.

PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый

Американская ассоциация физических (биологических) антропологов.Заявление AAPA о расе и расизме. http://physanth.org/about/position-statements/aapa-statement-race-and-racism-2019/. По состоянию на 10 июня 2019 г.

American Kennel Club. www.akc.org. По состоянию на 5 апреля 2019 г.

Американское общество генетики человека. ASHG осуждает попытки связать генетику и расовое превосходство. Am J Hum Genet. 2018; 103: 636.

Артикул CAS Google ученый

Bamshad MJ, Wooding S, Watkins WS, Ostler CT, Batzer MA, Jorde LB.Генетическая структура человеческой популяции и вывод о членстве в группах. Am J Hum Genet. 2003. 72: 578–89.

CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Белеза С., Джонсон Н.А., Кандилль С.И., Абшер Д.М., Корам М.А., Лопес Дж. И др. Генетическая архитектура кожи и цвета глаз в смешанном афро-европейском населении. PLoS Genet. 2013; 9 (3): e1003372.

CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Болник Д.Вывод индивидуального происхождения и овеществление расы как биологического феномена. В: Кениг Б.А., Ли С.С., Ричардсон С.С., редакторы. Возвращаясь к расе в эпоху генома. Издательство Университета Рутгерса: Нью-Брансуик; 2008. с. 70–85.

Google ученый

Botigué LR, Song S, Scheu A, Gopalan S, Pendleton AL, Oetjens M, et al. Геномы древних европейских собак обнаруживают преемственность со времен раннего неолита. Nat Commun. 2017; 8: 16082.

PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый

Boulter AC, Quinlan J, Miró-Herrans AT, Pearson LN, Todd NL, Руководящий комитет HEAT, Gravlee CC, Mulligan CJ.Взаимодействие полиморфизмов Alu и новые меры дискриминации в связи с артериальным давлением у афроамериканцев, проживающих в Таллахасси, Флорида. Hum Biol. 2015; 87 (4): 295–305.

PubMed Статья PubMed Central Google ученый

Бойко А.Р., Бойко Р.Х., Бойко С.М., Паркер Х.Г., Кастельхано М., Кори Л. и др. Сложная структура популяции африканских деревенских собак и ее значение для вывода истории одомашнивания собак.Proc Nat Acad USA. 2009. 106 (33): 13903–8.

CAS Статья Google ученый

Раскос CL. «Раса» — это четырехбуквенное слово: происхождение концепции. Нью-Йорк: издательство Оксфордского университета; 2005.

Google ученый

Cadieu E, Neff MW, Quignon P, Walsh K, Chase K, Parker HG и др. Вариация шерсти домашней собаки определяется вариантами трех генов.Наука. 2009. 326: 150–3.

CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Candille SI, Absher DM, Beleza S, Bauchet M, McEvoy B, Garrison NA и др. Полногеномные ассоциативные исследования количественно измеренной пигментации кожи, волос и глаз в четырех европейских популяциях. PLoS ONE. 2012; 7 (10): e48294.

CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Castle WE.Собачьи кресты и человеческие кресты: обзор. J Hered. 1942; 33 (7): 249–52.

Артикул Google ученый

Чейз К., Carrier DR, Адлер FR, Ярвик Т., Острандер Э.А., Лоренцен Т.Д., Ларк К.Г. Генетическая основа систем количественных признаков скелета: анализ главных компонентов скелета псовых. Proc Nat Acad Sci USA. 2002; 99: 9930–5.

CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

Crawford NG, Kelly DE, Hansen MEB, Beltrame MH, Fan S, Bowman SL и др.Локусы, связанные с пигментацией кожи, выявлены в африканских популяциях. Наука. 2017; 358 (6365): eaan8433.

PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый

Даннеманн М., Келсо Дж. Вклад неандертальцев в фенотипические вариации у современных людей. Am J Hum Genet. 2017; 101 (4): 578–89.

CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Dar-Nimrod I, Heine SJ.Генетический эссенциализм: об обманчивом детерминизме ДНК. Psychol Bull. 2011. 137 (5): 800–18.

PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Дарвин К. Происхождение человека. Лондон: Джон Мюррей; 1871.

Google ученый

Добжанский Т. Обзор некоторых фундаментальных концепций и проблем популяционной генетики. Колд-Спринг-Харб Symp Quant Biol 1955; 20: 1–15.

CAS PubMed Статья Google ученый

Добжанский Т. Эволюция человечества: эволюция видов человека. Нью-Хейвен, Коннектикут: Издательство Йельского университета; 1962.

Донован Б.М. Приученное неравенство: расовые ярлыки в учебной программе по биологии могут повлиять на развитие расовых предрассудков. J Res Sci Teach. 2017; 54 (3): 379–411.

Артикул Google ученый

Донован Б.М., Семменс Р., Кек П., Бримхолл Э., Буш К.С., Вайндлинг М., Дункан А., Стулзац М., Брейси З. Б., Блум М., Ковальски С., Салазар Б.На пути к более гуманному генетическому образованию: изучение социальных и количественных сложностей исследований генетических вариаций человека могло бы уменьшить расовые предубеждения среди подростков и взрослых. Sci Educ. 2019; 2019: 1–32.

Google ученый

Эдвардс AWF. Генетическое разнообразие человека: ошибка Левонтина. BioEssays. 2003; 25: 798–801.

CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

Eriksson N, Macpherson JM, Tung JY, Hon LS, Naughton B, Saxonov S, et al.Сетевые исследования, проводимые участниками, позволяют выявить новые генетические ассоциации общих черт. PLoS Genet. 2010; 6 (6): 1–20.

Артикул CAS Google ученый

Excoffier L, Smouse PE, Quattro JM. Анализ молекулярной дисперсии, выведенной из метрических расстояний между гаплотипами ДНК: приложение к данным рестрикции митохондриальной ДНК человека. Генетика. 1992. 131 (2): 479–91.

CAS PubMed PubMed Central Google ученый

Frantz LAF, Mullin VE, Pionnier-Capitan M, Lebrasseur O, Ollivier M, Perri A, Linderholm A, Mattiangeli V, Teasdale MD, Dimopoulos EA, Tresset A, Duffraisse M, McCormálic F, Bartos , Nyerges EA, Sablin MV, Bréhard S, Mashkour M, Bălăşescu A, Gillet B, Hughes S, Chassaing O, Hitte C, Vigne JD, Dobney K, Hänni C, Bradley DG, Larson G.Геномные и археологические данные свидетельствуют о двойном происхождении домашних собак. Наука. 2016; 352 (6290): 1228–31.

CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

Fryar CD, Gu Q, Ogden CL, Flegal KM. Справочные антропометрические данные для детей и взрослых: США, 2011–2014 гг. Национальный центр статистики здравоохранения. Vital Health Stat. 2016; 3 (39): 1–46.

Google ученый

Гиббонс А.Освещение цвета кожи. Наука. 2014; 346 (6212): 934–6.

CAS PubMed Статья Google ученый

Гравли Л. Как раса становится биологией: воплощение социального неравенства. Am J Phys Anthropol. 2009. 39 (1): 47–57.

Артикул Google ученый

Gravlee CC, Non AL, Mulligan CJ. Генетическое происхождение, социальная классификация и расовое неравенство артериального давления в Юго-Восточном Пуэрто-Рико.PLoS ONE. 2009; 4 (9): e6821. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0006821.

CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый

Guenther CA, Tasic B, Luo L, Bedell MA, Kingsley DM. Молекулярная основа классического светлого цвета волос у европейцев. Нат Жене. 2014; 46: 748–52.

CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Холдейн JBS.Аргумент от животных к людям: проверка его применимости для антропологии. J R Anthropol Inst G B Ирель. 1956; 86 (2): 1–14.

Google ученый

Hardimon MO. Идея научного понятия расы. J Philos Res 2012; 37: 249–82

Статья Google ученый

Харкинсон Дж. Встречайте белого националиста, пытающегося на поезде Трампа добиться прочной власти. Мать Джонс 27 октября 2016 г. https://www.motherjones.com/politics/2016/10/richard-spencer-trump-alt-right-white-nationalist/. По состоянию на 5 апреля 2019 г.

Harrington P. Породы не требуются. Минн Ред. 2009; 73: 219–30.

Артикул Google ученый

Hedges SB, Марин Дж., Сулески М., Пеймер М., Кумар С. Древо жизни показывает, как часы видообразования и разнообразия. Mol Biol Evol. 2015; 32 (4): 835–45.

CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Хайэм Т., Дука К., Вуд Р., Рэмси С.Б., Брок Ф., Базелл Л. и др. Сроки и пространственно-временные паттерны исчезновения неандертальцев. Природа. 2014; 512: 306–9.

CAS PubMed Статья Google ученый

Градецка Л., Бартос Л., Свободова И., Сейлз Дж. Наследственность поведенческих черт домашних собак: метаанализ.Appl Anim Behav Sci. 2015; 170: 1–13.

Артикул Google ученый

Hunley KL, Healy ME, Long JC. Глобальный паттерн изменения идентичности генов показывает историю дальних миграций, узких мест и обмена местным партнером: последствия для биологической расы. Am J Phys Anthropol. 2009; 139: 35–46.

PubMed Статья Google ученый

Irion DN, Schaffer AL, Famula TR, Eggleston ML, Hughes SS, Pedersen NC.Анализ генетической изменчивости в 28 популяциях собак с помощью 100 микросателлитных маркеров. J Hered. 2003. 94 (1): 81–7.

CAS PubMed Статья Google ученый

Джексон Дж. П. Младший, Депью Ди-джей. Дарвинизм, демократия и раса: американская антропология и эволюционная биология в двадцатом веке. Нью-Йорк: Рутледж; 2017.

Книга. Google ученый

Джонс П., Чейз К., Мартин А., Дэверн П., Острандер Е.А., Ларк К.Г.Ассоциативное картирование стереотипов собак на основе однонуклеотидного полиморфизма. Генетика. 2008. 179 (2): 1033–44.

CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Каэлин CB, Барш GS. Генетика пигментации собак и кошек. Анну Рев Аним Биоски 2013; 1 (1): 125–56.

PubMed Статья CAS Google ученый

Каплан Дж. М., Винтер РГ.Реализм, антиреализм и условность расы. Philos Sci 2014; 81 (5): 1039–52.

Артикул Google ученый

Kenny EE, Timpson NJ, Sikora M, Yee MC, Moreno-Estrada A, Eng C, Huntsman S, Burchard EG, Stoneking M, Bustamante CD, Myles S. Меланезийские светлые волосы вызваны заменой аминокислот в TYRP1. Наука. 2012; 336 (6081): 554.

CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Кениг Б.А., Су-Джин Ли С., Ричардсон СС.Возвращаясь к расе в эпоху генома. Нью-Брансуик: Издательство Университета Рутгерса; 2008.

Google ученый

Koskinen MT. Индивидуальное отнесение с использованием микросателлитной ДНК позволяет однозначно идентифицировать породу домашней собаки. Anim Genet. 2003. 34 (4): 297–301.

CAS PubMed Статья Google ученый

Kuhlwilm M, Gronau I, Hubisz MJ, de Filippo C, Prado-Martinez J, Kircher M, et al.Древние гены перетекают от ранних современных людей к восточным неандертальцам. Природа. 2016; 530 (7591): 429.

CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Ламасон Р.Л., Мохидин М.А., Мест JR, Вонг А.С., Нортон Х.Л., Арос М.К. и др. Предполагаемый катионообменник SLC24A5 влияет на пигментацию у рыбок данио и людей. Наука. 2005. 310 (5755): 1782–6.

CAS PubMed Статья Google ученый

Лоусон Д. Д., Ван Дорп Л., Фалуш Д.Учебное пособие о том, как не переоценить гистограммы СТРУКТУРА и СМЕСЬ. Nat Commun. 2018; 9: 3258.

PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый

Lee TW, Grogan KE, Liepkalns JS. Заставляем эволюцию придерживаться: использование стикеров для обучения механизмам эволюционных изменений. Evol Educ Outreach 2017; 10: 11.

Артикул Google ученый

Лерой Г.Генетическое разнообразие, инбридинг и практика разведения собак: результаты анализа родословных. Вет Дж. 2011; 189: 177–82.

PubMed Статья Google ученый

Левонтин RC. Распределение человеческого разнообразия. Evol Biol. 1972; 6: 381–98.

Google ученый

Li JZ, Absher DM, Tang H, Southwick AM, Casto AM, Ramachandran S, Cann HM, Barsh GS, Feldman M, Cavalli-Sforza LL, Myers RM.Человеческие взаимоотношения во всем мире, выведенные из полногеномных моделей изменчивости. Наука 2008; 319 (5866): 1100–4.

CAS PubMed Статья Google ученый

Ливингстон ФБ. О несуществовании человеческих рас. Курр Антрополь. 1962; 3: 279–81.

Артикул Google ученый

Ломбардо, штат Пенсильвания. Смешанные браки, евгеника и расизм: исторические примечания к любви ст.Вирджиния. Калифорнийский университет в Дэвисе, Л. Рев, 1987–1988; 21: 421–52.

Google ученый

Маркс Дж. Десять фактов о человеческих вариациях. В: Muehlenbein MP, редактор. Эволюционная биология человека. Кембридж: Издательство Кембриджского университета; 2010.

Google ученый

Маркс Дж. Истоки антропологической генетики. Курр Антрополь. 2012a; 53: S161–72.

Артикул Google ученый

Маркс Дж.Зачем быть против Дарвина? Креационизм, расизм и корни антропологии. Yrbk Phys Anthropol. 2012b; 55: 95–104.

Артикул Google ученый

Маркс Дж. Рецензия на эссе: разгадывая загадку расы. Stud Hist Philos Biol Biomed Sci. 2016; 59: 161–4.

Артикул Google ученый

Маркс Дж. Является ли наука расистской ?. Malden: Polity Press; 2017.

Google ученый

Мартин А.Р., Лин М., Гранка Дж. М., Мирик Дж. В., Лю X, Сокелл А. и др.Неожиданно сложная структура пигментации кожи человека. Клетка. 2017; 171: 1340–53.

CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Маклин С.А. Социальные проблемы, структурные проблемы и тревожная наука. Am Anthropol. 2019; 121 (2): 480–1.

Артикул Google ученый

Мех Л.Д., Барбер-Мейер С.М., Эрб Дж. Вольф ( Canis lupus ) Время поколения и доля нынешних размножающихся самок по возрасту.PLoS ONE. 2016; 11 (6): e0156682.

PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый

Medland SE, Nyholt DR, Painter JN, McEvoy BP, McRae AF, Zhu G, et al. Общие варианты гена трихогиалина у европейцев связаны с прямыми волосами. Am J Hum Genet. 2009. 85 (5): 750–5.

CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Mehrkam LR, Wynne CDL.Поведенческие различия между породами домашних собак ( Canis lupus knownis ): современное состояние науки. Appl Anim Behav Sci. 2014; 155: 12–27.

Артикул Google ученый

Монтегю А. Самый опасный миф человека: ошибка расы. Нью-Йорк: Меридиан; 1942.

Google ученый

Нан Х., Крафт П., Куреши А.А., Гуо К., Чен С., Хэнкинсон С.Е., Ху Ф.Б. и др.Полногеномное ассоциативное исследование фенотипа загара в популяции европейского происхождения. J Invest Dermatol. 2009. 129: 2250–7.

CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Norton HL, Kittles RA, Parra E, McKeigue P, Mao X, Cheng K и др. Генетические доказательства конвергентной эволюции светлой кожи у европейцев и выходцев из Восточной Азии. Mol Biol Evol. 2007. 24 (3): 710–22.

CAS PubMed Статья Google ученый

Novembre J.Причард, Стивенс и Доннелли о структуре населения. Генетика. 2016; 204: 391–3.

PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Паркер Х.Г., Ким Л.В., Саттер Н.Б., Карлсон С., Лоренцен Т.Д., Малек Т.Б., Джонсон Г.С., ДеФранс ХБ, Острандер Э.А., Кругляк Л. Генетическая структура чистокровной домашней собаки. Наука. 2004; 304: 1160–4.

CAS PubMed Статья Google ученый

Паркер Х.Г., Харрис А., Дрегер Д.Л., Дэвис Б.В., Острандер Э.А.Лысые и красивые: отсутствие шерсти у домашних собак. Фил Транс Р. Соц Б. 2017; 372: 20150488.

PubMed Статья Google ученый

Притчард Дж. К., Стивенс М., Доннелли П. Вывод структуры популяции с использованием данных мультилокусного генотипа. Генетика. 2000. 155 (2): 945–59.

CAS PubMed PubMed Central Google ученый

Quillen EE, Bauchet M, Bigham AW, Delgado-Burbano ME, Faust FX, Klimentidis YC, et al.OPRM1 и EGFR способствуют возникновению различий в пигментации кожи у коренных американцев и европейцев. Hum Genet. 2012. 131 (7): 1073–80.

CAS PubMed Статья Google ученый

Quillen EE, Norton HL, Parra EJ и др. Оттенки сложности: новые взгляды на эволюцию и генетическую архитектуру кожи человека. Am J Phys Anthropol. 2019; 168 (S67): 4–26.

PubMed Статья Google ученый

Куинлан Дж., Пирсон Л.Н., Клукей С.Дж., Митчелл М.М., Бостон К., Гравли С.К., Маллиган К.Дж.Генетические локусы и новые меры дискриминации, связанные с изменением артериального давления у афроамериканцев, проживающих в Таллахасси. PLoS ONE. 2016; 11 (12): e0167700. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0167700.

CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый

Расимо Ф., Санкарараман С., Нильсен Р., Уэрта-Санчес Э. Доказательства архаичной адаптивной интрогрессии у людей. Nat Rev Genet. 2015; 16 (6): 359–71.

CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Райх Д., Паттерсон Н., Кирхер М., Дельфин Ф., Нандинени М.Р., Пугач И. и др. Денисова примесь и первые современные расселения человека в Юго-Восточной Азии и Океании. Am J Hum Genet. 2011. 89 (4): 516–28.

CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Релетфорд Дж.Расовые и глобальные паттерны фенотипической изменчивости. Am J Phys Anthropol. 2009. 39 (1): 16–22.

Артикул Google ученый

Римбо М., Бил Х. С., Шенебек Дж. Дж., Хупс Б. К., Аллен Дж. Дж., Килрой-Глинн П., Уэйн Р. К., Саттер Н. Б., Острандер Э. Производные варианты шести генов объясняют почти половину уменьшения размеров собак. Genome Res. 2013. 23 (12): 1985–95.

CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Розенберг Н.А., Причард Дж. К., Вебер Дж. Л., Канн Х. М., Кидд К. К., Животовский Л. А., Фельдман М. В..Генетическая структура популяций человека. Наука. 2002; 298: 2381–5.

CAS PubMed Статья Google ученый

Santos RV, Fry PH, Monteiro S, Maio MC, Rodrigues JC, Bastos-Rodrigues L, Pena SDJ. Цвет, раса и геномное происхождение в Бразилии: диалоги между антропологией и генетикой. Курр Антрополь. 2009. 50 (6): 787–819.

PubMed Статья Google ученый

Sarich and Miele.Раса: реальность человеческих различий. Кембридж: Westview Press; 2004.

Google ученый

Скотт Дж. П., Фуллер Дж. Л. Генетика и социальное поведение собак. Чикаго: Издательство Чикагского университета; 1965.

Google ученый

Шеннон Л. М., Бойко Р. Х., Кастельхано М., Кори Э., Хейворд Дж. Дж., Маклин С. и др. Генетическая структура деревенских собак свидетельствует о среднеазиатском происхождении одомашнивания.Proc Natl Acad Sci USA. 2015; 112 (44): 13639–44.

CAS PubMed Статья Google ученый

Шрайвер, доктор медицины, Парра Э.Дж., Диос С., Бонилла С., Нортон Х., Джовел С. и др. Пигментация кожи, биогеографическое происхождение и составление карт примесей. Hum Genet. 2003. 112 (4): 387–99.

PubMed Google ученый

Simonti CN, Vernot B, Bastarache L, Bottinger E, Carrell DS, Chisholm RL, et al.Фенотипическое наследие смешения современных людей и неандертальцев. Наука. 2016; 351 (6274): 737–41.

CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Симс М., Диез-Ру А.В., Дадли А., Гебреаб С., Вятт С.Б., Брюс М.А., Джеймс С.А., Робинсон Дж. К., Уильямс Д. Р., Тейлор Х.А. Воспринимаемая дискриминация и гипертония среди афроамериканцев в исследовании сердца Джексона. Am J Public Health. 2012; 102 (Приложение 2): S258–65.https://doi.org/10.2105/AJPH.2011.300523.

Артикул PubMed PubMed Central Google ученый

Смит С.Л. Одиночные (под) виды тогда и сейчас: исследование нерасовой точки зрения К. Лоринга Брейса. Am J Phys Anthropol. 2018; 165: 104–25.

PubMed Статья Google ученый

Фрагмент CM. Расовое измерение в американской переписи: прошлые практики и последствия для будущего.Энн Рев Социол. 2003. 29: 563–88.

Артикул Google ученый

Stone HR, McGreevy PD, Starling MJ, Forkman B. Связи между морфологией домашней собаки и оценками поведения при оценке психики собаки. PLoS ONE. 2016; 11 (2): 1–14.

Артикул CAS Google ученый

Сулем П., Гудбьяртссон Д. Ф., Стейси С. Н., Хельгасон А., Рафнар Т., Магнуссон К. П. и др.Генетические детерминанты пигментации волос, глаз и кожи у европейцев. Нат Жене. 2007. 39 (12): 1443–52.

CAS PubMed Статья Google ученый

Сулем П., Гудбьяртссон Д. Ф., Стейси С. Н., Хельгасон А., Рафнар Т., Якобсдоттир М. и др. Две недавно выявленные генетические детерминанты пигментации у европейцев. Нат Жене. 2008. 40 (7): 835–7.

CAS PubMed Статья Google ученый

Sussman RW.Миф о расе: тревожная стойкость ненаучной идеи. Кембридж: издательство Гарвардского университета; 2014.

Книга. Google ученый

Sutter NB, Bustamante CD, Chase K, Gray MM, Zhao K, Zhu L, Padhukasahasram B, et al. Единичный аллель IGF1 является основным определяющим фактором небольшого размера у собак. Наука. 2007. 316 (5821): 112–5.

CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Саттер Н.Б., Мошер Д.С., Грей ММ, Острандер Е.А.Морфометрия пород собак хорошо воспроизводима и оспаривает правило Ренша. Геном мамм. 2008. 19 (10–12): 713–23.

PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Thalmann O, Shapiro B, Cui P, Schuenemann VJ, Sawyer SK, Greenfield DL, Germonpré MB, et al. Полные митохондриальные геномы древних собак предполагают европейское происхождение домашних собак. Наука. 2013; 342 (6160): 871–4.

CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

Консорциум проекта «1000 геномов».Глобальный справочник по генетическим вариациям человека. Природа. 2015; 526 (7571): 68–74.

PubMed Central Статья CAS Google ученый

Torres JB, Colón GAT. Расовый опыт как альтернативная операционализация расы. Hum Biol. 2015; 87 (4): 306–13.

PubMed Статья PubMed Central Google ученый

Тауншенд Э. Собаки Дарвина: как питомцы Дарвина помогли сформировать теорию эволюции, которая изменила мир.Лондон: Фрэнсис Линкольн; 2009.

Google ученый

Бюро переписи населения США. www.census.gov. По состоянию на 5 апреля 2019 г.

Valverde P, Healy E, Jackson I, Rees JL, Thody AJ. Варианты гена рецептора меланоцит-стимулирующего гормона связаны с рыжими волосами и светлой кожей у людей. Нат Жене. 1995. 11 (3): 328–30.

CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

Вэнс М.Преподавание биологии в расистском обществе. В: Гилл Д., Левидов Л., редакторы. Преподавание антирасистской науки. Лондон: Книги свободной ассоциации; 1987.

Google ученый

Верно Б., Туччи С., Келсо Дж., Шрайбер Дж. Г., Вольф А. Б., Гиттельман Р. М. и др. Выделение ДНК неандертальцев и денисовцев из геномов меланезийских особей. Наука. 2016; 352 (6282): 235–9.

CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

Vilà C, Savolainen P, Maldonado JE, Amorim IR, Rice JE, Honeycutt RL, Crandall KA, Lundeberg J, Wayne RK.Множественное и древнее происхождение домашней собаки. Наука. 1997. 276 (5319): 1687–9.

PubMed Статья PubMed Central Google ученый

vonHoldt BM, Pollinger JP, Lohmueller KE, Han E, Parker HG, Quignon P, Degenhardt JD, Boyko AR, Earl DA, Auton A, Reynolds A, Bryc K, Brisbin A, Knowles JC, Mosher DS, Spady ТК, Элкахлун А., Геффен Э., Пилот М, Енджеевски В., Греко С., Рэнди Э, Баннаш Д., Уилтон А., Ширман Дж., Мусиани М., Каргилл М., Джонс П.Г., Цянь З, Хуанг В., Дин З.Л., Чжан Й., Bustamante CD, Ostrander EA, Novembre J, Wayne RK.Полногеномный анализ SNP и гаплотипов показывает богатую историю, лежащую в основе одомашнивания собак. Природа. 2010; 464: 898–902.

CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Уэйд Н. Тяжелая наследственность: гены, раса и история человечества. Нью-Йорк: Пингвин; 2014.

Google ученый

Wagner JK, Yu J-H, Ifekwunigwe JO, Harrell TM, Bamshad MJ, Royal CD.Взгляды антропологов на расу, происхождение и генетику. Am J Phys Anthropol. 2017; 162 (2): 318–27.

PubMed Статья PubMed Central Google ученый

Ван Г.Д., Чжай В., Ян Х.С., Ван Л., Чжун Л., Лю Ю.Х. и др. За пределами юга Восточной Азии: естественная история домашних собак во всем мире. Cell Res. 2016; 26 (1): 21–33.

PubMed Статья PubMed Central Google ученый

Уивер Х.«Становление в натуре»: раса, класс, пол и нация в культурах спасения собак и собачьих боев. Am Q.2013; 65 (3): 689–709.

Артикул Google ученый

Weiss KM. Гены рассказывают (или нет) сказки: век исследований. Am J Phys Anthropol. 2018; 165: 741–53.

PubMed Статья PubMed Central Google ученый

Weiss K, Fullterton SM. Мчась, никуда не денешься.Evol Anthropol. 2005; 14: 165–9.

Артикул Google ученый

Вайс К., Ламберт Б. Имеет ли значение история? Evol Anthropol. 2010; 19: 92–7.

Артикул Google ученый

Вайс К., Ламберт Б. Когда кажется, что время пришло: евгеника, анналы и тонкая настойчивость типологического мышления. Энн Хам Жене. 2011; 75: 334–43.

PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Вайс К., Ламберт Б.Какой ты тип человека? Cold Spring Harb Perspect Biol. 2014; 6: 1–14.

Артикул Google ученый

Weiss K, Long JC. Недарвиновская оценка: мои предки, мои генные предки. Genome Res. 2009; 19: 703–10.

CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Westgate GE, Ginger RS, Green MR. Биология и генетика вьющихся волос.Exp Dermatol. 2017; 26 (6): 483–90.

PubMed Статья Google ученый

Wood AR, Esko T, Yang J, Vedantam S, Pers TH, Gustafsson S, et al. Определение роли общих вариаций в геномной и биологической архитектуре взрослого человека. Нат Жене. 2014. 46 (11): 1173–86.

CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

Юдель М., Робертс Д., ДеСалле Р., Тишкофф С.Исключение расы из генетики человека. Наука. 2016; 351 (6273): 564–5.

CAS PubMed Статья Google ученый

Зак Н. Жидкий символ смешанной расы. Гипатия. 2010. 25 (4): 875–90.

Артикул Google ученый

Эволюция путем естественного отбора | manoa.hawaii.edu/ExploringOurFluidEarth

Введение в эволюцию путем естественного отбора

По оценкам ученых, без физического подсчета бактерий и вирусов их больше 8.Сегодня на Земле обитает 7 миллионов видов организмов. Происхождение и исчезновение такого количества видов очаровывало ученых на протяжении тысячелетий, еще со времен Древней Греции. Большое разнообразие живых организмов на Земле лучше всего объясняется научно обоснованной концепцией эволюции путем естественного отбора.

Выплачено

Видео

Практикум: Введение в естественный отбор

Evolution — это изменение унаследованных характеристик или черт в популяции организмов на протяжении многих поколений.Механизм, который лучше всего объясняет эволюцию, — это явление, известное как естественный отбор. Естественный отбор — это процесс, посредством которого определенные унаследованные черты, такие как цвет рыбы, рост человека или форма листа, становятся предпочтительными в популяции. Популяция — это группа организмов, которые спариваются и размножаются друг с другом. В целом

• признаков сохраняются в популяции, потому что они вносят вклад в успех организма, или
• признака устранены, поскольку они умаляют успех организма.

Тысячи лет селективного давления определили формы, цвета, размеры и поведение, которые оптимизируют выживание и репродуктивный успех организмов в среде, в которой они развивались. На самом деле, часто можно многое рассказать о том, где что-то живет, по тому, как оно выглядит и ведет себя.

Эволюционная приспособленность и успех относится к выживанию достаточно долго, чтобы передать генетический материал потомству. Признаки, которые передаются потомству, потому что они способствуют успеху, « выбраны для продолжения .«Черты, которые исключаются из популяции, потому что они умаляют успех, — это« выбранных против продолжения ».

Любая сила в окружающей среде, благоприятствующая или неблагоприятная чертам характера, является селективным агентом. Сила может быть биологической, как хищник, или физической, как температура. Со временем популяции, подвергшиеся воздействию различных селективных агентов, могут стать настолько разными, что больше не смогут размножаться друг с другом. Биологическое определение видов — это группа организмов, которые могут успешно размножаться друг с другом.Согласно этому определению, когда популяции больше не могут размножаться друг с другом, они считаются разными видами.

Деятельность

Модель естественного отбора в популяции бактерий.

История эволюционной биологии

В 1800-х годах многие люди пытались определить, почему в мире существует так много разных видов растений и животных. Чарльз Дарвин задумался о разнообразии животных, которых он видел на Галапагосских островах.Это привело его к разработке теории естественного отбора, которая является лучшим объяснением разнообразия жизни, которое у нас есть. Альфред Рассел Уоллес также выдвинул гипотезу о том, что окружающая среда может способствовать формированию разнообразия жизни, отдавая предпочтение одним чертам перед другими. Уоллес заметил, что насекомые в джунглях Африки и Южной Америки очень хорошо приспособились к уникальной среде обитания. Эти два человека, работая независимо друг от друга, разработали одно и то же основное объяснение разнообразия жизни: естественный отбор.Эти принципы подтверждаются текущими научными исследованиями.

Генетическая вариация необходима для эволюции путем естественного отбора

Чтобы происходил естественный отбор, в популяции должно быть большое количество особей с разными признаками. Например, естественный отбор не повлиял бы на цвет тела рыб, если бы все особи в популяции были одного цвета. Термин фенотип используется для описания этих физических признаков.Все фенотипы являются выражением генетической информации в молекулах ДНК человека. Термин генотип описывает конкретный генетический код в молекулярной структуре ДНК, который производит определенный фенотип. Вариации генотипов также могут вызывать вариации фенотипов.

Новые генотипы могут быть получены в результате естественного процесса генетической мутации. Мутация — это ошибка, которая совершается в процессе копирования ДНК. Мутация приводит к изменению генетического кода или генотипа.

Иногда ошибки мутаций возникают в тех участках цепи ДНК, которые не кодируют какой-либо фенотип или признак. Точно так же некоторые мутации незначительны и не вызывают каких-либо значительных изменений внешнего вида, физиологии или поведения организма. В других случаях мутации могут вызывать изменения фенотипа (рис. 1.7).

За миллионы поколений копирования, даже небольшие ошибки в этом влиянии фенотипа могут привести к большим изменениям.Иногда одно изменение в регулирующем гене, который контролирует другие части ДНК организма, также может иметь большой эффект. Чтобы представить себе, как это может работать, подумайте об игре «Телефон». В этой игре один человек шепчет фразу своему соседу, а тот — своему соседу, и так далее. Последний человек, получивший сообщение, сравнивает фазу, которую, по его мнению, он услышал, с исходной фразой. Часто ошибки в повторении или понимании фразы-образца приводят к изменению ее значения. То же самое происходит, когда ДНК реплицируется снова и снова.Изменения в сообщении в игре аналогичны тому, что происходит при мутациях. Изменения значения «сообщения» ДНК могут вызывать изменения внешнего вида, физиологии или поведения организма.

Мутация может быть особенно мощным фактором изменений, если она оказывает значительное влияние на выживание организма. Некоторые мутации, например, придали бактериям устойчивость к антибиотикам. Поскольку бактерии размножаются очень быстро, эти мутации могут быстро повлиять на изменение популяции бактерий.

Также важно помнить, что мутации случайны. Организм не может выбрать или выбрать свою мутацию. Например, некоторые виды животных, которые всю жизнь живут в пещерах без света, не имеют пигмента или окраски. Поскольку пещеры темные, нет никакой пользы в маскировке, чтобы избежать хищника, или в окраске, чтобы привлечь помощника. Однако не всем животным, живущим в темноте, не хватает цвета. Чтобы вид потерял окраску, должны произойти мутации, позволяющие удалить пигмент.Если мутации никогда не произойдет, животные останутся пигментированными.

Половое размножение также может увеличивать генетическую изменчивость в популяции. Многие одноклеточные микроорганизмы воспроизводятся просто путем дублирования своего генетического материала (то есть ДНК) и деления себя пополам. Этот процесс называется бесполым размножением. Новые клетки, полученные в результате бесполого размножения, генетически идентичны исходной родительской клетке, если не происходит какой-либо мутации. Половое размножение — это производство потомства за счет комбинации специализированных половых клеток.Эти половые клетки (также называемые гаметами) содержат только половину генетического материала отдельного организма. Когда две половинки — одна от самца и одна от самки — объединяются, потомство получает совершенно новую комбинацию генов.

Мутации и половое размножение увеличивают генетическую изменчивость популяции. Отдельные организмы с неблагоприятными характеристиками (например, деформированные крылья у плодовых мушек или ярко-белый узор у самцов павлинов) с меньшей вероятностью выживут и будут воспроизводиться.Эти люди и гены, которые они несут, «отбираются против» или не одобряются естественным отбором (рис. 1.8). Напротив, люди с полезными генами имеют больше шансов выжить и воспроизвести.

---

Выплачено

Видео

Практикум: Подведение итогов по естественному отбору

Итого:

1. Естественный отбор требует различий между особями.
2. Мутации и половое размножение увеличивают генетическую изменчивость популяции.
3. Естественный отбор происходит, когда давление окружающей среды способствует определенным признакам, которые передаются потомству. «Большой приз» в естественном отборе — это передача генетической информации.
4. Естественный отбор действует на популяции. Люди не эволюционируют в терминах генетической эволюции. Люди могут мутировать, но естественный отбор изменяет характеристики популяции в целом.

Деятельность

Смоделируйте, как изменение цвета жертвы и поиск пищи хищниками влияют на выживание и воспроизводство популяции жертвы.

.